空心复合绝缘子胶装结构与机械性能研究

2022-02-26李婷，银樵

电瓷避雷器 2022年1期

李婷，银樵

(1.西安西电避雷器有限责任公司，西安 710200;2.四川省水电投资经营集团有限公司，成都 611130)

0 引言

随着复合材料在电力电气领域的发展[1-2]，复合绝缘子技术也经历了近50年的探索、研究,取得了丰富的运行经验，复合绝缘子作为瓷绝缘子的替代品，其各项优越性逐步得到了广大用户的认可[3-6]。而空心复合绝缘子是20世纪80年代，主要为了解决SF6电气设备外绝缘的污闪和爆炸事故而应运开发，国内已有20多年运行经验，且应用范围也越来越广，已覆盖各类电压等级的交直流变电设备[7-9]。

空心复合绝缘子结构3大部件：紧固装置、绝缘管、伞套。紧固装置即连接法兰，传递机械负荷，绝缘管为玻璃丝(或布)浸渍环氧缠绕成型，是产品的内绝缘部件，也是机械负荷的主要承力主体[10-11]。法兰和绝缘管采用胶装结构连接[12]，连接区起着管和法兰之间负荷的传递作用，因此空心复合绝缘子机械强度除了取决于各部分材料本身的强度和管壁厚外，还与胶装结构的设计有很大的关系[13-16]。目前国内空心复合绝缘子胶装结构沿袭了20世纪90年代的设计理念，胶装时采用高温环氧胶合剂。随着近年来新工艺、新技术的不断发展，以及市场竞争日趋激烈的环境下，如何发挥绝缘子机械强度最大化，研究胶装结构，即复合材料和金属材料的粘接强度则成为重要的工作。

复合材料和金属材料粘接强度主要体现在产品弯曲受力和内压力引起的轴向拉伸受力过程，根据设计经验，规定内压力不超过4 MPa，规定内压力作用下的轴向拉伸应力一般小于15 MPa，而内压许用应力一般为70 MPa,故本次研究，仅考虑弯曲受力且着重考核不同胶装间隙、不同胶装比下试品的机械性能，为优化胶装结构，降低设计成本，提高产品性价比提供依据。

1 方案设计

1.1 试品准备

本次研究选用的绝缘管为环氧玻璃丝缠绕管，紧固装置为ZL101A法兰，与生产线产品选材无异。确定了两种规格试品(内径/外径×长度)：φ200/φ224×1 200，φ150/φ170×1 200。为了排除绝缘管材料本身的影响，试验研究的试品同规格按批进行。

影响空心复合绝缘子机械性能的胶装结构因素主要有胶装间隙和胶装比[17]，对同一结构高度，同一外形尺寸的同一批绝缘管，设定不同胶装间隙：0 mm、0.8 mm、1.5 mm、3 mm；设定不同胶装比：0.22～0.58，对试品试验结果进行对比分析。

1.2 试验条件及受力分析：

采用700 kN·m立式弯扭试验设备进行试验，试品垂直安装，下法兰牢固地固定，弯曲力施加于上法兰顶部，如图1所示。

图1 弯曲试验受力图Fig.1 Bending test stress diagram

空心复合绝缘子弯曲负荷下的危险断面为下法兰上端面与绝缘管交接处，即图1的A、B部位。顶杆传递负荷F1于法兰上端部时，同时在C部位会产生作用力F2，使绝缘管在A部位承受轴向拉应力σ1，F1和F2共同作用，使绝缘管在B部位承受力F，B部位的绝缘管内部不仅承受轴向挤压应力σ2，同时承受F力作用下的环向剪应力。所以A部位和B部位是最可能发生破坏的部位。

若绝缘管的缠绕角(玻璃纤维的缠绕方向与轴向的夹角)越小，轴向拉伸应力就越大，环向挤压应力就越小，即B部位先于A部位发生破坏，反之缠绕角越大，环向挤压应力越高，轴向拉伸应力越低，则A部位先于B部位发生破坏。

本次研究仅考虑不同结构因素对弯曲破坏负荷的影响趋势，不过分细究试样中绝缘管损伤的可逆与否，数据采集为设备直接输出，判断依据为肉眼、听力和曲线分析。

试验分析曲线选取“力—时间”曲线进行分析。

1.3 试验方案

试验分两个阶段进行，第一阶段固定胶装比，针对不同胶装间隙对产品机械性能的影响进行研究，分别对0 mm、0.8 mm、1.5 mm、3 mm 4种间隙进行分析，每组试品3只。第二阶段是根据第一阶段的试验结果而确定合理的胶装间隙后，再对不同胶装比与机械性能的关系进行试验研究，设定最小胶装比0.22，最大胶装比0.58。

试验参数确定：弯曲强度计算[18]公式：

(1)

式中，M管为弯曲力矩，F为弯曲破坏负荷，l为弯曲力臂(悬臂长)，d、D分别为绝缘管内、外径(见图1)，[σ]为弯曲许用应力。

由式(1)可计算在某一机械负荷下的弯曲应力值σ：

σ=32D×F×l/π(D4-d4)

(2)

试验初值拟定，考虑生产差异性，取许用弯曲应力50 MPa，代入式(1)，计算出弯曲破坏负荷初值F,根据试品初步拟定值,进行预试验，从而确定每类绝缘管的规定弯曲破坏负荷。

试验过程对试品最终的弯曲破坏负荷值和产品破坏前的曲线异常负荷进行记录，并将负荷值带入式(2)，计算每一负荷对应的破坏应力，作为试验结果分析的依据。

考虑绝缘管和法兰的材料特性，其弯曲破坏应力均大于100 MPa,而胶装弯曲许用应力一般为75 MPa，因此将75 MPa作为胶装区破坏应力的参考值。

2 试验

2.1 “力-时间”曲线分析

本次试验研究曲线 “力-时间”曲线，横坐标为时间轴，纵坐标为力值，曲线表明施加机械力随时间变化的情况。整个试验过程的力值曲线统计如下：

1)平滑曲线，无波动、无突变等异常，且曲线斜率一致，见图2(a)所示。

2)异常曲线(见图2(b)～(d))，存在波动、微小突变或明显突变，甚至曲线斜率呈分段由高变低趋势。

图2 “力—时间”曲线Fig.2 The stress-time curve

胶装结构中的环氧胶合剂作为复合材料和金属材料的粘合剂，其破坏应力较其他两种材料更低，在施加弯曲力过程中，为首先破坏点。其破坏形式表现为分层、溃裂，导致粘接失效或绝缘管拔脱。“力—时间”曲线出现波动或微小突变，是环氧层的微小异常而导致的施力顶杆的微跳动，尽管曲线斜率一致，但粘接环氧已出现了疑似破坏。“力—时间”曲线出现明显突变或曲线斜率明显由高变低时，粘接层已破坏或绝缘管已损伤。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 第一阶段

1)试品参数及试验结果

试品D=224 mm，d=200 mm，l=1 090 mm，胶装比0.4，确定规定弯曲破坏负荷为40 kN。试验过程中全程观察试品的外观变化，尤其危险断面处，关注过程中有无异响并结合力值曲线变化，判断试品破坏状态。

试品分类、破坏及曲线变化统计见表1。

表1 不同胶装间隙的试品分类及破坏情况统计Table 1 Classification and damage statistics of test sampls with different binding clearances

续表1

2)结果分析

破坏状态分析：所有试品破坏现象一致，见图3所示。破坏位置均在下法兰上端面(图1中A、B部位)附近±10 mm范围内，与顶杆方位同侧(即图1中A部位侧)，受轴向拉应力而破坏，说明该批绝缘管的缠绕角度过大，轴向拉应力小于环向剪应力，结果符合1.2受力分析。

图3 试品破坏图片Fig.3 Sample damage pictures

破坏数据分析，见图4～图6：

图4 不同间隙时绝缘管弯曲破坏应力Fig.4 Bending failure stress of tube with different clearances

图5 不同间隙时粘接区弯曲破坏应力Fig.5 Bending failure stress in bonding zone at different clearances

图6 不同间隙时不同部位平均弯曲破坏应力曲线Fig.6 Average bending failure stress curve of different parts at different clearances

则:

①间隙越大，不同部位弯曲应力均有下降趋势，而粘接区强度下降最为显著；

②间隙大于1.5 mm,粘接强度小于75 MPa，不符合要求；

③间隙为0 mm～0.8 mm，可得到最大弯曲应力，且应力值比较稳定。

2.2.2 第二阶段

1)试品参数及试验结果

根据第一阶段试验结果，第二阶段试品设计胶装间隙为0 mm，为了丰富试验数据，选用两种规格(φ200和φ150内径)试品进行研究，对于A类试品D=224 mm，d=200 mm，设定规定弯曲破坏负荷为40 kN。对于B类试品D=170 mm，d=150 mm，预测量试品破坏负荷大于20 kN，设定规定弯曲破坏负荷为30 kN。试验过程中全程观察试品的外观变化，尤其危险断面处，关注过程中有无异响并结合力值曲线变化，判断试品破坏状态。

试品分类、破坏及曲线变化统计见表2。