±1 100 k V特高压大吨位压接式复合绝缘子设计及蠕变、强度分散性浅析

马向方 王晓楠 杨红军 吴兆峰

（襄阳国网合成绝缘子有限责任公司，湖北 襄阳441057）

0 引言

我国能源主要集中在中西部地区，而电能消耗则集中在东部及沿海地区，能源分布的不均衡决定了我国发展特高压远距离输电的必然趋势。出于防污闪的需要，特高压线路大量采用复合绝缘子。同时特高压线路由于输送容量及导线表面场强控制要求，一般都选用截面较大的导线，如现±800 k V特高压线路导线截面已经达到1 250 mm2，截面大意味着导线重量大，即特高压复合绝缘子也将承受更大的机械负荷，目前±800 k V直流及1 000 k V交流特高压输电线路用绝缘子最大额定机械负荷已经达到550 k N，而±1 100 k V线路绝缘子机械负荷更是提出了满足840 k N争取1 000 k N的要求，±1 100 k V特高压输电线路中840 k N大吨位复合绝缘子将作为一个标准机械负荷等级。

这将是国际首条±1 100 k V特高压输电线路中首次应用如此高机械强度等级的复合绝缘子产品，需要对840 k N大吨位复合绝缘子的机械长期可靠性提出更高的要求。

1 840 k N大吨位压接式复合绝缘子机械负荷设计选型

1．1 840 k N复合绝缘子压接参数选取

压接式复合绝缘子是采用压接机对金具外圆周施加一定的压力，使芯棒端部因金具塑变而受到径向压力，在金具内腔与芯棒接触面形成静摩擦力，使绝缘子具有拉伸强度。

其主要原理为：

式中，F为芯棒与金具摩擦力（N）；μ为摩擦因数；FN为芯棒与金具之间压力（N）。

故复合绝缘子拉伸强度在金具及芯棒材质、尺寸确定后还受金具与芯棒的接触面大小、粗糙度、配合间隙等以及压接长度、压接变形量等影响。压接参数的控制目前尚无确切计算方法，主要根据不同压接设备的经验进行多次校核试验取值，后面我们将对此展开试验。

1．2 芯棒材料选择及尺寸校核

芯棒作为复合绝缘子机械负荷的承载部件，同时又是内绝缘的主要部件，要求它具有很高的机械强度、绝缘性能和长期稳定性；特高压复合绝缘子所采用的ECR耐酸型芯棒的抗拉强度在1 100 MPa以上，这个强度是瓷的5～10倍，与优质的碳素钢强度相当，完全能满足大吨位复合绝缘子需求。

下面根据拉伸强度计算公式对芯棒直径进行校核选择：

式中，P 为 最 大 负 荷 （N）；σt为 拉 伸 强 度 （MPa），此 处 取1 100 MPa；d为芯棒直径（mm）。

结合制造及运行经验，我们复合绝缘子芯棒安全系数一般控制在2．0以上，即取P＝2×840×103＝1．68×106N。

由于此大吨位复合绝缘子应用在特高压线路，故可适当增加安全系数，结合550 k N复合绝缘子制造经验，可取芯棒直径为50 mm，此时芯棒最大负荷为2 158 k N，安全系数为2．6，完全满足需求。

1．3 金具材料选择及设计

由于40Cr抗拉强度≥980 MPa，40Mn2抗拉强度≥885 MPa，同时这两种材料的塑性和耐磨性都较高，可切削性及热处理工艺性能亦好，处理后具有良好的综合力学性能。故±1 100 k V特高压直流复合绝缘子两端金具材料一般可选用40 Mn2或40Cr锻钢，其化学成分及力学性能符合GB／T3077要求，材料硬度均匀，压接区硬度适当，并在加工完成后进行高频热处理，以提高其抗拉强度。同时，参照GB／T4056并结合制造经验选取合适的压接长度、厚度及其与芯棒的配合间隙，进行试验以确定最后尺寸及压接参数。

2 840 k N压接式复合绝缘子的机械强度试验

目前国内及国际标准中，针对复合绝缘子的机械负荷试验主要采用短时破坏强度试验及“机械强度—时间”特性检验。为了研究此问题，我们在对±1 100 k V／840 k N大吨位压接式复合绝缘子完成设计选型后进行了短时破坏强度试验和“机械强度—时间”特性试验研究。

2．1 短时机械强度破坏及其相对偏差（分散性）

根据GB／T19519标准的试验程序要求，我们选取在生产线上制成的绝缘长度≥800 mm、所使用端部配件与正常绝缘子相同的复合绝缘子短样进行短时机械强度试验。在环境温度中，对试品施加拉伸负荷，此拉伸负荷应迅速而平稳地从0升高到大约为芯棒预期机械破坏负荷的75%，然后在30～90 s的时间内逐渐升高到芯棒破坏或完全抽出［1］。计算出该批所有试品破坏负荷的平均值Mav及其相对标准偏差σ。

表1给出了试验得到的短时机械破坏强度结果，其中MSML为标称的额定机械负荷。试品编号由3部分组成，第1部分表示试品的机械强度等级，第2部分用来区分不同的压接工艺，第3部分是同一吨位等级、同一压接工艺下的试品序号。

表1 试验得到的短时破坏强度平均值M av及其相对标准偏差σ

由表1可以看到，压接式大吨位复合绝缘子的短时破坏强度的分散性主要分布在2%～7%之间，其中第9组与第12组小于3%，远小于IEC61109所假设的8%。

2．2 长时间机械性能及其与短时机械强度的关系

根据DL／T810的试验程序要求，我们按照某一批试品的压接参数制作了长时间蠕变试验的试品。每3支试品为1组，施加拉伸负荷，此拉伸负荷应迅速而平稳地从0升到其平均破坏负荷Mav的某一百分比（≥75%），然后在这个负荷下持续96 h无破坏（断裂或完全）［2］。表2给出了长时间机械耐受试验的结果。

IEC61109：1992给出了一个公式：

表2 840 k N复合绝缘子试品长时间蠕变试验结果

式中，Mw为机械耐受负荷（k N）；Mav为短时平均机械破坏负荷（k N）；k为蠕变斜率；t为试验时间（min）；σ为短时机械破坏负荷的标准偏差。

根据上式，对于没有发生破坏（断裂或完全抽出）的试品，按照它的实际试验时间求出其蠕变斜率k的一个上限；对于发生破坏的试品，按照它的实际试验时间求出其蠕变斜率k［3］。

可以看到，采用工艺9及12参数生产的大吨位压接式复合绝缘子，其蠕变斜率都不大，均远小于IEC61109所给出的8%。国际上，德国H．Dietz等人曾通过试验给出复合绝缘子的蠕变斜率为4．9%～6．8%［4］。通过上述比较来看，我们现在的绝缘子工艺水平已突破这一结果。

同时按照国家电网公司特高压复合绝缘子定型试验——机械负荷试验要求，取按照工艺9及12参数生产的3只大吨位压接式复合绝缘子成品进行120%额定机械负荷24 h耐受试验后再进行机械破坏负荷试验，如表3所示，其机械负荷破坏值均大于120%额定机械负荷。

表3 120%额定机械负荷24 h耐受试验后机械破坏负荷试验结果

2．3 试验结果分析

该±1 100 k V／840 k N大吨位压接式复合绝缘子完全满足IEC61109采用“短时破坏强度≤8%”和“蠕变斜率≤8%”来考核复合绝缘子的长期机械性能的要求。

3 结论

（1）根据试验可知，选取Φ50 mm ECR玻纤芯棒，并采取处理后的40 Mn2或40Cr材质金具，选取合适的压接工艺，840 k N大吨位复合绝缘子的机械负荷完全满足GB／T19519、DL／T810及国家电网公司对特高压复合绝缘子定型试验——机械负荷试验的要求。

（2）试验研究结果表明，采取工艺9及12生产的840 k N大吨位压接式复合绝缘子的短时破坏强度分散性σ主要分布在2%～3%之间，长期蠕变斜率k一般小于4%，都远小于IEC61109规定的8%。

［1］GB／T19519—2014 架空线路绝缘子 标称电压高于1 000 V交流系统用悬垂和耐张复合绝缘子 定义、试验方法及接收准则［S］．

［2］DL／T810—2012 ±500 k V及以上电压等级直流棒形悬式复合绝缘子技术条件［S］．

［3］GB／T19519—2004 标称电压高于1 000 V的交流架空线路用复合绝缘子——定义、试验方法及验收准则［S］．

［4］梁曦东，王家福，宿志一，等．大吨位压接式复合绝缘子长期运行的机械可靠性［J］．高电压技术，2010，36（10）：2562．