分析高壓直流輸電線路耐張串用長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子的機(jī)械特性

宋世歡　孫聰

摘 要：高壓線路絕緣子在高壓架空輸配電線路上具有支持、絕緣以及懸掛導(dǎo)線等相關(guān)作用。高壓線路中的絕緣子有著不同的類(lèi)型。長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子是通過(guò)帶傘或者不帶傘的類(lèi)似與圓柱形桿體的絕緣件以及在兩端的膠裝構(gòu)件共同構(gòu)成。因此，文章對(duì)其機(jī)械特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究，獲得了長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子可以滿足線路耐張串的要求，具有良好的機(jī)械性能。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路;耐張串;長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子;機(jī)械特性

長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子是一種不可擊穿類(lèi)的絕緣子，其維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低，具有壽命長(zhǎng)，可靠性良好的特征。而隨著高壓直流輸電線路的發(fā)展，耐張串對(duì)絕緣子提出了較為嚴(yán)格的要求。分析高壓直流輸電線路耐張串用長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子的機(jī)械特性，可以為高壓直流輸電線路的應(yīng)用提供有效的參考。

1.長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子靜態(tài)荷載

長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣的靜態(tài)荷載是影響其機(jī)械特性的重要因素，其中最為關(guān)鍵的要素就是拉伸荷載、彎曲荷載、扭轉(zhuǎn)荷載以及橫向荷載幾點(diǎn)：

1.1拉伸荷載

長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子在拉伸荷載作用之下并不會(huì)出現(xiàn)較大的變形，仍然在彈性范圍匯總。對(duì)此，可以通過(guò)胡克定律分析芯棒應(yīng)力。現(xiàn)階段，要求長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子的機(jī)械拉伸強(qiáng)度要高于1300MPa。對(duì)此，靜態(tài)拉伸荷載并不會(huì)影響其整體的機(jī)械強(qiáng)度。

1.2彎曲荷載

長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子在風(fēng)力作用之下會(huì)出現(xiàn)不同程度的彎曲變形。而根據(jù)芯棒設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，芯棒受到壓縮荷載作用影響出現(xiàn)彎曲，軸向的最大耐受壓力以能力則為900MPa，因此，其具有良好的抗彎曲性能。

1.3扭轉(zhuǎn)荷載

導(dǎo)線在舞動(dòng)的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)荷載。而長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子的絕緣子長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有較大的芯棒直徑，則有利于降低扭轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生的應(yīng)力影響。

1.4橫向荷載

受到覆冰等作用之下，導(dǎo)致長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子會(huì)承受不同程度的橫向荷載。例如，體重為1KN的工作人員在長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子上引動(dòng)，而絕緣子芯棒中的應(yīng)力極限則小于90MPa，其具有較強(qiáng)的承受力。對(duì)此，在線路運(yùn)行中的均勻載荷以及集中載荷并不會(huì)影響其機(jī)械強(qiáng)度。

2.長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子有限元應(yīng)力分析

2.1長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子模型

通過(guò)有限元軟件進(jìn)行有限元力學(xué)分析。在處理中構(gòu)建模型相對(duì)復(fù)雜。通過(guò)繪制長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子模型，在有限元軟件中導(dǎo)入。通過(guò)此種方式進(jìn)行處理，在轉(zhuǎn)換中不會(huì)丟失元素，有效的節(jié)省了建模時(shí)間。

在計(jì)算中為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以忽略鐵帽兩端中的耳朵，恒定軸向拉力則要在端部中。而瓷體材料是氧化鋁高強(qiáng)度瓷，整體燒制，強(qiáng)度相對(duì)較高。

2.2集中力和軸向拉力作計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用與后面實(shí)驗(yàn)相同的集中力以及軸向拉力。在計(jì)算中根據(jù)最大運(yùn)行張力不高于額定拉伸負(fù)荷的1/2.7作為安全系數(shù)，而400kN的瓷絕緣子其運(yùn)行張力上限為400kN/2.7，也就是148kN。對(duì)此，絕緣子的兩端中要施加的軸向拉力為148kN，要在其基礎(chǔ)之上進(jìn)行中部的集中荷載壓力的施加。

通過(guò)計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)瓷絕緣子的芯棒部分整體的應(yīng)變分布相對(duì)較為均勻，其中間部分中的軸向應(yīng)變變化為132*10-6.

進(jìn)行均布力以及軸向拉力作用計(jì)算分析，其結(jié)果與集中力計(jì)算并沒(méi)有顯著的差異，均布力由0逐漸的增加到1.1kN，而其軸向拉力則始終保持148kN。

3.長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1集中力試驗(yàn)

進(jìn)行集中力試驗(yàn)以及均布力試驗(yàn)中，主要應(yīng)用兩端軸向拉力通過(guò)1000kN臥式液壓拉力機(jī)進(jìn)行分析，傳感器應(yīng)用 BLR-1（500kN）。進(jìn)行集中力模擬分析。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行抹水泥施工，根據(jù)傘裙尺寸制作鐵罩，通過(guò)增加采鋼筋的方式提升整體的穩(wěn)固性。受到實(shí)驗(yàn)裝置高度限制，鐵板的懸掛高度具有限制，砝碼的數(shù)量也有限，因此在實(shí)踐中鐵板在內(nèi)中的集中力的最大可以增加為1.1KN.

在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了BX120-3AA型應(yīng)變片。因?yàn)榇山^緣子表面較為光滑，因此粘貼較為困難，在實(shí)驗(yàn)中只保留了上部的應(yīng)變片。在彈性力學(xué)原理基礎(chǔ)之上，試品上部位置上的應(yīng)變量與下部的應(yīng)變量相同，但是二者的趨勢(shì)相反。

通過(guò)分析模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值均較為接近，意味著無(wú)需分析絕緣子端部鐵帽以及膠合劑，其對(duì)于中部傘根位置的計(jì)算并沒(méi)有影響。在忽略鐵帽的狀況之下計(jì)算發(fā)現(xiàn)膠合劑計(jì)算值與試驗(yàn)值之間存在著較為顯著差別。而出現(xiàn)此種問(wèn)題主要就是因?yàn)楹雎粤髓F帽以及膠合劑模的問(wèn)題。

瓷體端部軸向應(yīng)變會(huì)隨著軸向拉力而出現(xiàn)一定的變化，而在整體上來(lái)說(shuō)，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的差距符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在彈性，力學(xué)角度分析，集中力的增加會(huì)壓縮瓷體上部，減小應(yīng)編制。在瓷體的下部具有增大的趨勢(shì)，其變化量也是相同的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)值以及計(jì)算值分析來(lái)說(shuō)，1kN左右集中力并不會(huì)對(duì)絕緣子產(chǎn)生影響，而1.1kN集中力則會(huì)導(dǎo)致絕緣子軸向應(yīng)變出現(xiàn)大概40×10-6的變化。

3.2均布力試驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行模擬。通過(guò)施加148kN的軸向拉力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變片位置與集中力試驗(yàn)中的位置相同。通過(guò)試驗(yàn)值以及計(jì)算值對(duì)比分析可以確定君不離對(duì)絕緣子并沒(méi)有產(chǎn)生較大的影響。

3.3扭轉(zhuǎn)力試驗(yàn)

扭轉(zhuǎn)力試驗(yàn)中一共進(jìn)行了3支試品的測(cè)試，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)3支試品破壞扭矩均達(dá)到了10kN？m，破壞形式均屬于鉛銻合金膠合劑松動(dòng)的問(wèn)題，且瓷體保持了完好，并沒(méi)有受到無(wú)損。在實(shí)踐中通過(guò)扭轉(zhuǎn)力試驗(yàn)以及拉伸破壞負(fù)荷試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，其拉伸破壞負(fù)荷高于額定值，但是并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的機(jī)械性能下降的問(wèn)題。長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子的端部金具呈現(xiàn)錐形，即便是鉛銻合金膠合劑松動(dòng)了，膠合劑也不會(huì)與鐵帽脫離，端部結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。

3.4端部連接的機(jī)械安全

長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子端部連接是影響其整體機(jī)械安全性的關(guān)鍵因素。因?yàn)樵趶?fù)合絕緣子的內(nèi)楔與外楔中均屬于壓接式結(jié)構(gòu)，端部鏈接質(zhì)量是直接強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。將軸向拉力的額定拉伸強(qiáng)度設(shè)置為400kN進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鐵帽機(jī)械前度符合規(guī)范要求。

4.結(jié)論：

第一，試驗(yàn)計(jì)算分析，長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子可以有效的承受帶電作業(yè)中施工人員施加的集中作用力。第二，長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子可以有效的承受覆冰以及風(fēng)載荷等相關(guān)均布力。第三，其破壞扭矩高達(dá)10kN？m，具有較強(qiáng)的使用裕度。在扭轉(zhuǎn)被破壞之后，長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子的拉伸破壞負(fù)荷還是可以保持在額定數(shù)值之上。第四，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以確定長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子可以有效的承受在60s中的80%拉伸負(fù)荷;并且其拉伸破壞負(fù)荷最低為530kN，最高數(shù)值為762kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，具有較強(qiáng)的裕度。第五，長(zhǎng)棒形懸式瓷絕緣子通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析確定了整體的靜態(tài)力學(xué)特性可以有效的滿足在高壓直流輸電線路中的耐張串要求;而在機(jī)械性能角度上分析可以應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：

宋世歡（1984-），男，遼寧省大連市人，民 族：漢 職稱：助理工程師，學(xué)歷：大學(xué)專(zhuān)科。研究方向：瓷絕緣子研發(fā)設(shè)計(jì)。