盘形悬式绝缘子R型锁紧销失效模拟

2023-01-31王安军李文荣廖玉琴杨跃光张予阳

广东电力 2022年12期

王安军，李文荣，廖玉琴，杨跃光，张予阳

(1.南方电网超高压输电公司，广东广州 510670；2.南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东广州 510670)

盘形悬式绝缘子是目前在高压输电线路中最常见的线路绝缘子之一[1]。随着特高压输电工程的发展，盘形悬式绝缘子串承受的电压等级、导线自重、风载等都随之提高。为了满足输电线路电气及机械方面的运行要求，大吨位的绝缘子被应用到交直流输电线路上[2-4]。然而，在恶劣自然条件或不合理人为操作下，大吨位的绝缘子串机械强度更易受到威胁，造成绝缘子串掉落[5-10]。

绝缘子串掉落主要是由于盘形悬式绝缘子之间的连接遭到破坏。盘形悬式绝缘子之间有着球窝与槽型2种连接方式[11]。球窝连接具有方便装卸及无方向性的特点，能够实现带电状态的绝缘子更换，因而超高压及特高压输电线路的盘形悬式绝缘子常采用球窝连接，将钢脚和铁帽串接，最后配合锁紧销将钢脚锁紧在铁帽内[12]。

球窝连接结构在运行时承受的应力十分复杂，钢脚、铁帽、锁紧销的形变均会引起球窝连接的失效。目前球窝连接的失效分析主要集中在铁帽和钢脚形变。孟婧等通过建立多刚体模型研究不同风载下钢脚与铁帽接触部位承受的应力[13]；刘洋等在静态载荷下对钢脚和铁帽的形变特性进行研究[14]；缪春辉等模拟服役过程中钢脚的应力状态[15]，通过分析钢脚疲劳断裂的原因，提出其尺寸优化设计建议。在不同载荷、不同边界约束条件以及不同位置下，铁帽和钢脚所承受的应力分布情况、形变特性均已充分研究，但锁紧销形变引起的失效研究主要集中在锁紧销制作过程[16-17]和运行过程[18-19]，关于施工安装过程的失效研究较少。最近，南方地区“西电东送”主网架某直流线路420 kN盘形悬式绝缘子在施工验收过程中，频繁出现了R型锁紧销挤压变形的情况。为保障盘形悬式绝缘子串安全可靠运行，有必要对安装过程的盘形悬式绝缘子R型锁紧销的失效问题展开研究。

本文通过吊装模拟试验，首先对R型锁紧销是否会在绝缘子串吊装过程中被钢脚挤压发生变形进行验证，随后从材料性能和设计尺寸分析引起R型锁紧销变形失效的参数。为进一步分析吊装过程中R型锁紧销的受力情况，开展吊装受力试验及仿真分析，利用ANSYS软件建立钢脚R型锁紧销三维模型，对R型锁紧销进行机械强度仿真，模拟出施加不同载荷时的von-Mises等效应力分布情况，并得到锁紧销在不同位置的应力值，为R型锁紧销的应用和设计提供思路。

1 试验方案

1.1 吊装模拟试验

锁紧销的压扁现象是在验收过程中被发现的，可以认为其形变不是受自然环境的影响。在施工过程中，受现场条件限制，连接金具较短而无法采用专用工具进行吊装，此时，常采用绳索绑扎绝缘子的方法进行吊装[20]。现场钢脚与锁紧销形变情况如图1所示。经现场粗略测量比对发现，钢脚的球头直径与压痕位置开口宽度接近，因此，认为可能是吊装过程中绝缘子绳扣下方的绝缘子串重量造成绳扣处绝缘子钢脚弯曲，压扁了锁紧销，导致锁紧销失效。

为验证R型锁紧销是否会在绝缘子串吊装过程中被钢脚挤压发生变形，对420 kN的绝缘子串开展吊装模拟试验，吊装模拟试验布置如图2所示。

图1 现场绝缘子钢脚直径与锁紧销压痕位置开口宽度Fig.1 Diameter of insulator pin ball and width of opening at indentation position of locking pin

图2 绝缘子串实际吊装与模拟吊装Fig.2 Actual and simulated hoisting of insulator string

试验按照实际吊装操作，将绳带绑扎在球窝连接处。试验结果证明：当盘形绝缘子串的绝缘子片数超过一定数量，即盘形绝缘子串的重量超过一定值，采用绳带绑扎的吊装方式将会使得绑扎处的盘形绝缘子钢脚弯曲，钢脚进而挤压R型锁紧销，造成压扁破坏，从而使得锁紧销失效。

1.2 尺寸测量及材料分析

为了确保绝缘子串的可靠连接，绝缘子的金属附件即铁帽和钢脚必须按照标准尺寸制造，再配以标准厚度的锁紧销[21-22]。为分析因绝缘子铁帽、钢脚及锁紧销本身尺寸设计偏差而导致R型锁紧销失效的可能性，按规程要求，采用定制的“通止规”定性衡量盘形悬式绝缘子的钢脚和铁帽的尺寸是否合格[23-24]，采用游标卡尺读取锁紧销的厚度及间隙值，验证锁紧有效性。经“通止规”检测发现，钢脚的球头和铁帽的球窝尺寸均合格，游标卡尺读取锁紧销的厚度符合制造标准尺寸，锁紧有效性合格。

除了铁帽、钢脚及锁紧销本身尺寸外，锁紧销由于自身材料也可能引起绝缘子锁紧销出现失效、变形、脱落等现象[11,16]。为分析R型锁紧销因材料成分不合格而导致损坏失效的可能性，对R型锁紧销开展材料性能分析。利用硬度计和台式直读光谱仪对R型销分别进行维氏硬度测量和各元素含量测量。测量结果显示，R型锁紧销维氏硬度均大于150 N/mm2，且各元素含量均满足304不锈钢材料元素含量要求。因此，可以排除R型销因材料成分不合格而引起的损坏失效。

虽然已验证与锁紧有效性相关的铁帽、钢脚与锁紧销尺寸均合格，但进一步测量发现，锁紧销的开口V值与标准规定值存在明显偏差。420 kN盘形绝缘子均采用连接标号28的R型销，开口V值应在15 mm左右，然而实际测量发现失效锁紧销开口V值均已达20 mm以上。锁紧销开口V值由于不与锁销紧有效性直接关联而容易被忽略。为进一步探究R型锁紧销的开口V值对锁紧销失效的影响，开展不同开口V值的R型锁紧销受力分析试验。

1.3 锁紧销受力分析试验

为探究R型锁紧销在绝缘子串吊装过程中发生的形变特性，采用420 kN玻璃悬式绝缘子开展吊装模拟试验。R型锁紧销绝缘子共4组，每组开口V值分别为15 mm、25 mm、35 mm、45 mm，每组3只，共12只。不同开口V值的绝缘子锁紧销如图3所示。开口V值15 mm、25 mm、35 mm、45 mm锁紧销分别如图3所示。

图3 不同开口V值的绝缘子锁紧销Fig.3 Insulator locking pins with different opening V values

模拟吊装试验布置如图4所示。2片绝缘子之间通过钢脚、铁帽和锁紧销连接。下夹具位置固定，绝缘子串下端通过夹住钢脚固定。考虑受力最大的情况，1条绳带绑扎在下1片绝缘子的铁帽上端，绑带拉出位置在铁帽开口的正背面，保证钢脚和R型锁紧销作用点在R型锁紧销的开口正中间，该绑带通过U型环连接上夹具上的绑带实现上端固定。采用最大量程为100 t的拉力机提供拉力代替绝缘子串重量。为提高监测精度，加装最大量程16 t、精度为0.05%的拉力传感器用于监测实际拉力值。

图4 拉力机模拟绝缘子串吊装试验Fig.4 Simulated insulator string hoisting experiment

分别对开口V值为15 mm、25 mm、35 mm、45 mm的R型锁紧销绝缘子串依次施加0.2 ～ 3.0 t的载荷，每次增加10 kg载荷，记录绝缘子钢脚的脱出载荷以及R型锁紧销的损坏情况。

2 试验结果

随着施加载荷的增大，R型锁紧销逐渐开始变形，直至钢脚从铁帽中脱出。开口V值为15 mm、25 mm、35 mm、45 mm的R型锁紧销最终损坏程度如图5所示，压痕位置在图中用白色虚线圈出。

图5 不同开口V值尺寸R型锁紧销受损情况Fig.5 Damage conditions of R-type locking pins with different opening V values

试验结果见表1。当开口V值为15 mm的R型锁紧销受到3.0 t载荷时，垂直方向出现明显压痕，但无严重损坏，钢脚未脱出。开口V值为25 mm、35 mm、45 mm的R型锁紧销分别在施加790 kg、400 kg、440 kg载荷时出现严重损坏，绝缘子钢脚脱出。钢脚与R型锁紧销受力点均位于开口15 mm处。

表1 不同开口V值R型锁紧销的损坏载荷及受力点Tab.1 Damaged load and stress points of R-type locking pins with different opening V values

从试验结果可以看出，开口V值为15 mm的R型锁紧销的承受载荷的能力明显高于开口V值为25 mm、35 mm、45 mm的R型锁紧销。为了对不同开口V值下R型锁紧销承受载荷能力的变化进行探究，本文对不同开口V值的R型锁紧销所承受的应力进行建模分析。

3 三维建模与受力仿真分析

3.1 R型锁紧销三维模型的建立

为了进一步探究钢脚脱出过程R型锁紧销的受损情况，利用ANSYS分别对标号28的R型锁紧销进行仿真模拟分析，其开口V值尺寸分别取15 mm、35 mm、45 mm。

R型锁紧销底部张开角度范围一般为35°～50°，在模型中R型锁紧销底部张开角度设置为中间值42.5°。R型锁紧销和钢脚模型分别根据GB/T 25318—2019和GB/T 4056—2008建立[25-26]。

依据R型锁紧销材料，在材料模型模块设置为不锈钢304(Stainless Steel NL)，钢脚为结构钢(Structural Steel)，不锈钢双线性各向同性硬化曲线如图6所示。模型总体以1 mm网格单元进行划分，施加3 600 N的载荷。建立的几何模型如图7所示。锁紧销在钢脚与铁帽之间存在多个可能的相对位置，为避免在这种自由度过高的边界条件下，仿真计算出现不稳定和不收敛的情况，根据现场实际情况，进行了2点简化和约束处理：①固定锁紧销的端部；②钢脚可以向下运动并发生旋转，但无左右偏移，即锁紧销在X轴方向上位移为0，钢脚在Z轴方向上位移为0。盘形悬式绝缘子参数见表2，考虑保守强度估计，单件绝缘子质量按照15 kg进行计算。

图6 不锈钢双线性各向同性硬化曲线Fig.6 Bilinear isotropic hardening curves of stainless steel

图7 盘形悬式绝缘子R型锁紧销与球窝连接处几何模型示意图Fig.7 Schematic diagram of geometric model of connection between R-type locking pin with ball and socket of cap and pin insulator

表2 盘形悬式绝缘子参数Tab.2 Parameters of cap and pin insulator

依据现场绝缘子串的吊装过程可知，弯曲的绝缘子串每2片绝缘子连接处的钢脚同时受到垂直向下的重力和绝缘子串内弯方向力矩的作用，如图8所示。选取绝缘子串曲率半径最小的连接部分作为研究对象，此处弯曲度最大且最容易造成绝缘子球杆弯曲而导致锁紧销被压扁。自连接处向下的所有绝缘子质量作为载荷，根据绝缘子串的尺寸，设定力矩的力臂为20 mm。

图8 盘形悬式绝缘子R型锁紧销与球窝连接处受力示意图Fig.8 Diagram of force on the connection between R-type locking pin and ball and socket of cap and pin insulator

3.2 仿真结果分析

开口V值尺寸15 mm、35 mm、45 mm的R型锁紧销在3 600 N的载荷(相当于吊起24个绝缘子)下的应力云图如图9、图10、图11所示。

图9、图10、图11显示的是锁紧销受到的Von-mises应力，即有效应力，可用于判断锁紧销结构是否发生破坏。根据图6的不锈钢双线性各向同性硬化曲线，当应力结果大于屈服点时，则认为产生了塑性形变；应力结果小于屈服点时，则认为产生了弹性形变。从计算结果可以看出，在加载3 600 N的截荷下：开口V值为15 mm时，R型锁紧销承受住了3 600 N的载荷作用；开口V值为35 mm和45 mm时，R型锁紧销会在钢脚的挤压下发生较大的塑性变形；开口V值大于15 mm时，钢脚脱出的风险明显增大。

图9 开口V值15 mm的28型R型锁紧销在3 600 N载荷下应力云图(钢脚未脱出)Fig.9 Stress cloud diagram of model 28 R-type locking pin with opening V value of 15 mm under 3 600 N load (pin ball not coming out)

图10 开口V值35 mm的28型R型锁紧销在3 600 N载荷下应力云图(钢脚脱出)Fig.10 Stress cloud diagram of model 28 R-type locking pin with opening V value of 35 mm under 3 600 N load (ball out)

图11 开口V值45 mm的28型R型锁紧销在3 600 N载荷下应力云图(钢脚脱出)Fig.11 Stress cloud diagram of model 28 R-type locking pin with opening V value of 45 mm under 3 600 N load (ball out)

从应力分布云图可知，在施加3 600 N的载荷下：①开口V值15 mm的R型锁紧销未发生钢脚脱出的现象，在0.001 s时R型锁紧销承受的最大应力约为516.88 MPa，最大应力(云图红色区域)集中在距离开口处23～26 mm；②开口V值为35 mm的R型锁紧销在0.003 5 s时钢脚脱出，在0.002 5 s时35 mm的R型锁紧销承受的最大应力为1 021.71 MPa，最大应力(云图红色区域)集中在距离开口处26～30 mm；③开口V值为45 mm的R型锁紧销在0.002 5 s时钢脚脱出，在0.002 s时45 mm的R型锁紧销承受的最大应力约为549.64 MPa，最大应力(云图红色区域)集中在距离开口处24 ～29 mm。综上可知，不同开口V值的R型锁紧销在承受载荷时，最大应力集中在距离开口处23～30mm的区域。

从应力分布云图可以看出：当开口V值为15 mm时，施加载荷过程中开口部分仅向外侧移动；当开口V值为35 mm时，施加载荷过程中开口部分发生了外侧移动和明显内侧旋转；当开口V值为45 mm时，施加载荷过程中开口部分发生了外侧移动和轻微内侧旋转。这是由于当开口V值为15 mm时，钢脚与锁紧销的接触面较大，钢脚几乎不发生倾斜，载荷产生的几乎都是垂直向下的应力，这与开口V值为15 mm对应的试验结果一致。当开口V值增大至35 mm时，钢脚与锁紧销的接触面减小，施加载荷时钢脚开始发生倾斜，从而发生外侧移动和内侧旋转，钢脚的倾斜导致钢脚与锁紧销的接触面积进一步减小，应力集中加剧导致钢脚脱出。当开口V值增大至45 mm时，载荷导致的钢脚倾斜程度增加，而开口V值45 mm的锁紧销使得钢脚在倾斜方向的活动空间更大，因此开口部分的轻微内旋即可导致钢脚脱出，锁紧销所承受的等效应力较小。

对比仿真结果可知，开口V值的变化会导致锁紧销受到的等效应力的变化。另外，由实际经验可知，开口V值的增大也会引起钢脚倾斜程度增大，导致钢脚脱出的可能性大大增加。

锁紧销承受的等效应力最大值随时间的变化如图12所示。当开口V值由15 mm增加至35 mm时，由图12可知，锁紧销受到的等效应力大大增加，明显增加了锁紧销变形的可能性。且其V值增加，钢脚倾斜程度增大。综上，开口V值为35 mm时，锁紧销承受载荷的能力要远小于开口V值为15 mm的锁紧销，与表1中的试验结果相互印证。

图12 等效应力最大值随时间的变化Fig.12 Changes of the maximum equivalent stress with time

当开口V值由35 mm增加至45 mm时，由图12可知，锁紧销受到的等效应力较小，锁紧销变形可能性减小。但此时V值增大，钢脚倾斜程度继续增大，增大了钢脚脱出的可能性。综合对比，当开口V值由35 mm增加至45 mm时，其所能承受载荷的能力将不再发生明显减小，与表1中的试验结果相互印证。

由上述试验与仿真结果可知，开口V值为15 mm的锁紧销具有最佳的承受载荷的能力，这是由于当开口V值在15 ～45 mm(接近最大的开口V值)时，锁紧销承受的应力大于等于开口V值为15 mm时锁紧销承受的应力，且钢脚的倾斜程度大于开口V值为15 mm时的钢脚倾斜程度，应力的增大以及钢脚倾斜程度的增加均会导致钢脚脱出的可能性上升。

4 对现有R型锁紧销应用的建议

基于现有标准GB/T 25318—2019的要求[26]，连接标号28、32、36、40的R型销开口V值尺寸标准应控制在8～18 mm。由于R型锁紧销的开口V值尺寸在制造中属于非强制尺寸要求，盘形悬式绝缘子制造厂对R型锁紧销的开口V值尺寸普遍控制在20 mm左右，最大开口V值尺寸达到45 mm。因此，建议适当修改连接标号28及以上的R型销开口V值标准要求，保证出厂R型销的开口V值均符合标准要求。

各运行单位吊装绝缘子串在安装、施工过程中仍为主流手段。基于本文的研究结果，在吊装过程中，大吨位盘形绝缘子产生的应力容易导致超出标准要求开口V值的R型锁紧销挤压变形，引起钢脚脱出。在实际应用当中，为提高R型锁紧销的抗塑性变形能力，可对不同元素含量、不同加工工艺的R型锁紧销的抗塑性变形能力进行仿真计算，并通过试验对计算结果进行验证。在确认了仿真模型的可靠性后，即可对不同参数标准、制作工艺下的R型锁紧销的抗塑性变形能力进行合理预估，为提升R型锁紧销的抗塑性变形能力提供理论依据。