复合绝缘子压接接头模拟极端气温力学试验分析

李文彬,王 勇,冯砚厅,吕亚东,李晓康

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

近年来,我国超高压、特高压输电线路投运里程爆发式增长。复合绝缘子因其具有非常优异的耐污闪性能、体积小、强度大等优点,被广泛用作输电系统外绝缘器具[1]。复合绝缘子起到悬挂与支撑导线的作用,其两端金具与芯棒联接的可靠程度直接关系到输电线路的运行安全。根据以往的运行经验,复合绝缘子故障主要是由雷击闪络、冰闪等引发的电气性能方面故障;很少有芯棒断裂(包括普通断裂、脆性断裂和酥朽断裂等)类机械性能故障。虽然机械性能方面故障发生概率较低,但一经发生往往导致较大恶性事故[2]。

随着复合绝缘子使用量的增长、电压等级的升高以及服役年限的增加,复合绝缘子性能是否稳定便越来越被关注。国内复合绝缘子金具与芯棒的联接方式普遍采用性能较为稳定的内楔联接界面结构。近年来,为了简化界面结构,实现组装机械化,提高工作效率和降低产品成本,压接式复合绝缘子被大量生产及应用。

目前复合绝缘子的力学性能的检测还限于常温检测[3-5]。加拿大De Claude博士等人进行了复合绝缘子长期机械耐受试验后的残余强度研究,并对加拿大运行多年的一些复合绝缘子进行了短时机械破坏试验,测取其残余机械强度[68]。随着全球能源互联网建设发展,输电线路使用条件可以出现在极为炎热的赤道地带,也可能出现在极寒地区,在这些极端气温下,常用的线路工程材料力学性能否满足工程应用,特别是复合绝缘子金具与芯棒压接部位是否适应极端气温的变化,目前国内相关研究还很少。本文采用卧式变距计算机型拉力试验机(简称“卧式拉力试验机”)对110 k V复合绝缘子在额定载荷保持下施加模拟极端气温条件,检测金具与芯棒压接部位受力情况,并进行性能分析,验证其安全裕度。

1 试验设备

1.1 复合绝缘子

试验选用6根某公司生产的FXBW-110/100及FXBW4-110/100复合绝缘子,挂网运行9年后的绝缘子,型号中F代表复合硅橡胶材料,X代表悬挂,B代表球窝链接方式,W代表大小伞,4代表序列号,110代表110 k V专用,100代表拉力100 k N。复合绝缘子的结构高度H为1 240 mm,最小电弧距离h为1 165 mm。复合绝缘子示意见图1。

图1 复合绝缘子示意

1.2 卧式拉力试验机

试验采用最大量程为2 000 k N的卧式拉力试验机。该卧式拉力试验机由主架、变距移动小车、油缸移动小车、液压泵站、计算机控制柜、电器控制柜、500 k N力传感器、位移传感器、传感器连接组件等组成。主架由左右两侧的七组侧架、油缸安装端头、导轨、齿条组成;变距移动小车包含行走驱动装置和插销装置,用于实现变距和自动插销;泵站配置有低压泵和高压泵,低压泵的关键作用是微调油缸活塞杆的推出和缩回,以便准确连接试品,高压泵用于试品加载和卸载;传感器检测力值并将其反馈到控制柜,实现闭环控制;传感器连接组件采取铰链接,有一定上下左右转动和移动的自由度,以保证试验样品和油缸活塞杆自动找正。

2 试验原理

2.1 压接原理

复合绝缘子压接接头处用径向挤压力令金具发生一定量的塑性形变,在芯棒和金具的接触面上产生设定值的预压力,此时也会导致芯棒随之发生一定量弹性形变。复合绝缘子承担载荷时,其连接强度来源于两点,一是预压力产生的轴向摩擦力,二是发生塑性形变的金具腔体内侧与弹性形变芯棒结合面存在的轴向剪切力[9]。

2.2 载荷分析

运行中复合绝缘子载荷由两部分组成,一是其牵引金属导线所产生的静态、拉伸性载荷,二是架空导线舞动引起并传递而来的振动性弯曲载荷。其中,振动主要是正弦波形的驻波振动,即波节不动、波腹上下交替循环变化。金具刚性要高于芯棒,因此可把芯棒看作是以金具连接点为固定连接的悬臂梁,振动产生交替变化的弯曲应力就作用在金具和芯棒的连接部位。所以,要分析金具与芯棒连接部位的应力及变化,聚焦静态拉伸载荷和振动弯曲载荷即可[5]。

在拉伸和弯曲组合形变情况下,复合绝缘子截面上应力最大值应存在于离中性轴最远点,也就是芯棒表面,绝缘子承受的最大正压力为

式中:σp为拉伸性载荷在横截面上产生的正应力;σb为风振动载荷在横截面上产生的最大正应力;F为轴向的拉伸载荷;A为芯棒的横截面积,A=πD2/4;其中,D为芯棒的横截面直径;Mz为风载导致的弯矩;ymax为正应力所在点距离中性轴的最大距离;Iz为芯棒横截面的惯性矩,Iz=πD2/64;Wz为抗弯截面模量,Wz=Iz/ymax。如需计入复合绝缘子自重带来的弯矩,可包含在Mz中进行计算。

在弯曲拉伸组合形变情况下,绝缘子正常状态的强度应满足

式中:σu为复合绝缘子能承受的极限应力。

3 试验分析

3.1 试验方法

试验方法主要包含冷热循环试验与拉断试验。冷热循环试验的主要目的是测试复合绝缘子在一定载荷保持下处于极端气温时的性能与状态;拉断试验是对冷热循环后的复合绝缘子进行拉断破坏试验,检测其是否具有足够的安全裕度。

3.2 冷热循环试验

试验时采用卧式拉力试验机的500 k N力传感器和位移传感器,将试验用复合绝缘子通过过渡连接夹具与拉力小车连接在一起,试验示意见图2。

图2 复合绝缘子冷热循环试验示意

在试验过程中复合绝缘子卧式拉力试验机提供100 k N的持续拉力载荷,压接接头通过浇热水、浇液氮的方式来模拟极端气温。试验过程中通过热成像仪记录压接接头的温度变化情况,压接接头热成像记录见图3。由于热成像仪最低测量温度为-30℃,在压接接头浇液氮后热成像仪温度显示＜-30℃,液氮沸点温度为-196.56℃,所以实际压接接头浇液氮后的温度远低于-30℃。

图3 压接接头热成像图

试验时卧式拉力试验机将复合绝缘子保持额定拉力载荷100 k N的作用下,压接接头冷热交替试验过程如下:在压接接头处浇液氮冷却,直至热成像仪对压接接头温度显示稳定在＜-30℃时停止冷却,停止液氮冷却后压接接头＜-30℃保持时长1 min后马上浇热水升温,升温至80℃稳定1 min,第1次冷热交替完成。对于每个压接接头在100 k N拉力下冷热交替3次,考察复合绝缘子压接接头有无脱落失效现象发生。本次试验6根复合绝缘子,均未发生接头滑脱与绝缘子断裂现象,试验温度见表2。

表2 复合绝缘子压接接头试验记录

在交替冷却与加热过程中,由于对绝缘子施加额定载荷进行保载,卧式拉力试验机上可以发现位移随冷热交替而进行变化,即冷却时收缩,加热时伸长,侧面反映了模拟极端气温产生的作用。部分复合绝缘子冷热交替试验过程中位移变化见图4。

图4 部分复合绝缘子移变化

3.3 拉断试验

对进行冷热交替循环后的复合绝缘子进行拉断破坏试验。选取编号为07529343、型号为FXBW-110/100的复合绝缘子在压接接头温度为37.8℃进行拉断破坏试验,在拉断过程中通过热成像仪可以看到在压接接头处存在升温,试验热成像见图5。破坏形式为芯棒滑脱,芯棒滑脱后压接金具温度最高升至44.4℃,拉断力为160 k N,破坏值与额定负荷之比为1.6,仍具有足够的安全裕度。

图5 接头拉断试验热成像图

4 结论

复合绝缘子压接接头外层是铝合金材质,芯棒为玻璃纤维复合环氧树脂材质,两者膨胀系数不同,会导致极端温度下握紧力的变化。本文采用液氮冷却及热水加热的方式模拟极端气温条件,对复合绝缘子压接接头模拟极端气温力学试验分析,在额定载荷拉力下对两种型号的6根复合绝缘子进行了3次冷热交替试验,冷却温度＜-30℃,加热温度约80℃,绝缘子压接接头均完好无损。随机抽取1根冷热交替试验后的复合绝缘子进行拉断破坏试验,破坏形式为冷热交替的压接接头滑脱,破坏值与额定负荷之比为1.6,表明极端气温试验后复合绝缘子仍具有足够的安全裕度。通过试验为检测极端条件下复合绝缘子压接接头握紧力是否满足要求提供依据,具有重要工程价值。