特高壓直流互感器大撓度絕緣子彈性支撐設(shè)計(jì)及研究

王 強(qiáng)， 達(dá)建樸， 劉民慧， 楊洪濤， 羅蘇南， 李 釗

(1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100)

0 引言

隨著電網(wǎng)容量的增大、電流電壓等級的提高，對相關(guān)電力設(shè)備的絕緣要求也相應(yīng)提高。其中電子式電流互感器作為智能電網(wǎng)的監(jiān)測設(shè)備，其測量的準(zhǔn)確性與工作的可靠性對于整個電網(wǎng)的監(jiān)測有著至關(guān)重要的影響[1-2]。懸式絕緣子作為電流互感器的絕緣部件，其長度也隨著被測對象的電流等級提高而加長，目前對于高電壓等級的絕緣子長度已增加到10 m以上。由于絕緣子的長度較長，內(nèi)部的環(huán)氧芯棒截面積較小，抗彎能力較弱，在戶外環(huán)境使用時(shí)，易受風(fēng)載和溫度影響，產(chǎn)生較大的軸向拉力。由于硅橡膠懸式絕緣子環(huán)氧芯棒與金屬法蘭之間的連接采用壓接工藝，若軸向拉力過大，易造成環(huán)氧芯棒與金屬法蘭松脫；同時(shí)較大的軸力會對絕緣子兩端的固定造成困難，使其容易松脫。因此筆者對如何降低絕緣子在風(fēng)載作用下的軸力進(jìn)行了研究。

當(dāng)電壓等級較高時(shí)，其硅橡膠懸式絕緣子長度會隨之加長，由于長度較大，且抗彎剛度較小，在風(fēng)載作用下絕緣子的彎曲屬于大撓度彎曲，因彎曲較大，軸力不可忽略。因此大撓度絕緣子在風(fēng)載作用下的彎曲問題屬于非線性大撓度縱橫彎曲問題。目前對于細(xì)長桿的大撓度問題研究多從小變形線性理論出發(fā)，再引入非線性因子進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，理論解難以得到。為了便于計(jì)算，通常采用假設(shè)合理的撓曲線方程進(jìn)行計(jì)算，以滿足一定范圍內(nèi)的工程需求[3-6]。

為了研究絕緣子在風(fēng)載作用下的軸力，筆者采用瑞利-里茲法假設(shè)的撓曲線方程，研究了絕緣子在不同約束條件下，絕緣子在風(fēng)載作用下產(chǎn)生的軸力值，發(fā)現(xiàn)兩端不可移動支撐會產(chǎn)生較大的軸力，較大的軸力在風(fēng)載波動的影響會致使絕緣子兩端法蘭松脫和固定松動。為了降低絕緣子軸力，提出了一種將絕緣子兩端的不可移動約束轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢苿拥膹椥约s束支撐方式，以此降低絕緣子所受軸力，并通過仿真模擬驗(yàn)證了彈性支撐使用可以有效降低懸式絕緣子所受的軸力，大幅度提高了大撓度懸式絕緣子電流互感器在風(fēng)載作用下的準(zhǔn)確性穩(wěn)定性和可靠性。

1 大撓度懸式絕緣子的風(fēng)載計(jì)算

特高壓直流電流互感器為了保證產(chǎn)品的絕緣性，一般采用懸式絕緣子進(jìn)行絕緣，懸式絕緣子的長度會隨著電壓等級的升高而增長。當(dāng)產(chǎn)品用于戶外時(shí)，在風(fēng)載和溫度作用下懸式絕緣子會產(chǎn)生大變形，從而產(chǎn)生較大的支反力，因此研究大撓度絕緣子在風(fēng)載作用下的受力特點(diǎn)，便于對特高壓直流互感器懸式絕緣子的固定方式進(jìn)行改進(jìn)。

本次研究的大撓度絕緣子用于特高壓直流電流互感器絕緣，其安裝見圖1，其主要包括傳感頭、絕緣子，花籃螺栓、掛箱以及均壓環(huán)組成，其中絕緣子組件高壓端吊耳法蘭與傳感頭通過螺栓鉸接，低壓端光纖法蘭與花籃通過螺栓鉸接，其中大撓度懸式絕緣子的結(jié)構(gòu)見圖2，它由兩端的固定法蘭、環(huán)氧芯棒及硅橡膠傘裙組成。

圖1 特高壓直流電流互感器安裝示意圖Fig.1 UHV DC transformerinstallation diagram

1、4-金屬法蘭；2-環(huán)氧芯棒；3-硅橡膠傘裙

國內(nèi)某工程的使用工況如下，環(huán)境溫度：-34.8 ℃～36.7 ℃，最大日溫差26 ℃，風(fēng)速(離地面高10 m處，維持10 min的平均最大風(fēng)速)：29.7 m/s。因此風(fēng)載的計(jì)算公式可以根據(jù)國標(biāo)GB 50009-2012進(jìn)行計(jì)算：

P=βzμsμzω0A

(1)

其中：βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，取1.05(A類地區(qū))；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.28(A類地區(qū)，離地面高度10 m)；ω0為基本風(fēng)壓；A為絕緣子串的受風(fēng)面積。

基本風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系為

ω0=0.613v2

(2)

按10 min持續(xù)平均最大風(fēng)速34 m/s核算：

ω0=0.709 kN/m2

懸式絕緣子可以視為圓筒狀，外徑為φ30，內(nèi)徑為φ18，則μzω0d1d2=0.000 8；取μs=1.2；其中涉及的受風(fēng)面積可視為懸式絕緣子在風(fēng)速方向上的投影，可以計(jì)算得出A=0.72 m2；由此計(jì)算出風(fēng)載P:

P=1.05×1.2×1.28×709×0.72=823.3 N

2 大撓度懸式絕緣子在風(fēng)載作用下的力學(xué)分析

根據(jù)特高壓直流互感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，絕緣子上下兩端采用鉸鏈連接，可以限制4個方向的自由度，根據(jù)懸式絕緣子兩端的固定形式，可分為不可移動支撐和彈性支撐。當(dāng)采用不可移動支撐時(shí)，絕緣子兩個端點(diǎn)不會產(chǎn)生位移；當(dāng)采用彈性支撐時(shí)，允許絕緣子兩端可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行移動，為了分析兩種支撐特點(diǎn)，需要進(jìn)行兩種支撐條件下的力學(xué)分析。

2.1 不可移動支撐方式下大撓度懸式絕緣子在風(fēng)載作用下的力學(xué)分析

當(dāng)絕緣子采用不可以移動支撐時(shí)，兩個端點(diǎn)不能產(chǎn)生3個軸向位移，絕緣子組件兩端約束形式與風(fēng)向有關(guān)，當(dāng)風(fēng)向與鉸鏈的轉(zhuǎn)動方向一致時(shí)，絕緣子兩端約束視為平面鉸鏈約束；當(dāng)風(fēng)向與鉸鏈的轉(zhuǎn)動方向垂直時(shí)，絕緣子兩端約束視為固支約束。實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行過程中在風(fēng)向不確定的情況下，懸式絕緣子受力介于兩端鉸鏈約束和兩端固支約束受力之間，因此研究絕緣子在這兩種約束下的受力情況。

懸式絕緣子力學(xué)參數(shù)見表1，可以看出硅橡膠的彈性模量與抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于環(huán)氧芯棒，因此可以忽略硅膠強(qiáng)度對于后續(xù)分析的影響，可假定懸式絕緣子在風(fēng)載作用下的主要承力部件為環(huán)氧芯棒，同時(shí)忽略重力對其影響，絕緣子在風(fēng)載作用下的力學(xué)模型可簡化為在特定邊界條件下環(huán)氧芯棒在分布載荷作用下的力學(xué)問題。

表1 懸式絕緣子力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of suspension insulator

假設(shè)在懸式絕緣子長度范圍內(nèi)風(fēng)壓變化較小，則懸式絕緣子所受到的風(fēng)載可視為均布載荷，則兩種約束下力學(xué)模型見圖3。為了便于后續(xù)分析，將風(fēng)載折算為線面度載荷進(jìn)行計(jì)算，則：

(3)

由于絕緣子兩端的固定點(diǎn)位置確定，在兩種邊界條件下，絕緣子兩端均不產(chǎn)生位移，同時(shí)絕緣子屬于細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，抗彎剛度較小，在風(fēng)載作用下，彎曲變形較大，因此絕緣子會因?yàn)閮啥瞬豢梢苿佣a(chǎn)生軸力。軸力的產(chǎn)生使得絕緣子在風(fēng)載作用下的彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性的縱橫彎曲。

圖3 風(fēng)向與鉸鏈轉(zhuǎn)動方向相同與垂直時(shí)絕緣子力學(xué)模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of insulator mechanical model when the wind direction is the same as or perpendicular to the hinge rotation direction

為了便于計(jì)算，在風(fēng)載作用下絕緣子撓曲線一般采用滿足邊界條件的曲線近似代替，對于兩端鉸支邊界條件下的懸式絕緣子撓曲線函數(shù)這里?。?/p>

(4)

由于絕緣子長度較長，環(huán)氧芯棒抗彎剛度較小，在風(fēng)載作用下彎曲程度較大，軸力不可忽略，軸力可由環(huán)氧芯棒沿軸線的伸長量進(jìn)行計(jì)算，環(huán)氧芯棒沿軸線的伸長量ΔL可由下式計(jì)算[7-9]：

(5)

其中:

將被積函數(shù)根據(jù)泰勒展開，略去高階無窮小，可得軸線伸長量：

(6)

聯(lián)立(4)(6)得：

(7)

兩端鉸支時(shí)，絕緣子在風(fēng)載作用下產(chǎn)生的軸力可由下式計(jì)算得出：

(8)

其中：S為環(huán)氧芯棒的截面積，s為絕緣子變形后撓曲線的弧長，f0為絕緣子中點(diǎn)處撓度，因此推導(dǎo)得出軸力為

(9)

由于絕緣子彎曲和軸向拉伸所具有的內(nèi)力勢能ΔU：

(10)

在環(huán)氧芯棒發(fā)生彎曲到穩(wěn)定狀態(tài)過程中，外力q產(chǎn)生的勢能ΔV：

(11)

則總勢能Π：

Π=ΔU+ΔV

(12)

由最小勢能原理：

(13)

可知環(huán)氧芯棒在風(fēng)載作用下的風(fēng)擺量(中心彎曲撓度)為f0=0.15 m。

同理，假設(shè)兩端固支約束懸式絕緣子的撓曲線方程為

(14)

將風(fēng)擺量f0帶入式(5)可得絕緣子兩端鉸支時(shí)受到軸向力N0:

N0=7 900 N

N1=6 980 N

絕緣子兩端固支時(shí)，在風(fēng)載作用下絕緣子兩端會產(chǎn)生彎矩，其值為

(15)

帶入數(shù)據(jù)得：MA=MB=69.8 N·m

由上述分析結(jié)果可得，懸式絕緣子無論采用兩端鉸支，還是兩端固支，由于絕緣子兩端不能移動，會產(chǎn)生較大的軸力，而軸力過大會給絕緣子兩端的固定帶來困難。

2.2 不可移動支撐方式下懸式絕緣子在極限溫度作用下受力分析

懸式絕緣子中的環(huán)氧芯棒主要以環(huán)氧樹脂為基體材料，利用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂強(qiáng)度獲得良好的使用性能。當(dāng)溫度變化時(shí)，環(huán)氧芯棒的長度會隨之變化，使得環(huán)氧芯棒產(chǎn)生附加應(yīng)力并影響絕緣子的形態(tài)，從而影響絕緣子力學(xué)性能。

考慮溫度對環(huán)氧芯棒熱脹冷縮的影響。玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的線膨脹系數(shù)α=2.7×10-6/℃，在最大極限溫差ΔT的條件下，環(huán)氧芯棒長度變化量l:

Δl=LαΔT=11.27×2.7×10-6×(36.7-(-34.8))
=0.002 175 m

由于環(huán)氧芯棒熱變形量Δl產(chǎn)生的力FT：

當(dāng)環(huán)氧芯棒長度變化量Δl是由于環(huán)氧芯棒冷縮引起時(shí)，環(huán)氧芯棒會由于兩端約束限制其縮短而產(chǎn)生拉力，此時(shí)產(chǎn)生的FT為拉力。

當(dāng)環(huán)氧芯棒長度變化量Δl是由于環(huán)氧芯棒熱脹引起時(shí)，環(huán)氧芯棒會由于兩端約束限制其膨脹而產(chǎn)生壓力，此時(shí)產(chǎn)生的FT為壓力。當(dāng)壓力FT超過其失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力時(shí)，絕緣子失穩(wěn)，產(chǎn)生熱屈曲[10-11]，外在變現(xiàn)為絕緣子發(fā)生彎曲；當(dāng)桿件發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，表現(xiàn)為彎曲變形量增大，壓力恒定，為失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力。由于兩端固支條件下臨界壓力大于兩端鉸支的臨界壓力，取兩端鉸支的臨界壓力做為絕緣子失穩(wěn)的臨界壓力，其臨界壓力Fer為

因此環(huán)氧芯棒失穩(wěn)，桿件彎曲，此時(shí)環(huán)氧芯棒所受的軸力為臨界壓力Fer=430 N。

采用非柔性的花籃螺栓，在風(fēng)載作用下會產(chǎn)生7 910 N的拉力，在極限低溫下因冷縮最大可產(chǎn)生3 494 N的拉力，同時(shí)由于絕緣子在風(fēng)載作用下會產(chǎn)生振動，風(fēng)載和溫度產(chǎn)生的軸力在振動影響下會進(jìn)一步放大，因此當(dāng)風(fēng)載和溫度產(chǎn)生的軸力較大時(shí)，在拉力作用下容易造成懸式絕緣子中環(huán)氧芯棒與兩端金屬法蘭分離及懸式絕緣子固定松動問題。為了解決此類問題，設(shè)計(jì)了柔性彈簧花籃螺栓，可以大幅度減少由于風(fēng)載、溫度及振動產(chǎn)生的拉力及波動幅值。

2.3 彈性支撐方式下大撓度懸式絕緣子在風(fēng)載和溫度作用下的力學(xué)分析

非柔性花籃螺栓的固定為不可移動的鉸支固定，在風(fēng)載和極限溫度下會產(chǎn)生較大的軸力，因此其固定方式存在著一定的安全隱患。為了滿足風(fēng)載和溫度工況，設(shè)計(jì)了可伸縮的彈性支撐方式，將固定支承轉(zhuǎn)變成可移動支承，從而可以減小風(fēng)載和極限溫度引起的軸力，提高穩(wěn)定性和可靠性。

彈性支撐解除了絕緣子下端的位移約束，允許懸式絕緣子下端具有一定的移動區(qū)間，因此可以消除在風(fēng)載和熱脹冷縮情況下絕緣子下端產(chǎn)生的軸力。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，兩端固定支撐，絕緣子在風(fēng)載作用下軸向最大拉力N=7 900 N，對應(yīng)的軸向移動量ΔLN為

在極限溫度下懸式絕緣子因軸向收縮產(chǎn)生的拉力FT=3 494 N，對應(yīng)軸向的縮短量LT為

通過彈簧實(shí)現(xiàn)彈性支撐，通過調(diào)節(jié)彈簧剛度和預(yù)緊力不同長度絕緣子的固定，施加給彈簧預(yù)緊力為F0=1 000 N，選用的彈簧長度為190 mm，彈性系數(shù)為33 N/mm，1 000 N預(yù)緊力對應(yīng)的壓縮量為30 mm，由于采用的彈簧剛度較小，當(dāng)風(fēng)載作用于絕緣子時(shí)，彈簧會被拉伸，當(dāng)彈簧拉伸量為ΔLN時(shí)，絕緣子所受的軸力Fsq為

Fsq=kΔLN+F0=1 165 N

當(dāng)芯棒產(chǎn)生低溫收縮時(shí)，施加在絕緣子上的軸力FsT為

FsT=kΔLT+F0=1 072.6 N

同時(shí)由于預(yù)緊力的存在，彈簧花籃螺栓處于受拉狀態(tài)，可以消除環(huán)氧芯棒的熱屈曲效應(yīng)，避免懸式絕緣子發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生熱彎曲。

3 懸式絕緣子兩端不同支撐方式在風(fēng)載作用下的有限元分析

在上述理論分析中，對風(fēng)載作用下絕緣子撓曲線采用了滿足邊界條件的曲線近似代替，因此在計(jì)算過程會產(chǎn)生誤差，為了核驗(yàn)計(jì)算誤差，驗(yàn)證彈性支撐的實(shí)用性，對絕緣子在有無彈性支撐兩種情況下對兩種邊界條件受力進(jìn)行了有限元仿真。進(jìn)而建立了不同剛度系數(shù)k、不同預(yù)緊力F0下的絕緣子仿真模型，探究了彈簧剛度和預(yù)緊力對懸式絕緣子的風(fēng)擺量和力學(xué)參數(shù)的影響，為柔性彈簧花籃螺栓提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.1 兩端鉸支與兩端固支不可移動支撐約束下絕緣子的有限元仿真模型

采用abaqus對懸式絕緣子進(jìn)行有限元仿真。由于傘裙材料為硅橡膠，楊氏模量較小，在彎曲過程中可視為不抵抗彎曲變形，為了簡化分析，仿真模型可作如下處理：忽略絕緣子重力和硅橡膠傘裙對抗彎的影響；假設(shè)風(fēng)載為均布載荷；環(huán)氧芯棒作為唯一的抗彎部件。兩種邊界條件下的仿真結(jié)果見圖4。

圖4 兩端鉸支和兩端固支有限元仿真結(jié)果Fig.4 The finite element simulation model result of flexible support and fixed support at both ends

對比理論分析結(jié)果和有限元仿真結(jié)果，懸式絕緣子在兩端鉸支和兩端固支兩種邊界條件下由于風(fēng)載產(chǎn)生的風(fēng)擺量和支反力見表2。

表2 兩端鉸支、兩端固支條件理論與有限元分析對比Table 2 Comparison betweenflexible support and fixed support at both ends

由表2可以看出：采用正弦和余弦曲線來假設(shè)絕緣子的撓曲線進(jìn)行計(jì)算時(shí)，風(fēng)擺量、軸力的理論計(jì)算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果較為接近，最大誤差分別為2.1%和1.5%；然而彎矩理論計(jì)算值與有限元仿真結(jié)果偏差很大。分析其原因?yàn)椋簽榱撕喕?jì)算，對兩端固定約束下絕緣子的撓曲線采用前三階余弦函數(shù)假設(shè)絕緣子兩端固支撓曲線，此時(shí)整體位移誤差很小，但是端部位移誤差較大。由式(9) 和式(15)可知，軸力與整體的位移的平方成正比，因此可以準(zhǔn)確描述；而彎矩與端部位移的二階導(dǎo)數(shù)成正比，因此在端部會因?yàn)閾隙日`差較大產(chǎn)生較大的誤差。

3.2 兩端鉸支與兩端固支彈性支撐約束下絕緣子的有限元仿真模型

為了建立彈簧花籃螺栓在兩種邊界條件上有限元仿真模型，將彈簧等效為彈性桿，通過等效楊氏模量來進(jìn)行分析。筆者設(shè)計(jì)的彈簧花籃螺栓長度為l=500 mm，剛度為k=33 N/mm，將彈簧等效為截面積與環(huán)氧芯棒相同的彈性桿，則彈性桿的等效楊氏模量ES:

(16)

因此通過等效的楊氏模量可以將彈簧等效為長度為l=500 mm，楊氏模量為ES=3.65×107Pa 的彈性桿，彈性桿與環(huán)氧芯棒的之間的約束關(guān)系，根據(jù)實(shí)際工況確定。彈簧花籃螺栓與風(fēng)向的約束關(guān)系見圖5，當(dāng)風(fēng)向與絕緣子轉(zhuǎn)動軸垂直時(shí)，彈簧只能軸向拉伸，因此在有限元模型建立時(shí)，彈性桿的上端點(diǎn)只設(shè)置一個豎直方向的自由度；當(dāng)風(fēng)向與絕緣子轉(zhuǎn)動軸平行時(shí)，彈性桿兩端設(shè)置為鉸鏈約束。初始預(yù)緊力可以通過設(shè)置彈簧下端的位移約束來實(shí)現(xiàn)，由于預(yù)緊力產(chǎn)生的彈簧位移為

(17)

圖5 彈簧花籃螺栓與風(fēng)向的約束關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram of the constraint relationship between spring basket bolt and wind direction

為了探究彈簧剛度對于絕緣子風(fēng)擺量，上端軸力與彎矩的影響，研究了5種工況，分別為剛度k=11 kN/mm,22 kN/mm,33 kN/mm,44 kN/mm,55 kN/mm，通過式(16)等效為Es=1.22×106Pa, 2.43×106Pa,3.65×106Pa,4.86×106Pa,6.1×106Pa。設(shè)置加載載荷q=73.1 N/m，預(yù)緊力F0=1 000 N。分別在兩種邊界條件下進(jìn)行有限元仿真，風(fēng)擺量，軸力和彎矩見表3。由表可以看出，隨著彈簧剛度的增大，風(fēng)擺量和上端彎矩不斷減少，軸力不斷增大。

表3 兩端鉸支、兩端固支條件不同剛度對應(yīng)的有限元分析結(jié)果Table 3 The finite element analysis result of flexible support and fixed support at both ends

為了探究預(yù)緊力F0對于風(fēng)擺量，上端軸力與彎矩的影響，將彈簧剛度設(shè)置k=33 kN/mm。研究5種預(yù)緊力F0=500 N，750 N，1 000 N，1 250 N，1 500 N下力學(xué)參數(shù)的變化，預(yù)緊力F0通過式(17)等效為Δx0=15.2 mm，22.7 mm，30.3 mm，38.9 mm，45.45 mm的豎直向下的位移，并設(shè)置加載載荷q=73.1 N/m，分別在兩種邊界條件下進(jìn)行有限元仿真，風(fēng)擺量，軸力和彎矩見表4。由表可以看出，隨著預(yù)緊力的增大，風(fēng)擺量和上端彎矩不斷減少，軸力不斷增大。

表4 兩端鉸支、兩端固支條件不同預(yù)緊力對應(yīng)的有限元分析結(jié)果Table 4 The finite element analysis result of flexible support and fixed support at both ends

采用的彈性支撐彈簧的剛度系數(shù)為k=33 kN/mm，預(yù)緊力F0=1 000 N。根據(jù)仿真結(jié)果可知，絕緣子最大風(fēng)擺量出現(xiàn)在兩端鉸支約束條件下，最大風(fēng)擺量為458 mm，最大軸力為2 463 N。而采用兩端固支和鉸支時(shí)，風(fēng)載作用下產(chǎn)生的軸向力為7 910 N。當(dāng)考略風(fēng)載和溫度影響疊加時(shí)，未采用兩端固支和鉸支絕緣子因溫度而產(chǎn)生的軸力增量為FT=3 494 N，因此總軸力為風(fēng)載產(chǎn)生的軸力與熱變形引起的軸力之和，數(shù)值為11 404 N，而采用彈性支撐時(shí)由于熱變形彈簧產(chǎn)生的壓力增量為kΔLT=72.6 N，總軸力為風(fēng)載產(chǎn)生的軸力與彈簧產(chǎn)生的壓力增量之和，數(shù)值為2 535.6 N，對比分析可以發(fā)現(xiàn)：采用彈簧支撐可以大大減小風(fēng)載作用下產(chǎn)生的軸力。

同時(shí)由仿真結(jié)果可知：彈性支撐方式的使用在大幅度減小絕緣子受到軸力的同時(shí)，也會增大兩端的彎矩和風(fēng)擺量。由于絕緣子環(huán)氧芯棒與兩端的金屬法蘭連接方式為壓接，設(shè)計(jì)的最大抗拉載荷為Fd=10 kN。兩端吊耳法蘭承受的最大彎矩由抗彎試驗(yàn)可知M=1 157 N·m。對比仿真結(jié)果可以得出：在兩端固支和鉸支約束下，在溫度和風(fēng)載疊加情況下，絕緣子受到的軸力大于設(shè)計(jì)最大抗拉載荷。而采用彈簧支撐時(shí)在溫度和風(fēng)載疊加情況下，絕緣子受到的軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)最大抗拉載荷，因此彈性支撐可以大幅度提高絕緣子的抗拉安全系數(shù)；雖然兩端的彎矩稍有增加，最大彎矩為280 N·m，遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)給出的最大彎矩M=1 157 N·m，抗彎安全系數(shù)亦滿足設(shè)計(jì)需求。因此本研究設(shè)計(jì)的彈性花籃螺栓，可以推廣到戶外絕緣子的安裝工況中使用。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析可知，在風(fēng)載作用下，懸式絕緣子會因軸向拉伸而產(chǎn)生軸向力，軸向力的大小直接影響懸式絕緣子的機(jī)械性能以及兩端固支的可靠性，通過研究可知：

1)本研究提出的絕緣子彈性支撐，可以將懸式絕緣子的兩端不可移動約束轉(zhuǎn)換為可移動約束，通過計(jì)算分析可知：兩端不可移動約束在風(fēng)載作用下產(chǎn)生的軸力最大值為7 900 N，而采用彈性支撐絕緣子兩端產(chǎn)生的軸力為2 463 N，極大的降低了在風(fēng)載作用下軸力幅值。

2)采用彈性支撐可以有效的降低絕緣子由于冷縮產(chǎn)生的軸力以及熱脹時(shí)由于熱屈曲產(chǎn)生的彎曲失穩(wěn)。

3)通過等效楊氏模量將彈簧等效為彈性桿，添加位移邊界條件設(shè)置預(yù)緊力，建立的有限元模型，可以用于在彈性支撐約束下的絕緣子風(fēng)載受力分析。

彈性支撐的使用，不僅可以有效的降低由于風(fēng)載以及溫度變化產(chǎn)生的軸向力幅值，而且可以有效地避免懸式絕緣子機(jī)械失效以及固定松脫的問題；同時(shí)也可以避免由于溫升產(chǎn)生的熱屈曲效應(yīng)，因此本研究設(shè)計(jì)的彈性支撐方式具有工程使用價(jià)值。