±1 100 k V特高壓大噸位壓接式復合絕緣子設計及蠕變、強度分散性淺析

馬向方 王曉楠 楊紅軍 吳兆峰

（襄陽國網合成絕緣子有限責任公司，湖北 襄陽441057）

0 引言

我國能源主要集中在中西部地區(qū)，而電能消耗則集中在東部及沿海地區(qū)，能源分布的不均衡決定了我國發(fā)展特高壓遠距離輸電的必然趨勢。出于防污閃的需要，特高壓線路大量采用復合絕緣子。同時特高壓線路由于輸送容量及導線表面場強控制要求，一般都選用截面較大的導線，如現(xiàn)±800 k V特高壓線路導線截面已經達到1 250 mm2，截面大意味著導線重量大，即特高壓復合絕緣子也將承受更大的機械負荷，目前±800 k V直流及1 000 k V交流特高壓輸電線路用絕緣子最大額定機械負荷已經達到550 k N，而±1 100 k V線路絕緣子機械負荷更是提出了滿足840 k N爭取1 000 k N的要求，±1 100 k V特高壓輸電線路中840 k N大噸位復合絕緣子將作為一個標準機械負荷等級。

這將是國際首條±1 100 k V特高壓輸電線路中首次應用如此高機械強度等級的復合絕緣子產品，需要對840 k N大噸位復合絕緣子的機械長期可靠性提出更高的要求。

1 840 k N大噸位壓接式復合絕緣子機械負荷設計選型

1．1 840 k N復合絕緣子壓接參數選取

壓接式復合絕緣子是采用壓接機對金具外圓周施加一定的壓力，使芯棒端部因金具塑變而受到徑向壓力，在金具內腔與芯棒接觸面形成靜摩擦力，使絕緣子具有拉伸強度。

其主要原理為：

式中，F(xiàn)為芯棒與金具摩擦力（N）；μ為摩擦因數；FN為芯棒與金具之間壓力（N）。

故復合絕緣子拉伸強度在金具及芯棒材質、尺寸確定后還受金具與芯棒的接觸面大小、粗糙度、配合間隙等以及壓接長度、壓接變形量等影響。壓接參數的控制目前尚無確切計算方法，主要根據不同壓接設備的經驗進行多次校核試驗取值，后面我們將對此展開試驗。

1．2 芯棒材料選擇及尺寸校核

芯棒作為復合絕緣子機械負荷的承載部件，同時又是內絕緣的主要部件，要求它具有很高的機械強度、絕緣性能和長期穩(wěn)定性；特高壓復合絕緣子所采用的ECR耐酸型芯棒的抗拉強度在1 100 MPa以上，這個強度是瓷的5～10倍，與優(yōu)質的碳素鋼強度相當，完全能滿足大噸位復合絕緣子需求。

下面根據拉伸強度計算公式對芯棒直徑進行校核選擇：

式中，P 為 最 大 負 荷 （N）；σt為 拉 伸 強 度 （MPa），此 處 取1 100 MPa；d為芯棒直徑（mm）。

結合制造及運行經驗，我們復合絕緣子芯棒安全系數一般控制在2．0以上，即取P＝2×840×103＝1．68×106N。

由于此大噸位復合絕緣子應用在特高壓線路，故可適當增加安全系數，結合550 k N復合絕緣子制造經驗，可取芯棒直徑為50 mm，此時芯棒最大負荷為2 158 k N，安全系數為2．6，完全滿足需求。

1．3 金具材料選擇及設計

由于40Cr抗拉強度≥980 MPa，40Mn2抗拉強度≥885 MPa，同時這兩種材料的塑性和耐磨性都較高，可切削性及熱處理工藝性能亦好，處理后具有良好的綜合力學性能。故±1 100 k V特高壓直流復合絕緣子兩端金具材料一般可選用40 Mn2或40Cr鍛鋼，其化學成分及力學性能符合GB／T3077要求，材料硬度均勻，壓接區(qū)硬度適當，并在加工完成后進行高頻熱處理，以提高其抗拉強度。同時，參照GB／T4056并結合制造經驗選取合適的壓接長度、厚度及其與芯棒的配合間隙，進行試驗以確定最后尺寸及壓接參數。

2 840 k N壓接式復合絕緣子的機械強度試驗

目前國內及國際標準中，針對復合絕緣子的機械負荷試驗主要采用短時破壞強度試驗及“機械強度—時間”特性檢驗。為了研究此問題，我們在對±1 100 k V／840 k N大噸位壓接式復合絕緣子完成設計選型后進行了短時破壞強度試驗和“機械強度—時間”特性試驗研究。

2．1 短時機械強度破壞及其相對偏差（分散性）

根據GB／T19519標準的試驗程序要求，我們選取在生產線上制成的絕緣長度≥800 mm、所使用端部配件與正常絕緣子相同的復合絕緣子短樣進行短時機械強度試驗。在環(huán)境溫度中，對試品施加拉伸負荷，此拉伸負荷應迅速而平穩(wěn)地從0升高到大約為芯棒預期機械破壞負荷的75%，然后在30～90 s的時間內逐漸升高到芯棒破壞或完全抽出［1］。計算出該批所有試品破壞負荷的平均值Mav及其相對標準偏差σ。

表1給出了試驗得到的短時機械破壞強度結果，其中MSML為標稱的額定機械負荷。試品編號由3部分組成，第1部分表示試品的機械強度等級，第2部分用來區(qū)分不同的壓接工藝，第3部分是同一噸位等級、同一壓接工藝下的試品序號。

表1 試驗得到的短時破壞強度平均值M av及其相對標準偏差σ

由表1可以看到，壓接式大噸位復合絕緣子的短時破壞強度的分散性主要分布在2%～7%之間，其中第9組與第12組小于3%，遠小于IEC61109所假設的8%。

2．2 長時間機械性能及其與短時機械強度的關系

根據DL／T810的試驗程序要求，我們按照某一批試品的壓接參數制作了長時間蠕變試驗的試品。每3支試品為1組，施加拉伸負荷，此拉伸負荷應迅速而平穩(wěn)地從0升到其平均破壞負荷Mav的某一百分比（≥75%），然后在這個負荷下持續(xù)96 h無破壞（斷裂或完全）［2］。表2給出了長時間機械耐受試驗的結果。

IEC61109：1992給出了一個公式：

表2 840 k N復合絕緣子試品長時間蠕變試驗結果

式中，Mw為機械耐受負荷（k N）；Mav為短時平均機械破壞負荷（k N）；k為蠕變斜率；t為試驗時間（min）；σ為短時機械破壞負荷的標準偏差。

根據上式，對于沒有發(fā)生破壞（斷裂或完全抽出）的試品，按照它的實際試驗時間求出其蠕變斜率k的一個上限；對于發(fā)生破壞的試品，按照它的實際試驗時間求出其蠕變斜率k［3］。

可以看到，采用工藝9及12參數生產的大噸位壓接式復合絕緣子，其蠕變斜率都不大，均遠小于IEC61109所給出的8%。國際上，德國H．Dietz等人曾通過試驗給出復合絕緣子的蠕變斜率為4．9%～6．8%［4］。通過上述比較來看，我們現(xiàn)在的絕緣子工藝水平已突破這一結果。

同時按照國家電網公司特高壓復合絕緣子定型試驗——機械負荷試驗要求，取按照工藝9及12參數生產的3只大噸位壓接式復合絕緣子成品進行120%額定機械負荷24 h耐受試驗后再進行機械破壞負荷試驗，如表3所示，其機械負荷破壞值均大于120%額定機械負荷。

表3 120%額定機械負荷24 h耐受試驗后機械破壞負荷試驗結果

2．3 試驗結果分析

該±1 100 k V／840 k N大噸位壓接式復合絕緣子完全滿足IEC61109采用“短時破壞強度≤8%”和“蠕變斜率≤8%”來考核復合絕緣子的長期機械性能的要求。

3 結論

（1）根據試驗可知，選取Φ50 mm ECR玻纖芯棒，并采取處理后的40 Mn2或40Cr材質金具，選取合適的壓接工藝，840 k N大噸位復合絕緣子的機械負荷完全滿足GB／T19519、DL／T810及國家電網公司對特高壓復合絕緣子定型試驗——機械負荷試驗的要求。

（2）試驗研究結果表明，采取工藝9及12生產的840 k N大噸位壓接式復合絕緣子的短時破壞強度分散性σ主要分布在2%～3%之間，長期蠕變斜率k一般小于4%，都遠小于IEC61109規(guī)定的8%。

［1］GB／T19519—2014 架空線路絕緣子 標稱電壓高于1 000 V交流系統(tǒng)用懸垂和耐張復合絕緣子 定義、試驗方法及接收準則［S］．

［2］DL／T810—2012 ±500 k V及以上電壓等級直流棒形懸式復合絕緣子技術條件［S］．

［3］GB／T19519—2004 標稱電壓高于1 000 V的交流架空線路用復合絕緣子——定義、試驗方法及驗收準則［S］．

［4］梁曦東，王家福，宿志一，等．大噸位壓接式復合絕緣子長期運行的機械可靠性［J］．高電壓技術，2010，36（10）：2562．