瓷支柱绝缘子偏心程度对力学性能影响研究

2019-04-01陈国宏李远山邢明军

安徽电气工程职业技术学院学报 2019年1期

赵骞，陈国宏，李远山，王勇，邢明军

(国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥 230601)

0 引言

瓷支柱绝缘子是电力设备中常用的一种重要结构，能为电力设备提供支撑和抗弯曲能力，具有良好的绝缘性能，一般由金属法兰、瓷柱胶装而成。瓷支柱绝缘子的力学性能对电力设备的安全运行起着至关重要的作用。如果绝缘子的力学性能没有达到设计要求，则在运行期间极易发生绝缘子断裂事故，进而影响整个电力系统的正常运行。如：2003年6月2日，山东济南供电公司220 kV平阴站部分瓷支柱绝缘子断裂，造成平阴站全站失电[1]；2007年7月30日，胜利油田220 kV九分场变电站13相南侧刀闸瓷支柱绝缘子从中间法兰连接处断裂，并最终导致全站失电[2]。

通过对大量瓷支柱绝缘子断裂故障案例进行分析总结可以发现瓷支柱绝缘子断裂大部分发生在金属法兰和绝缘瓷件的结合部位[3]；断裂原因主要为生产制造工艺不良[4]，安装不当[5]，运行环境突变导致荷载变化等。从力学角度来说，瓷支柱绝缘子断裂的原因是绝缘子外部荷载超出其承载能力，所以采用力学研究方法探讨其断裂机理具有普适性。杨海涛等[6]采用有限元数值计算方法对高压支柱绝缘子的断裂机理进行了深入研究，提出了瓷绝缘子断裂模型。董云云等[7]对支柱瓷绝缘子裂纹进行了数值建模计算，分析了瓷绝缘子表面裂纹应力强度因子随裂纹尺寸以及裂纹所在位置的变化规律，获得了易导致断裂的危险裂纹尺寸和裂纹危险分布区域。

水泥胶装层填充在瓷质本体和金属法兰之间，主要起胶结作用，是瓷支柱绝缘子的重要组成部分，其厚度分布情况即偏心程度直接影响绝缘子力学性能。本文针对瓷支柱绝缘子力学性能采用ANSYS进行数值仿真计算，研究分析瓷柱偏心程度对支柱绝缘子承载强度的影响，期望得到外部荷载相同而偏心程度不同的支柱绝缘子应力变化规律，为瓷支柱绝缘子设计提供参考。

1 数值模型

瓷支柱绝缘子主要由起固定连接作用的铸铁法兰，起绝缘和支撑作用的瓷件本体以及填充在两者之间起胶结和过渡作用的水泥胶装层组成。其偏心程度主要体现在水泥胶装层的厚度及其分布情况不同上，研究偏心程度对瓷支柱绝缘子承载能力的影响核心就是研究水泥胶装层厚度分布对绝缘子承载能力的影响。本文主要研究不同胶装层厚度分布情况对绝缘子力学性能的影响，建立的绝缘子几何模型如图1。底部材料从外到内分别为铸铁、水泥、陶瓷。其中水泥胶装层的厚度分布情况根据不同模型而不同。几种绝缘子几何模型关键部位具体尺寸如表1。根据表1可知，模型1、模型2、模型3的瓷质本体偏心程度逐渐增高。绝缘子不同组成部分材料性能如表2所示。

根据上述相关尺寸，建立瓷支柱绝缘子ANSYS模型并划分网格。其中网格单元统一采用SOLID185单元，网格划分采用自用剖分方式。具体网格单元如图2所示。模型底部采用固定约束，顶部受X方向的均匀面荷载，大小均为1 000 kPa。

图1 半个绝缘子几何模型示意图

表1 几何模型关键部位尺寸

表2 瓷支柱绝缘子主要材料性能参数

2 模型1计算结果

本部分以模型1为例，荷载取方向为X轴正向的均匀面荷载，计算分析瓷支柱绝缘子力学性能。图3为瓷支柱绝缘子的位移云图。从图中可以看出，绝缘子各点位移从底部到顶部逐渐变大，与悬臂梁变形规律一致，顶部位移最大且最大位移值为1.01×10-6m。

图3 模型节点X方向位移云图

图4和图5分别是绝缘子数值模型第一主应力云图和第三主应力云图。由应力云图可以看出，在上述荷载条件下，绝缘子最大拉应力及最大压应力出现在瓷柱与水泥胶装层接触的部位，最大拉应力为81.459 MPa，最大压应力为76.606 MPa。结果表明，在已知荷载情况下，金属法兰和绝缘瓷件的结合部位应力最大，即瓷支柱绝缘子发生断裂时最可能在此部位首先损坏。该结论与瓷支柱绝缘子实际断裂情况一致。

从瓷支柱绝缘子数值计算结果看，通过数值仿真手段研究瓷绝缘子力学性能具有可行性及合理性。