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、絕緣以及懸掛導線等相關作用。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件共同構成。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展，耐張串對絕緣子提出了較為嚴格的要求。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用提供有效的參考。

1.長棒形懸式瓷絕緣子靜態荷載

長棒形懸式瓷絕緣的靜態荷載是影響其機械特性的重要因素，其中最為關鍵的要素就是拉伸荷載、彎曲荷載、扭轉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力。現階段，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力作用之下會出現不同程度的彎曲變形。而根據芯棒設計數據，芯棒受到壓縮荷載作用影響出現彎曲，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扭轉荷載

導線在舞動的時候會導致長棒形懸式瓷絕緣子出現扭轉荷載。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，則有利于降低扭轉角度產生的應力影響。

1.4橫向荷載

受到覆冰等作用之下，導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分析。在處理中構建模型相對復雜。通過繪制長棒形懸式瓷絕緣子模型，在有限元軟件中導入。通過此種方式進行處理，在轉換中不會丟失元素，有效的節省了建模時間。

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果

應用與后面實驗相同的集中力以及軸向拉力。在計算中根據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，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現瓷絕緣子的芯棒部分整體的應變分布相對較為均勻，其中間部分中的軸向應變變化為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，傳感器應用 BLR-1（500kN）。進行集中力模擬分析。

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

在實驗中應用了BX120-3AA型應變片。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變片。在彈性力學原理基礎之上，試品上部位置上的應變量與下部的應變量相同，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現膠合劑計算值與試驗值之間存在著較為顯著差別。而出現此種問題主要就是因為忽略了鐵帽以及膠合劑模的問題。

瓷體端部軸向應變會隨著軸向拉力而出現一定的變化，而在整體上來說，計算值與實驗值之間的差距符合標準要求。在彈性，力學角度分析，集中力的增加會壓縮瓷體上部，減小應編制。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生影響，而1.1kN集中力則會導致絕緣子軸向應變出現大概40×10-6的變化。

3.2均布力試驗

通過實驗室標準砝碼進行模擬。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生較大的影響。

3.3扭轉力試驗

扭轉力試驗中一共進行了3支試品的測試，通過分析可以發現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。在實踐中通過扭轉力試驗以及拉伸破壞負荷試驗可以發現，其拉伸破壞負荷高于額定值，但是并沒有出現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，端部結構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鍵因素。因為在復合絕緣子的內楔與外楔中均屬于壓接式結構，端部鏈接質量是直接強度的關鍵參數。將軸向拉力的額定拉伸強度設置為400kN進行試驗，通過實驗發現鐵帽機械前度符合規范要求。

4.結論：

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載荷等相關均布力。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，最高數值為762kN，遠遠高于標準值，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力學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用。

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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，學歷：大學專科。研究方向：瓷絕緣子研發設計。