分析高壓直流輸電線路耐張串用長棒形懸式瓷絕緣子的機械特性

宋世歡　孫聰

摘 要：高壓線路絕緣子在高壓架空輸配電線路上具有支持、絕緣以及懸掛導(dǎo)線等相關(guān)作用。高壓線路中的絕緣子有著不同的類型。長棒形懸式瓷絕緣子是通過帶傘或者不帶傘的類似與圓柱形桿體的絕緣件以及在兩端的膠裝構(gòu)件共同構(gòu)成。因此，文章對其機械特性進行了簡單的研究，獲得了長棒形懸式瓷絕緣子可以滿足線路耐張串的要求，具有良好的機械性能。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電線路;耐張串;長棒形懸式瓷絕緣子;機械特性

長棒形懸式瓷絕緣子是一種不可擊穿類的絕緣子，其維護費用相對較低，具有壽命長，可靠性良好的特征。而隨著高壓直流輸電線路的發(fā)展，耐張串對絕緣子提出了較為嚴(yán)格的要求。分析高壓直流輸電線路耐張串用長棒形懸式瓷絕緣子的機械特性，可以為高壓直流輸電線路的應(yīng)用提供有效的參考。

1.長棒形懸式瓷絕緣子靜態(tài)荷載

長棒形懸式瓷絕緣的靜態(tài)荷載是影響其機械特性的重要因素，其中最為關(guān)鍵的要素就是拉伸荷載、彎曲荷載、扭轉(zhuǎn)荷載以及橫向荷載幾點：

1.1拉伸荷載

長棒形懸式瓷絕緣子在拉伸荷載作用之下并不會出現(xiàn)較大的變形，仍然在彈性范圍匯總。對此，可以通過胡克定律分析芯棒應(yīng)力?，F(xiàn)階段，要求長棒形懸式瓷絕緣子的機械拉伸強度要高于1300MPa。對此，靜態(tài)拉伸荷載并不會影響其整體的機械強度。

1.2彎曲荷載

長棒形懸式瓷絕緣子在風(fēng)力作用之下會出現(xiàn)不同程度的彎曲變形。而根據(jù)芯棒設(shè)計數(shù)據(jù)，芯棒受到壓縮荷載作用影響出現(xiàn)彎曲，軸向的最大耐受壓力以能力則為900MPa，因此，其具有良好的抗彎曲性能。

1.3扭轉(zhuǎn)荷載

導(dǎo)線在舞動的時候會導(dǎo)致長棒形懸式瓷絕緣子出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)荷載。而長棒形懸式瓷絕緣子的絕緣子長度較長，具有較大的芯棒直徑，則有利于降低扭轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生的應(yīng)力影響。

1.4橫向荷載

受到覆冰等作用之下，導(dǎo)致長棒形懸式瓷絕緣子會承受不同程度的橫向荷載。例如，體重為1KN的工作人員在長棒形懸式瓷絕緣子上引動，而絕緣子芯棒中的應(yīng)力極限則小于90MPa，其具有較強的承受力。對此，在線路運行中的均勻載荷以及集中載荷并不會影響其機械強度。

2.長棒形懸式瓷絕緣子有限元應(yīng)力分析

2.1長棒形懸式瓷絕緣子模型

通過有限元軟件進行有限元力學(xué)分析。在處理中構(gòu)建模型相對復(fù)雜。通過繪制長棒形懸式瓷絕緣子模型，在有限元軟件中導(dǎo)入。通過此種方式進行處理，在轉(zhuǎn)換中不會丟失元素，有效的節(jié)省了建模時間。

在計算中為了簡化計算，可以忽略鐵帽兩端中的耳朵，恒定軸向拉力則要在端部中。而瓷體材料是氧化鋁高強度瓷，整體燒制，強度相對較高。

2.2集中力和軸向拉力作計算結(jié)果

應(yīng)用與后面實驗相同的集中力以及軸向拉力。在計算中根據(jù)最大運行張力不高于額定拉伸負荷的1/2.7作為安全系數(shù)，而400kN的瓷絕緣子其運行張力上限為400kN/2.7，也就是148kN。對此，絕緣子的兩端中要施加的軸向拉力為148kN，要在其基礎(chǔ)之上進行中部的集中荷載壓力的施加。

通過計算分析可以發(fā)現(xiàn)瓷絕緣子的芯棒部分整體的應(yīng)變分布相對較為均勻，其中間部分中的軸向應(yīng)變變化為132*10-6.

進行均布力以及軸向拉力作用計算分析，其結(jié)果與集中力計算并沒有顯著的差異，均布力由0逐漸的增加到1.1kN，而其軸向拉力則始終保持148kN。

3.長棒形懸式瓷絕緣子力學(xué)試驗驗證

3.1集中力試驗

進行集中力試驗以及均布力試驗中，主要應(yīng)用兩端軸向拉力通過1000kN臥式液壓拉力機進行分析，傳感器應(yīng)用 BLR-1（500kN）。進行集中力模擬分析。

通過實驗室的標(biāo)準(zhǔn)砝碼進行抹水泥施工，根據(jù)傘裙尺寸制作鐵罩，通過增加采鋼筋的方式提升整體的穩(wěn)固性。受到實驗裝置高度限制，鐵板的懸掛高度具有限制，砝碼的數(shù)量也有限，因此在實踐中鐵板在內(nèi)中的集中力的最大可以增加為1.1KN.

在實驗中應(yīng)用了BX120-3AA型應(yīng)變片。因為瓷絕緣子表面較為光滑，因此粘貼較為困難，在實驗中只保留了上部的應(yīng)變片。在彈性力學(xué)原理基礎(chǔ)之上，試品上部位置上的應(yīng)變量與下部的應(yīng)變量相同，但是二者的趨勢相反。

通過分析模型的計算值與實驗值均較為接近，意味著無需分析絕緣子端部鐵帽以及膠合劑，其對于中部傘根位置的計算并沒有影響。在忽略鐵帽的狀況之下計算發(fā)現(xiàn)膠合劑計算值與試驗值之間存在著較為顯著差別。而出現(xiàn)此種問題主要就是因為忽略了鐵帽以及膠合劑模的問題。

瓷體端部軸向應(yīng)變會隨著軸向拉力而出現(xiàn)一定的變化，而在整體上來說，計算值與實驗值之間的差距符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在彈性，力學(xué)角度分析，集中力的增加會壓縮瓷體上部，減小應(yīng)編制。在瓷體的下部具有增大的趨勢，其變化量也是相同的。通過實驗值以及計算值分析來說，1kN左右集中力并不會對絕緣子產(chǎn)生影響，而1.1kN集中力則會導(dǎo)致絕緣子軸向應(yīng)變出現(xiàn)大概40×10-6的變化。

3.2均布力試驗

通過實驗室標(biāo)準(zhǔn)砝碼進行模擬。通過施加148kN的軸向拉力進行實驗，在實驗中應(yīng)變片位置與集中力試驗中的位置相同。通過試驗值以及計算值對比分析可以確定君不離對絕緣子并沒有產(chǎn)生較大的影響。

3.3扭轉(zhuǎn)力試驗

扭轉(zhuǎn)力試驗中一共進行了3支試品的測試，通過分析可以發(fā)現(xiàn)3支試品破壞扭矩均達到了10kN？m，破壞形式均屬于鉛銻合金膠合劑松動的問題，且瓷體保持了完好，并沒有受到無損。在實踐中通過扭轉(zhuǎn)力試驗以及拉伸破壞負荷試驗可以發(fā)現(xiàn)，其拉伸破壞負荷高于額定值，但是并沒有出現(xiàn)顯著的機械性能下降的問題。長棒形懸式瓷絕緣子的端部金具呈現(xiàn)錐形，即便是鉛銻合金膠合劑松動了，膠合劑也不會與鐵帽脫離，端部結(jié)構(gòu)具有較強的機械強度。

3.4端部連接的機械安全

長棒形懸式瓷絕緣子端部連接是影響其整體機械安全性的關(guān)鍵因素。因為在復(fù)合絕緣子的內(nèi)楔與外楔中均屬于壓接式結(jié)構(gòu)，端部鏈接質(zhì)量是直接強度的關(guān)鍵參數(shù)。將軸向拉力的額定拉伸強度設(shè)置為400kN進行試驗，通過實驗發(fā)現(xiàn)鐵帽機械前度符合規(guī)范要求。

4.結(jié)論：

第一，試驗計算分析，長棒形懸式瓷絕緣子可以有效的承受帶電作業(yè)中施工人員施加的集中作用力。第二，長棒形懸式瓷絕緣子可以有效的承受覆冰以及風(fēng)載荷等相關(guān)均布力。第三，其破壞扭矩高達10kN？m，具有較強的使用裕度。在扭轉(zhuǎn)被破壞之后，長棒形懸式瓷絕緣子的拉伸破壞負荷還是可以保持在額定數(shù)值之上。第四，通過實驗可以確定長棒形懸式瓷絕緣子可以有效的承受在60s中的80%拉伸負荷;并且其拉伸破壞負荷最低為530kN，最高數(shù)值為762kN，遠遠高于標(biāo)準(zhǔn)值，具有較強的裕度。第五，長棒形懸式瓷絕緣子通過實驗分析確定了整體的靜態(tài)力學(xué)特性可以有效的滿足在高壓直流輸電線路中的耐張串要求;而在機械性能角度上分析可以應(yīng)用。

參考文獻：

[1]賈會東 郭海山， 賈瑞卿. 棒形懸式瓷絕緣子的覆冰交流閃絡(luò)特性研究[J]. 高壓電器， 2018（1）：176-181.

[2]柏曉路， 李健]， 向宇，等. ±1100kV特高壓直流輸電線路極間距優(yōu)化研究[J]. 陜西電力， 2017， 45（3）：49-54.

[3]尹迪迪? . 特高壓直流輸電線路耐張絕緣子串對導(dǎo)線應(yīng)力和弧垂特性的影響分析[J]. 紅水河， 2018.

[4]張佰慶， 劉思逸， 崔艷東. 500 kV交流線路長棒形瓷絕緣子串電位與電場分布[J]. 高壓電器， 2017（10）：106-110+116.

作者簡介：

宋世歡（1984-），男，遼寧省大連市人，民 族：漢 職稱：助理工程師，學(xué)歷：大學(xué)?？?。研究方向：瓷絕緣子研發(fā)設(shè)計。