复合绝缘子振动蠕变特点及振动蠕变试验参数的确定

北极星电力网技术频道作者:佚名 2008/5/7 17:51:05

关键词: 振动绝缘绝缘子

保定电力制造厂张福林

哈尔滨第一机器制造厂王冬青

摘要复合绝缘子运行过程中的振动，使纤维束浸渍树脂拉挤固化成型的芯棒与金具交接部位，出现振动蠕变现象。复合绝缘子振动蠕变试验将依据易振区线路上架空导线风振动实际情况确定出合理的试验参数：静载荷不低于复合绝缘子额定机械应力的20~25；振动角位其最大振动角波动范围平均值；振动次数应以其振动角大于5´的振动时间、相应振动频率以及复合绝缘子运行期限进行选取。通过对复合绝缘子进行振动蠕变试验认为：在其芯棒与金具交接部位存在着蠕变现象，但对组装工艺先进行产品整体机械性能影响较小。

关键词复合绝缘子振动蠕变振动蠕变试验参数

1.前言

复合绝缘子是近十几年来发展起来的线路绝缘子，它特有的防污等性能已成为电力系统使用较多的绝缘子产品，具有明显的经济效益和社会效益。复合绝缘子运行过程中，除了长期承担架空导线自重及自然环境因素在导线所产生的静载荷外，还时常受到微风在架空导线上形成振动所产生的动载荷的作用。当架空导线的微风振动出现最大振动角时，在复合绝缘子芯棒与金具连接最关键的交接部位所出现的和应力，虽然低于芯棒的许用应力。但由于架空导线所产生微风驻波振动频率高，连续时间长，必然使芯棒与金具连接的最关键的部位，产生机械蠕变。为了验证其机械蠕变程度，保证复合绝缘子安全运行。应首先根据复合绝缘子芯棒材质够成状态，分析出复合绝缘子芯棒在静载荷叠加振动载荷的机械蠕变特点。然后根据线路运行过程中实际情况，找出复合绝缘子蠕变试验的参数，以便更好的验证复合绝缘子机械蠕变性能的稳定性。

2.复合绝缘子芯棒机械蠕变特点

支撑和承担的复合绝缘子芯棒，是由Φ10µm左右的玻璃纤维圆柱体束浸环氧树脂通过拉挤固化而形成的。用这种工艺成型的芯棒中的纤维圆柱体理想情况下以正六角形排列，但实际上由于纤维成束直径极小及周围吸附树脂等原因，芯棒中纤维分布将出现正四角形排列和随机分布排列。芯棒内部各种排列的纤维圆柱体之间都存在一定厚度的网壮树脂层。芯棒这种形式的材质构成，其芯棒拉伸载荷的绝大部分是由与树脂弹性模量相差20倍的纤维来承受，而芯棒的弯曲变形量必然有相当部分树脂承担。复合绝缘子运行过程中由架空导线风振动传递而形成的振动，在复合绝缘子芯棒与金具的交接部位所形成变弯曲应力，是在已有芯棒与机械连接的预应力，将出现在芯棒外圆表面上下对称处，而且在该处振动弯曲应力也随着振动频率而交替改变的.如果复合绝缘子振动在芯棒与机具交接部位芯棒上表面出现最大弯曲应力时，在其芯棒截面上的上半部分将逐渐呈现由大变为零的弯曲拉应力。而在芯棒截面的下半部分则产生由零逐渐变为最大的弯曲压应力。当复合绝缘子振动在其部位芯棒子在运行过程中的振动，对树脂固定纤维圆柱所形成的芯棒来说，将存在着机械蠕变现象。首先是因为由几百万根极长纤维圆柱体浸渍树脂拉挤固化成型工艺，使得所有纤维都不可能达到断裂应变。假如，在芯棒与金具交接部位的芯棒截面上有根纤维在长期承受预静应力，又受到振动弯曲应力作用而断裂，其所承担应力将通过树脂层传递到相邻纤维上，相邻纤维在局部区域承担了相当高的应力，树脂层的屈服将缓和断裂纤维所造成的应力集中，损坏将限制在一定范围内不在迅速发展。随着振动时间的延长和遇到静载荷的波动，其他部位的纤维也有可能相继断裂，损伤限制在局部区域内，这些损伤是随机分布，逐渐增多，逐步扩大，当积累到一定成都时，其芯棒截面出现蠕变现象。其次，复合绝缘子振动，在其交接部位的芯棒截面应力集中处的纤维间树脂层产生交替剪切和压缩作用，使得纤维圆柱体与树脂粘合截面的个别应力圈套点上形成微裂缝。这些微裂缝将沿着纤维方向在树脂层扩展形成裂纹。随着复合绝缘子振动的时间延长裂纹将进一步扩大，将使部分纤维断裂，这样长期下去，必然造成其芯棒截面出现蠕变现象。

3.复合绝缘子振动蠕变试验参数的选择

线路运行过程中，线路上复合绝缘子所悬挂架空导线受微风作用，在架空导线产生的振动，虽然幅度较小，但振动频率较高，约为3~5Hz，而且振动时间当长，达全年时间的30~50。架空导线产生的振动必然直接传递给复合绝缘子，使复合绝缘子也将出现与架空导线相同频率和时间的振动。复合绝缘子出现高频率，延续时间较长的振动，必然会涉及到复合绝缘子芯棒与金具交接部位机械蠕变性能，需要通过振动蠕变性能加以验证。目前，有关复合绝缘子振动蠕变试验，即没有国际标准，也无国内技术条件。由此，只能根据复合绝缘子结构特点，结合复合绝缘子所悬挂架空导线所产生微风振动的实际情况，参考架空导线疲劳试验有关技术资料，通过分析，找出复合绝缘子振动蠕变试验最合理试验参数。

3.1复合绝缘子振动蠕变试验所才用静载荷的确定

线路长期在自然环境下运行过程中，线路上悬挂架空导线复合绝缘子的拉力，除了长期承担架空导线自重外，还要承担受线路周围自然环境气象条件再架空导线所出现的附加载荷，气象条件有风、覆冰及低温三种情况，其中风是线路周围环境的冷热气流的热量交换所致，是线路上经常出现气象条件，也是引起架空线路产生振动的唯一能源，在确定架空线路出现附加荷载时，必须考虑风的作用，其值应按引起架空线路振动的平均稳定风速进行选取。架空导线覆冰只有在一年春、秋季节中偶尔出现，概率极低，而且覆冰延续时间也较短。因此在确定架空导线所出现附加载荷时，架空导线多在微风低温下振动，低温时综合应力也较大，故在确定架空导线所出现附加载荷是应按规程规定的年平均气温进行选择。假如所确定的静载荷较小，应按照材料极限强度的20~25进行选择。对复合绝缘子来说就是选取额定机械拉伸应力的20~25。

3.2复合绝缘子振动蠕变试验震动角和振动试验次数的选取

复合绝缘子振动蠕变试验的振动角应按架空导线微风振动角进行选取，而其振动试验次数应以架空导线微风振动次数和复合绝缘子运行寿命加以确定。线路运行过程中，在架空导线受到稳定风速作业过程中，当与导线直径和风速相关风的冲击频率与架空导线某一自然振动频率相近时，架空导线将以固定振动角振动。如果稳定风速发生变化，其振动角必然有所下降，同时架空导线的自然振动频率也将随架空导线应力的变化而变化。架空导线将在另一频率下以新的振动角产生振动，这样架空导线在变化的风速范围内，其振动角及振动频率不是恒定的，而是随着风速的变化而变化。通过地形崎岖地区或房屋建筑区域的线路，架空导线可能出现振动的最大振动角为10´~20´，架空导线一年内所产生振动的振动角大于5´的延续时间为0.08~0.15，凡是建在平原、沼泽地、漫岗及河川等地区的线路，架空导线可能出现振动的最大振动角为25´~35´，其一年内振动角大于5`的相对振动的延续时间为0.2％_~0.35％，而振动频率在3_~150HZ范围内变化。为了保证线路运行安全，尽量减小复合绝缘子振动蠕变试验的工作量，在确定复合绝缘子振动蠕变实验所采用的振动角时，应按易振区线路上架空导线出现最大振动角波动范围平均值进行选择。甚至其振动蠕变试验的振动次数，应以易振区架空导线实际振动频率、年振动时间以及复合绝缘子运行期限加以确定。架空导线实际运行时的振动频率波动范围是相当大的，在选取振动蠕变次数所需的振动频率时，应按照架空导线振动角大而振动频率低的规律进行。架空导线年振动延续时间时相当长的，而且振动过程中的振动角也是在较大范围随机变化的。但国内外研究认为：架空导线振动角等于5´时，不会有问题，是无危险的。因此年振时间将以易振区架空导线年内振动角等于5´的最长延续时间进行选定。

3.3复合绝缘子振动蠕变试验结果验证

为了验证复合绝缘子振动蠕变性能。国家电力公司电力建设研究所曾对采用常规工艺组装的复合绝缘子，以耐张串悬挂架空导线的方式进行振动蠕变实验。振动蠕变实验的静载荷，因计算出来复合绝缘子所悬挂架空导线运行所形成的日常载荷数值比较小，只能按复合绝缘子额定机械拉伸应力的25﹪进行选取，其值为106Mpa。其振动角则选取易振区架空导线最大振动角波动范围的平均值为30´，为了方便测量，以相应30´振动角所出现振动强度300µε来表示。而振动次数若按其振动角大于5´的振动年内延续最长时间和出现最大振动角相应震动频率及其运行期限为50a进行确定，其值近似30×10⁷次。但由于实验安排及场地等原因，只进行相应运行41a的20276×10⁷振动次数的实验。其振动蠕变试验实的拉伸极限应力为419Mpa，比试前拉伸极限应力的681Mpa降低38.5。又曾对采用先进工艺组装复合绝缘子，再承担其额定拉伸力25的116Mpa的静应力情况下，对其施加强度为300µε、进行3×10⁷次数振动蠕变试验。其试后复合绝缘子拉伸极限应力为785Mpa，与断裂部位试前计算拉伸极限应力相比，拉伸应力下降21.5。由此可以说明复合绝缘子振动蠕变现象是存在的。但与振动蠕变试验前的复合绝缘子拉伸极限应力为754Mpa相比没有明显地改变。这也说明先进工艺组装的复合绝缘子振动蠕变现象对其整体机械性能影响不大。

4.结论

4.1缘子中由纤维浸渍树脂拉挤成型的芯棒，因纤维受力不均，纤维靠树脂粘合截面的存在，在芯棒长期承受静载荷由叠加振动弯曲载荷的作用下，必然存在着机械蠕变现象。

4.2复合绝缘子振动蠕变性能，必须采用合理的振动蠕变试验方法来验证。

a)复合绝缘子振动蠕变试验的静载荷不应低于复合绝缘子额定拉伸应力的20~25。

b)复合绝缘子振动蠕变试验的振动角应按易振区架空导线最大振动角波动范围的平均值进行选择。

c)振动蠕变的振动次数应以易振区架空导线的振动角大于5`的振动年延续时间、相对应振动频率及复合绝缘子运行期限加以确定。

d)通过对复合绝缘子采用正确振动蠕变试验方法的试验结果认为,复合绝缘子振动在芯棒与金具交接部位存在机械蠕变现象,但对组装工艺先进产品的整体机械性能影响较小.

来源：中国带电作业网

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