（机械工程专业论文）500kvv串复合绝缘子机械疲劳试验研究.pdf

4 仁北i u 力入学颧i j 学位论文 摘要 复合绝缘子是输电线路悬挂与支撑导线的绝缘部件，其两端金具与芯棒连 接的可靠性直接关系到输电线路的安全运行，其所处位置和作用特殊，机械性 能十分重要。然而，复合绝缘子在运行过程中，要承受导线各种振动带来的动 态载荷，这些动态载荷容易导致复合绝缘子疲劳失效的发生。 而现有的复合绝缘子力学性能的检测手段，还停留在用复合绝缘子静态承 载能力的大小去评估工作在动态载荷下性能，显然是不够的，近期，华北电网 首次发生了复合绝缘子“v ”串在长期运行中承受拉压循环交变应力作用下疲 劳失效事故。 本文的主要任务如下：1 ) 根据架空线极限工况，给出平均档距为5 0 0 m 架 空线所受的载荷，结合复合绝缘子在实际运行工况下受力特点，完成疲劳试验 机的设计；2 ) 设计复合绝缘子的疲劳试验方法，给出复合绝缘子待测参数的意 义；3 ) 以9 0 。“v 串为研究对象，进行疲劳试验，对比实验室条件下及线路 工况下复合绝缘子的疲劳破坏特点，给出疲劳破坏的异同点，并给出原因；4 ) 应用有限元软件对压接式复合绝缘子进行模拟，对比实际的压接工艺给出准确 的2 d 模型，并给出9 0 。夹角“v 串的预估寿命。 关键词：复合绝缘子；疲劳试验机；应力：有限元；寿命；疲劳特征 。芦：u 力人学坝l 学位论文 a bs t r a c t c o n l p o s i t e i n s u l a t o r sa r ei n s u l a t i o n p a r t sw h i c h a r eu s e dt o h u n g a n d s u s t a i n w i r e si nt r a n s m i s s i o nl i n e s ，r e l i a b l ec o n n e c t i o n sb e t w e e n6 t t i n g sa n d m a n d r e l sa te a c he n da r ed i r e c t l yr e l a t e dt ot h es a f eo p e r a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e s ， d u et ot h es p e c i a ll o c a t i o na n dr o l e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yi sv e r yi m p o r t a n t h o w e v e r ，d u r i n gt h es e r v i c eo fc o m p o s i t ei n s u l a t o r s ，w h i c hh a v et ow i t h s t a n dt h e v i b r a t i o nl o a dc a u s e db yt h ec o n d u c t o r s t h e s ed y n a m i c1 0 a d sa r el i k e l yt ol e a dt o f a t i g u ef a 订u r eo fc o m p o s i t ei n s u l a t o r s t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s d e t e c t i o nm e t h o d so fc o m p o s i t ei n s u l a t o r s a r e r e m a i n i n g i nt h es t a t i c1 0 a dc a p a c i t yt oa s s e s st h ep e r f 6 咖a n c eu n d e rd y n a m i c 1 0 a d i n g ，w h i c ho b v i o u s l yi sn o tc o n v i n c i n g r e c e n t ly ，t h e6 r s tt i m ef a t i g u ef a i l u r eo f t h ec o m p o s i t ei n s u l a t o r v ”s t r i n g sh a p p e n e di nd i n t r i c to ft h en o n hc h i n ap o w e r g r i d ，t h a ti sb e c a u s eo fc o m p o s i t ei n s u l a t o r sw i t h s t a n d i n gt e n s i o na n dc o m p r e s s i o n c y c l es t r e s sd u r i n gt h es e r v i c e t h em a i nt a s k so ft h i sp a p e ra r ea sf 0 1 1 0 w s ：1 ) g i v e st h es u f f e r e d1 0 a do fa n a v e r a g ed i s t a n c eo f5 0 0 mo f5 0 0 k vo v e r h e a d1 i n eu n d e rt h el i m i tc o n d i t i o n ， a c c o r d i n g t ot h a ts e r v i c ec o n d i t i o n s ， c o m p i e t e t h e f a t i g u e t e s t i n gm a c h i n e d e s i g n ；2 ) c o m p i l ef a t i g u et e s t m e t h o d so f v ”s t r i n g sc o m p o s i t ei n s u l a c o r g i v e n m e a n i n g so ft h ep a r a m e t e r sw h i c hn e e d d et ot e s td u r i n gt h ee x p e r i m e n t ；3 ) a sa 9 0 d e g r e e “v “s e “e se x a m p l e ，e x e c u t i n gt h ef a t i g u et e s t ，c o m p a r e dt of a t i g u ef a 订u r e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n l p o s i t ei n s u l a t o r sb e t we e nl a b o r a t o r yc o n d i t i o n sa n dt h el i n e c o n d i t i o n s ，g i v e nt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e s ，a n dr e a s o n s ；4 ) a p p l y i n gf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r es i m u l a t i o nc r i m p e dc o m p o s i t ei n s u l a t o r s ，c o m p a r e dt om ea c t u a l c r i m p i n gp r o c e s sg i v e sa na c c u r a t e2 dm o d e l ，a n dg i v e s9 0 - d e g r e e “v ” s e r i e s e s t jt t l a t e 】j f e k e y w o r d s ：c o m p o s i t ei n s u l a f o r s ；f a t i g u et e s t i n gm a c h i n e ；s t r e s s ；f i n “ee l e m e n c ：】i f e ：f a t i g u e c h a r a c t e r i s t i c s # 北l 乜，j 人学坝i j 学位论义 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 线路复合绝缘子是悬挂与支撑导线的绝缘部件，其两端金具与芯棒连接的 可靠程度直接关系到输电线路的运行安全。因其所处位置和作用的特殊，机械 性能十分重要。 线路复合绝缘子由于具有重量轻，体积小，不易破碎，成型温度低，制造 工艺简单，成品率高，在潮湿条件下仍然保持其绝缘性能等优点【l 。3 】，在世界范 围内得到推广使用，最早在美国得到了广泛的使用，1 9 8 9 年复合绝缘子已占线 路绝缘子的2 0 【4 1 。2 0 世纪8 0 年代初，为遏制污闪事故发生，线路复合绝缘 子被大量引入我国电网【5 6 】，数量迅速增加，2 0 0 6 年已达2 2 0 万支【。7 1 。 由于线路复合绝缘子在长期服役的过程中，面临大风、重冰雪等自然灾害 的袭击，输电线路可能产生各种形式的振动，这些振动均可能导致绝缘子串、 金具、问隔棒的疲劳损坏，致使疲劳失效导致事故的发生，即产生绝缘子掉串， 线路断线等恶性事故，所造成的直接损失是十分严重的，问接损失更无法估量。 因此保证绝缘子安全运行，是保障输电体系安全可靠运行的基础之一。 1 9 9 9 年，国内复合绝缘子芯棒与金具的连接方式普遍采用性能较为稳定的 内楔连接界面结构【8 。近年来，为了简化界面结构，实现组装机械化，提高工 作效率和降低产品成本，在国内检测手段和压接设备同益完善的条件下，开始 采用压接连接界面结构，压接式复合绝缘子在电网大量的使用，该结构在国外 已普遍采用。 目前，国内现有的检测标准还仅限于用复合绝缘子承受的静态拉力的大小 去评估复运行在动态载荷合绝缘子的特性，此方法是不足够的。文献表明o 】 复合绝缘子的动态载荷下特性与静态载荷特性有本质的区别。长期工作在动态 载荷下的复合绝缘子能否继续满足运行需要、是否需要以及何时需要更换这些 绝缘子，关系到运行的经济性与安全性问题。 图卜1 5 0 0 k v 紧凑型吕房线疲- ，火效 图卜2 舣“v ”串绝缘f 疲- ，火效事故 乎北l u 力人。譬顾i 学位沦丈 f i g 卜3复合绝缘子疲劳断裂 f i g 卜4 复合绝缘子疲劳断裂 近期，华北电网首次发生了复合绝缘子“v 串在长期运行中承受拉压弯 循环交变应力作用下的火效事故( 见图卜1 卜4 ) ，针对这一现象，扩大紧凑型线 路“v ”串复合绝缘子的抽检，抽检表明：与故障绝缘子同批次的“v ”串复合 绝缘子也出现了极其近似的疲劳破坏现象，即这种疲劳损伤可能具有共性而不 仅仅是个例，这是首次有记录的复合绝缘子疲劳断裂故障形式，这与玻璃纤维 增强环氧树脂芯棒耐拉而不耐压弯的机械性能复合绝缘子以及复合绝缘子抵 御振荡荷载能力的衰减速度明显大于抵御静荷载能力的衰减速度直接相关，这 与以往复合绝缘子承受拉力时发生的脆断故障形式完全不同。因此，开展复合 绝缘子在受到拉一压交变应力的情况下疲劳特性研究是极为重要的。 1 2 国外复合绝缘子机械疲劳的研究进展 国外研究复合绝缘子动态载荷的特性较早的是加拿大的c h d et o u l l r e i ，文 献l l 叽j 介绍了内楔复合绝缘子及压接式复合绝缘子静态载荷试验、脉冲载荷试 验及动态载荷试验，结果表明：动态载荷比脉冲载荷，脉冲载荷比静态载荷对 复合绝缘子的影响较大，端部金具设计对复合绝缘子的承受动态载荷的性能有 很大的影响。由导线舞动产生的动态载荷作用在复合绝缘子上，其疲劳寿命比 静态载荷作用时寿命少2 2 7 5 ( 如图1 5 ) ，该试验参数是根据加拿大魁北 克地区的线路舞动的频率及舞动产生的动态载荷的幅值而选定的。鉴于此，建 议：对于复合绝缘子使用用户，基于其动态载荷的性能比仅仅基于其静态载荷 的性能选择复合绝缘子更加科学。 文献l l4 j 通过大量的试验数据，在分析长棒型芯棒特征实验的基础上，运用 拟合的方法，给出了复合绝缘子芯棒静态载荷下时间寿命曲线，并对i e c 中复 合绝缘子力学性能即载荷时问曲线的由来进行了说明。c i g e r ( 国际大电网组 织) 对芯棒长时问试验得出的载荷时问失效曲线被i e c 标准采用，在2 0 世纪 8 0 年代这些数据与知识被不切实际的延伸，在法国国家委员会的请求下，i e c 的w g 7 已经修改了i e c l10 9 附录a ，给出了绝缘子的长期性能的注解。 文献【1 5 1 7 】以波兰6 家生产的l l o k v 4 0 0 k v 芯棒直径大小不等的复合绝缘 4 1 芦北i u ，人掌坝f 学位论义 子为研究对象，运用了以液压伺服驱动为动力的疲劳振动设备，对绝缘子进行 了大量实验，给出了长棒型复合绝缘子疲劳的曲线，并从微观机理揭示疲劳发 生发展的趋势，具有早程碑的意义。其研究结论表明：复合绝缘子加载的试验 载荷在1 0 0 s m l 3 0 s m l 内( s m l 为额定机械载荷) ，疲劳寿命模型数学模 型：最人载荷与疲劳寿命之间的关系是个指数函数，对数坐标系下是一条以 某一倾角倾斜于时间轴的直线，亦即复合绝缘子芯棒直径一定，复合绝缘子所 受的静态载荷定，试验载荷在3 0 s m l 一1 0 0 s m l 范围内，对数坐标系下， 疲劳特征的曲线的斜率一定，振动载荷的幅值影响对数坐标系下直线的截距， 亦即振动载荷的幅值影响疲劳寿命( 如图1 6 ) ；在平均载荷( 平均载荷为0 5 ( f m 。f m i 。) ) 情况下，绝缘子的振动载荷幅值与疲劳寿命的关系也是一个指 数表达式，振动载荷的幅值及绝缘子承受的最大力对寿命的影响较大；对于复 合绝缘子承受给定的最大机械载荷试验，振动幅值不影响疲劳特征的倾角，但 是绝缘子的失效时间取决于振动的幅值及最大机械载荷；复合绝缘子的疲劳强 度随直径的增加其强度增加，由同一厂家生产的不同直径的复合绝缘子或许有 不同疲劳倾角；长棒型复合绝缘子的疲劳强度与玻璃环氧树脂芯的直径之间的 关系强于静态载荷与芯棒直径之间的关系；在试验疲劳中，玻璃纤维树脂芯在 产生疲劳的丌始阶段，芯棒与末端金具的毗邻处有微观的网状的裂痕产生，然 而，形成网状的微观裂痕并不意味着绝缘子的力学性能立即消失；长棒型复合 绝缘子机械与电气强度取决于载荷时间图上的疲劳特征的类型与位置；由标准 试验检测的具有不错的力学参数的复合绝缘子，在载荷时问图上其疲劳特性的 位置可能不同，因此其抑制循环载荷能力有相当大的不同。对数坐标系下，与 时间轴倾角小的长棒性复合绝缘子，并不意味其疲劳强度很高，在疲劳试验中 的绝缘子承受的循环载荷值也是重要考虑的因素；对数坐标系下，复合绝缘子 的疲劳特征与x 轴即时问轴的倾角较大的表明其有低疲劳强度，其工作寿命取 决其工作时的循环载荷的幅值。该文献不仅给出了基础载荷( 即静态工况下的 载荷) 对复合绝缘子寿命的影响，而且分析了动载对其寿命影响的大小，其研 究思路与方法值得借鉴。 卑北i u 力人学坝i j 学位论文 幽卜5 静态载荷卜及脉冲载荷卜某直径复合绝缘子的载荷寿命函数图像 f | 一订 ，：= 肚 嚣 1轧答 i 二 l 垃1 i 。j 一 i 舛。e 蔷l 一：一一可 匕竺一 ? 1 h j l 鼎k 一一 ：! 巷 ? - m - _ 4 ：= l ，= l 谛 图卜6 对数坐标系下某直径复合绝缘子不同幅值时间函数图像 文献在硝酸p h = 1 2 的环境下，对16 m m 及19 4 m m 芯棒，分别施加2 6 1 k n 及3 8 4 k n 静态载荷，再分别施加频率为1 0 h z 的8 及7 过载，疲劳试验结论 表明：循环载荷与酸环境共同作用下，其破坏的形式为疲劳部位部分纤维断裂 方向与心轴成9 0 。且其纤维沿轴向方向散开，与运行在沿海地区的绝缘子发生 类似损坏情况较为相似( 图1 7 卜8 ) 。自然界放电，致使空气中氮氧发生反 应，潮湿环境，促使硝酸生产，芯棒与金具连接处硅橡胶的密封不好，外界酸 性物质渗入，加之交变载荷的共同作用致使绝缘子发生破坏。虽有酸性对纤维 腐蚀作用，但是交变载荷对复合绝缘子的寿命影响也是显而易见的。此研究方 法丌创了实验室情况下模拟自然界酸性情况下复合绝缘子疲劳研究。 机械疲劳 图卜7 实验室环境卜- p h = 1 2 疲劳火效图卜8 沿海地区复合绝缘子火效 1 3 国内复合绝缘子机械疲劳的研究现状 文献 9 1 首次设计一套动载试验动载试验机( 图l 一9 ) ，对芯棒为1 8 的内楔 式绝缘子进行了动载特性研究，模拟结果表明，基础载荷和扭转角度对绝缘子 的性能具有相当大的影响，当基础载荷和扭矩小到一定程度后，芯棒的机械性 能趋向稳定；在静载叠加静扭转情况下，与扭转角度相比，静态基础载荷对芯 6 4 净北f i 力人学坝i j 学位论文 棒出现可见裂纹的时问影响更_ 人。在一定的基础载荷下对芯棒进行扭转时，当 载荷较低时，频率的影向不大：在同一扭矩下，随基础载荷的增大芯棒出现可 见裂纹时间明显减小；当扭矩较大时，即使在载荷较小的情况下，很短的时问 内就出现了裂纹，扭矩对芯棒的性能影响非常大；轴向动态载荷对芯棒的性能 影响较小；通过对实际运行情况进行比较分析，认为内楔式合成绝缘子在动态 载荷下能满足运行要求。该实验方法能模拟悬垂复合绝缘子工况下的受力情况， 但是复合绝缘子是个多界面连接的部件，单一的模拟芯棒受力尚不足以说明整 支绝缘子耐疲劳特性。 蠊 图卜9 动载试验机示意图图卜l o 复合绝缘子疲劳试验时悬垂串布置示意图 图l 一1 1 耐张串复合绝缘子疲劳试验布置不意图 图卜1 0 、图卜1 1 ：1 加载端支撑，2 为测力计，3 为中间支撑，4 为起振器，5 为静 】卜端支座，6 门型框，7 悬垂绝缘子，8 导线，9 金具，1 0 线夹，1 l 耐张串，1 2 联极 文献1 2 0 】参考国内外现有试验方法和标准，采用d 2 3 0 0 2 2 型振动台和k d 2 3 正弦振动控制仪，开发了国内第一套绝缘子串振动试验系统( 图1 10 卜1 1 ) ， 并在国内首次对棒形悬式复合绝缘子串进行了大量机械振动试验研究。试验过 程采用的振动频率f 1 0h z ，有效振动幅值( 1 0 0 0 f 1 8 ) m m 。压接式复合绝缘 子经3 0 0 0 万次的振动试验后的机械强度有不同程度的下降，最高下降程度为 1 4 ，且分散性较大。对于线路经过的易振区，建议采用直径2 4m m 耐酸芯 棒，并提高一个强度等级，甚至采用多串并联运行方式。该试验没有给出复合 绝缘子疲劳寿命，更没有对疲劳破坏的微观机理进行研究，只是给出疲劳试验 最终结果是否破坏或者是否满足鉴定协议的要求而已。至于不同结构型式绝缘 子串的疲劳振动试验的静态拉伸负荷大小、振幅、振动频率、振动次数等参数 1 产北i u 力人字坝i 学位论义 的合理性和试验方法及判定准则尚需深入研究。 文献【2 l j 首次提出内楔式的复合绝缘子在锚接出口处存在着质量和刚度的 突变( 图1 1 2 ) ，在交变应力振动中，该点在整个结构中形成应力集中点的最 大观点，并对倒喇叭口加楔子连接的复合绝缘子进行了试验。试验过程先经过 不同的振动强度和不同的振动次数( 2 0 m 次、3 0 m 次、4 0 m 次) 疲劳振动后， 在1 0 0 0 k n 卧式拉力机上进行强度试验，直至破坏。试验结果发现基本都是锚 接处拔出，并将芯棒劈为两半。这一破坏形式是由于内楔式复合绝缘子的内部 楔子把芯棒劈为两半，而两半受力不可能是绝对均匀对称的，因此不会同时滑 移。先滑移的一半将受力转移到另一半，使它断裂，并将整个芯棒劈为两半； 同时结论表明：合成绝缘子的破坏已从锚接拔出变为锚接出口处芯棒断裂，说 明疲劳振动后锚接握力强度没有降低，而芯棒的强度有降低趋势。对于锚接质 量欠佳的合成绝缘子，振动疲劳后握力强度损失比较明显，握力强度分散性也 比较大，难以得出可靠的试验数据。文献中虽然对内俣式复合绝缘子进行了一 定次数振动，通过试验验证理论分析时疲劳发生的位置，然而未给出绝缘子的 疲劳寿命，未给出动态载荷及静态载荷对其寿命的影响。其疲劳试验布置的示 意图如图1 3 。 图卜1 2 复合绝缘子结构简图 图卜1 3 耐张串复合绝缘子疲劳试验振动台不葸图 文献【2 2 是国内首次使用有限元软件建立复合绝缘子实体模型，其采用威稚 尔分布函数描述振动频率的概率分布，结合m i n e r 疲劳损伤累积法则计算其疲劳 寿命，节省了大量时间，丌创了软件分析复合绝缘子疲劳寿命的先河，但是作 者认为：无论内楔式、外楔式、还是内外楔式、压接式复合绝缘子，他们都是 有由多个接触面相互连接的结构，球头金具与芯棒的连接部位是这些连接的关 键部位。但在该文献中，只是选取绝缘子芯棒1 4 模型的进行模拟，尚不足评 价整支绝缘子的疲劳特性。 1 4 复合绝缘子机械疲劳的研究展望 复合绝缘子的机械疲劳特性的研究，国外研究较早且较为系统，国内尚处 4 乍北j 【l 夕人字坝i j 字位论义 于起步阶段，国内尚没有关于复合绝缘子机械疲劳寿命的行业标准。 国外对复合绝缘子的机械性能的研究工作始于2 0 世纪7 0 8 0 年代，国际 大电网会议工作组2 2 1 0 谨慎地将此强度时间曲线定义为随时问下降的一条直 线( 见i e c 出版物61 10 9 附录) 2 引，但随着试验时问的加长此曲线并不是一根直 线，而是开始斜率较大，随着时问的延长斜率逐渐减小，最后趋向于一根水平 的渐近线。这是由于其内部多界面问载荷传递机理决定的，当复合绝缘子受拉 伸载荷作用时，靠各界面的间的摩擦来承载轴向载荷，即靠界面受粘附结点剪 切分力和金具内腔表面轮廓峰对芯棒的犁削分力承受轴向载荷，随着轴向载荷 的增加，剪切分力增加，当增加到其剪切分力临界值时，金具内腔的凸起部分 产生的犁削分力起作用；如果载荷继续增加到轮廓峰对芯棒表面复合材料的剪 切破坏应力时，芯棒迅速从金具腔拔脱，界面连接结构破坏【2 4 1 。对复合绝缘子 机械疲劳的研究需要通过大量的试验，才能获得复合绝缘子的强度一时间曲线 及动态载荷特性，才能恰当地作出选择、使用复合绝缘子。不同厂家的复合绝 缘子芯棒所含的纤维数量不同，因此国外的研究结论，在国内不可照搬，但其 研究的思路及方法值得借鉴，国内学者虽作出了大量的工作，但还未见那篇文 献针对不同电压等级、不同直径的芯棒、不同连接方式的复合绝缘子给出具体 的机械疲劳特征曲线及具体的疲劳寿命。然而，实际运行线路的中存在多种复 合绝缘子组合方式( 如i ，、“i i ”、“v ”、双“v ”) ，开展运行线路中各组合方式 的复合绝缘子的疲劳特性研究工作，显得十分必要与紧迫。以期制定行业标准， 评价复合绝缘子动态载荷下的优劣，对入网的绝缘子进行严格把关，保证电网 的安全，同时针对抗疲劳特性的绝缘子，给出其最佳工作载荷，以使其疲劳寿 命得到最佳发挥，尽可能减少复合绝缘子的更换频率，减少电网的运行成本。 由于研制疲劳试验设备及丌展复合绝缘子疲劳试验都过于耗资耗时，得出多组 疲劳试验数据更是旷同持久，时问与精力容许的情况下，可以进行彻底研究， 但是软件模拟也将是一种研究趋势【5 * 。7 1 。 1 5 论文的主要内容 1 5 1 研究日标 ( 1 ) 本文在调研现有复合绝缘子的疲劳特性研究的基础上，结合国内复合 绝缘子的制造尺寸，设计复合绝缘子疲劳设备以及复合绝缘子“v ”串疲劳试验 方法。 ( 2 ) 通过对已经发生疲劳破坏的线路复合绝缘子进行解剖分析，分析其内 1 # 北u _ 力人学坝j j 学位论义 部发生疲劳破坏的机理，以及与发生脆断的复合绝缘子的不同，给出疲劳破坏 的特征。 ( 3 ) 根据华北地区架空线的二 作气象条件，计算平均档距为5 0 0 米的六分 裂在极端天气条件下，“v ”串复合绝缘子的承受的载荷，并结合华北地区的特 点，运用威布尔函数，计算出“v ”串复合绝缘子挂点的振幅及振动时问 ( 4 ) 运用有限元软件( a n s y s l 2 o ) 建立复合绝缘子( f x b w 5 0 0 3 0 0 ) 2 d 模型，通过与实际复合绝缘予的生产工艺对比，给出其较为准确的2 d 模型。 ( 5 ) 运用目前较为流行的疲劳理论一m i n e r 理论，给出不同振幅情况下的 疲劳使用系数，并给出其预估寿命。 1 5 2 研究方案 ( 1 ) 根据5 0 0 k v 线路复合绝缘子“v ”串的实际运行工况，设计复合绝 缘子疲劳试验机，并设计复合绝缘子机械疲劳试验方法。 ( 2 ) 开展以9 0 。夹角为主的“v ”串复合绝缘子疲劳试验研究，确定疲 劳破坏的机理与破坏形态。 ( 3 ) 通过计算，给出平均档距为5 0 0 米的六分裂导线l g j 3 0 0 4 0 在运行 中所受力的大小及频率，运用有限元软件对9 0 度“v ”串复合绝缘子疲劳进行寿 命评估。 华北l u 力人学f 硬l 学位论文 1 5 3 架空导线微风防振 4 静北l u 力人学坝i j 学位论文 第二章“v 串复合绝缘子载荷与频率计算 架牢输电线路常年在大气中运行，承受着四季气温、风、冰等气象变化的 影响，这些因素对架空输电线路的机械强度有较大的影响，这些因素是线路设 计考虑的主要参数【2 外，风作用在架空线上形成风压，将产生水平向上的载荷， 其载荷的大小随风速增加载荷相应增加，架空线的应力随之增加，复合绝缘子 串承载也将增加；覆冰或雾凇是在低温潮湿环境下在导线表面形成结晶体，它 使架空线垂直载荷增加，这些增加的载荷将会被传递到复合绝缘子上；所以在 计算与分析紧凑型输电线路上的“v ”串复合绝缘子时，这些气象条件也是必须 考虑的。 2 1 v 串复合绝缘子的承载计算 选择架空线的平均档距为5 0 0 m ，按照极端天气情况估算绝缘子承受的载 荷：( 1 ) 按照5 0 0 k v 输电线路的最大设计风速，在计算架空线的张力、荷载以 及杆塔的载荷时，不应低于3 0 m s ，本文选取最大风速为3 0 m s ：( 2 ) 按照线路 正常运行情况下的气象组合，最厚覆冰，相应风速，气温一5 。本文章选取覆 冰有风的情况下风速为1 5 m s ，覆冰的厚度为1 c m 。 表2 1伞因典型气象区气象参数【2 5 】 气最区 l x 最高 最低一1 0 覆冰 大气温度 品大风速一s m 】 安装情况 外过电压 内过电压+ 1 5 最大风速 覆冰 腻j 童h ，l寰装情况 外过电压 内过电压05 最大风速f f 低干1 5 m t ) 覆冰厚度如m ) 冰的比重( 一) “v ”串复合绝缘子承载计算用到的公式： ( 1 ) 最大风速情况卜，风速方向与架空线方向垂直时用的计算公式： 单根导线的基准风压： 沓：也力人字坝i j 学位论义 = 0 5 p v 2( 2 一i ) 单根导线受到垂直导向方向的风力： e 札= 。a f 。d 三 ( 2 _ 2 ) 单根导线的自重： g 照= g 三g( 2 3 ) n 分裂的导线的自重： 瓯晕= g x g ( 2 - 4 ) n 根分裂导线所受的垂直风载： 风= ( 2 5 ) n 根分裂导线所受的合成载荷： 略= ) 2 + 2 ( 2 6 ) 单位说明：w v 基准风压n m 2 ；p 空气密度，标况下为1 2 5 3 k g m 3 ；d 导 线的直径m ；l 架空线平均档距m ；q 导线单位长度质量k g m ；n 子导线分裂 数；g 重力加速度m s 2 ；坼风载不均匀系数；孱为5 0 0 k v 线路架空线风载荷调 整系数19 1 ，以。风载体型系数，1 l r 风载体型系数，无冰架空线，d 1 7 m m ，1 l r = 1 1 ；d 1 7 m m ；有冰架空线，无论导线直径大小，覆冰时风载体型系数一律 取1 2 。 ( 2 ) 覆冰有风情况下，且风速方向与架空线方向垂直情况下，计算复合绝 缘子用到的计算公式： 覆冰厚度为6 ，单根导线的自重： 一 g 泳m = ( q + g 冰) l g ( 2 7 ) 覆冰厚度为6 ，n 分裂导线的自重： g 泳咀= ( q + g 冰) g ( 2 8 ) 单位长度导线的覆冰的自重比载： g 冰= o 2 5 兀陋+ 劲2 一d 2 p 泳g ( 2 9 ) 覆冰情况下n 分裂垂直子导线的风载： 民肛l = 屋q 以。( d + 2 圆彬三 ( 2 1 0 ) 覆冰及风作用下的导线所受的合力： r 冰= ) g ，荦2 + r 风 ( 2 1 1 ) 华北i u 力人学坝i 学位论文 单位说明：6 覆冰的厚度聊；p 冰密度，0 9 1 0 3 姆砌3 ；g 冰单位长度覆冰 自重，堙砌；n 子导线分裂数；，4 覆冰情况下导线的基本风压肋z 2 。 ( 3 ) 计算的平均档距为5 0 0 m ，5 0 0 k v 线路复合绝缘子所受的极限载荷 表2 2 平均档距为5 0 0 m 紧凑型输电线路极端天气情况下的载荷 子 自重导线 捌【+ 鼠 导鲤受办合成一 导直径最大风葡e n - ，s ) 导线整号比我自重 风速 线 _ ) 覆球重量q 0 - 厚) i 最大 致 k ，- i ( 1 5 i ，s ，一 覆冰有风 凰速 k 卜3 0 0 ，如 6l1 3 3 2 3 9 4 3 4 0 0 02 8 了7 4 3 3 22 2 2 4 4 6 2 53 9 9 9 4t 66 6 5 9 95 2 4 9 36 璐卜2 0 ， 60 9 2 2 22 1 6 02 t 6 6 62 6 t 9 0 4 82 1 5 6 62 53 6 0 8 5 55 8 s t l 4 2 4 5 4 7 05 5 i j g 卜4 0 0 3 5 41 3 4 92 6 8 22 t 0 0 02 0 8 如6 6 42 1 5 6 6 2 52 9 8 t 0 t 85 2 4 4 9 眩 4 0 2 6 唾9 1 卜啪，辐42 0 6弱64 1 2 0 02 4 6 4 2 t 21 8 d 9 0 3 t 4 2 26 8 西2 s 95 5 5 s 8 3 考虑到导线的舞动，基于力学性能考虑，一般选取绝缘子标准是其承载大 于平均档距的架空线所受载荷3 倍或以上的复合绝缘子，目前l g j 2 4 0 3 0 六分 裂架空线使用的是f x b w 5 0 0 3 0 0 复合绝缘子。 2 2v 串复合绝缘子的振动幅值及频率的计算 “v ”串复合绝缘子通过联板、线夹与导线进行连接，并承载其各种载荷， 研究“v ”串复合绝缘子在工况下的振动幅值及频率，不可避免的要先研究导 线在工况下频率与振动的幅值。 由于架空线本身的结构是绞制的，振动时各股之问会发生错动与摩擦，完 全真实的模拟导线是十分困难的，为了便于数学的模拟与计算为此需要进行简 化【2 6 ，27 1 。实际输电线路档距通常在1 0 0 1 0 0 0 m 之问，导线上装有防振锤，绕 流线及阻尼线等，以防止导线的微风振动，在松弛的情况下，钢芯铝绞线可以 简化为柔性索链，然而实际架空线是存在一定的张紧力的，导线本身具有一定 的刚度，当架空线档距较大时，架空线的刚度仍可简化为柔性的锁链，本文选 取档距为5 0 0 m ，为便于数学建模输电线简化成材料特性不变的细长圆柱体， 忽略导线自阻尼的影响，忽略微单元白重，单位长度导线在微风力的f ( t ) 作用 下，其受力如图2 1 所示： 4 4 # 北f 毡力人学f 翻l j 学位论文 图2 1 无刚度无阻尼架空线的振动微元 导线微元的平衡方程： x = 0 y = o 有( 2 1 2 ) 及( 2 1 3 ) 可得 0c o s 一zc o s 口= o n 部i n 口一所窘出州彬) 出：。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 又有架空线上的任意两点的轴向应力的水平分量相等且等于最低点的轴向 力，设最低点的轴向力为乃，则有： 乃：土； c o sc # z ：土 c o s p 又i 点的悬链线的斜率为： d v t g a = 厦x 那么j 点处斜率为： 留卢= 譬+ 磐出 o x d x 将( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 带入( 2 1 5 ) 整理得： m 睾一窘叫列， 令微风力f ( x ，t ) = o ，那么( 2 1 9 ) 可化为： 卅害一瓦窘= 。 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 采用分离变量法求解，并设y ( x ，t ) = r ( x ) s ( t ) ，代入( 2 2 0 ) 有： 1 d 二尺，咒 1 ( ，二s 万xi 丁2i 了i _ ( 2 - 2 1 j 5 1 产北i u j 人字坝l j 字位论义 1d ! 尺川1d ! s2 脚 令百矿2i 了矿一百 那么( 2 2 1 ) 可化为( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 塑+ 坚r ：o ( 2 2 2 ) d x 。 j k 堡十缈2 s ：o ( 2 2 3 ) d f 解( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 可得( 2 2 4 ) 、 ( 2 2 5 ) 正小0 s 暴x ( 2 2 4 ) s ( f ) = 彳3s i n 国f + 彳4c o s 国f ( 2 - 2 5 ) 脯m 训l s i n 居川：c o s 居小s i n 褂小删( 2 - 2 6 ) 导线由线夹夹持，被悬挂在绝缘子下，可将线夹与导线的接触处看做为铰 支，则有 当x = 0 时，j ，( 0 ，f ) = 0 当x = l 时，y ( ，f ) = 0 将( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 代入( 2 2 6 ) 解得： 4 2 = 0 s i n 居 由( 2 3 0 ) 易知： 居山- 1 ，2 ，3 ，) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 31 ) 由( 2 - 13 ) 口 得： 国。= 竽- 1 ，2 ，3 ，) 。2 基于能量的平衡原理，当架空线系统阻尼消耗的能量与风输入系统的能量 相等时，微分振动的幅值趋于稳定，文献【2 6 2 8 ，3 1 】对架空线的振幅进行了较为详 细推导，运用能量平衡原理并将基于能量法推导出计算公式2 8 1 ，并验证了该公 式的正确性。 ol 州l 居。 ( 2 3 3 ) 其中爿。为最大单振幅( 班珑) ；d 为绞线最外层的股径( m 磁) ：f 导线自振频率( 舷) ； 。坪北i 也力人学坝l j 学位论文 m 为单位长度的导线质量( 坛砌) ；e j 为绞线的抗弯刚度，占。为最外层线股的 弹性系数( 锄所2 ) 。 叉导线在线夹处的斜率留口 = 器，则悱学 则有卟出譬型叫仨圳“m ： 协3 4 ， 实际线夹出口处的振动角一般可达2 57 3 5 7 【2 5 1 ，本文为了计算结果更加 保守，选择振动的最大角3 57 此时线夹处动弯应力： 咿型半扭。f 后枷“朋： 协3 5 ， 2 3 “v ”串复合绝缘子的振动频率 微风振动是架空线在微风作用下产生的的高频低幅的垂向振动，微风振动 的频率较高，一般为5 1 2 0h z ；振动的幅值一般在架空线直径的3 倍以下，所 需风速较小，通常在0 5 1 0 0m s ，持续时间较长，一般为数小时，有时可达几 天；而超过1 0 m s ，输电线背后稳定排列的卡门涡街会被破坏，无法形成规律 的涡激力以激发振动【2 2 ，25 1 。 图2 2 架空线微风振动产生的机理 当稳定的风速以v 。吹过圆柱体时，在圆柱体的背风侧会产生气流漩涡，它 上下交替产生且旋向相反的，不断的离丌圆柱体向后延伸，渐渐的消失，这种 交替的漩涡称之为“卡门漩涡”，当这种不问断的漩涡与导线的固有频率接近时， 导线就会发生微风振动，即所谓的锁定效应，其交替频率为为微风振动发生 后，只要风速不超过某一范围，导线的振动频率仍保持其固有频率，直到风速发 生较大变化为止。 卡门漩涡的交替频率与导线的关系： 六= s 号 ( 2 - 3 6 ) 式中f s 为卡门漩涡的频率，单位向z ；v 为风速，单位聊居：d 为导线的直径，单 位加朋；s 为常数，国内一般选取s = 2 0 0 。 为了计算方便，选取导线某阶自振频率作为这一频率段的微风激励力频率， 来计算导线振动产生的动弯应力，为此做如f 假设：架空线在微风振动下未 发生疲劳破坏或者断股等：导线微风振动在线央出口处传递给复合绝缘子的 球头挂点的最大动弯应力的幅值按正弦变化的；悬垂复合绝缘子两侧的导线 发生微风振动时产生的振动是致的。 根据实测与试验分析，引起架空导线微风振动的风速范围为0 5 1 0 0m s ， 由式( 2 3 6 ) 可得振动频率范围，采用威布尔( w e i b u l l ) 分布函数描述风速即频率 概率分布情况。 尸( 几厂) = 一e x p 【_ ( ：d ( 。) ) uj ( 2 3 7 ) 其中的参数c w = y i ( 1 + 1 k ) ；k = o 7 4 + o 1 9 矿，c w 为尺度参 数；r ( 1 + 1 k ) 为伽玛函数( g a m m a 函数) ；k w 为形状参数；y 为平均风速。 假设导线的第i 段频率；的上下限分别为i 。，厂i5 ；则厂i 发生振 动的概率为： 尸( 厂，f i ，) = 一e x pl - ( ，上d ( sc 。) ) “j + e x p 一( z d o ( sc w ) ) 。” ( 2 3 8 ) 1 年内导线在第i 段频率内的振动总时间及振动次数为： 。= 3 6 5 2 4 3 6 0 0 p ( 厂f f i i 上) ( 2 3 9 ) ，= ff ( 2 - 4 0 ) 以某华北网5 0 0k v 某条6 分裂l g j 一2 4 0 3 0 紧凑型线路为例，平均档距为 5 0 0 研，导线的计算张力t o 取2 0 计算拉断力为1 5 1 2 4 。 l g j 一2 4 0 3 0 导线的外径d = 2 1 6 0 用，则架空线有微风导致的卡门漩涡的频 率范围为4 6 3 h z 9 2 5 9 胞。 m 础。羔诅6 3n z 瑚。罴- 9 2 舶h z 当不做特殊说明时，按a 类地形( 即平原或者较为开阔的平坦地区) ，2 0 m 高度全年平均风速为矿：2 2 埘s 。由k = 0 7 4 + o 1 9 y ，则k 。= 1 1 5 8 ， 1 1 ( 1 + 1 k h ，) = r ( 1 + 0 8 6 4 ) = r ( 1 8 6 4 ) = 0 9 5 ， 出c w = y r ( 1 + 1 k ) ，则 c w = 2 3 1 6 。 由公式( 2 3 6 ) 计算得出导线的微风振动频率的范围为4 6 3 h z 9 2 5 9 南z ， 将0 9 5 矗z 按每5 办z 分段，即得各频率段的上下限，从而计算各频率段的振动 1 坪北j 也夕j 人学坝i j 学位论文 时问及次数，结果见表2 3 中l g j 一2 4 0 3 0 各阶频率，导线的抗弯刚度 e i = 7 9 8 7 7 m n m m 2 。导线外层铝线的弹性模量巨= 6 18 0 0 ( m 锄m2 ) ，档距 l = 5 0 0 聊，d ，= 3 6 m 垅。 表2 3l g j 一2 4 0 3 0 微风振动的次数以及线夹处的动弯应力 频宰段( h z )微风的砖k 振频率 振动的时间h搞动、犬数( 、欠)蛾夹处动弯应力m ，a o 一52 5 8 1 2 4 3 1 4 了98 9 i1 2 8 5 3 8 6 3 0 0 0 7 7 9 2 2 4 5 s 一1 0r 5 5 5 6 6 71 4 8 3 ，5 7 23 8 8 s 7 5 l40 0 2 2 9 8 了12 4 1 0 一1 51 2 s 5 0 0 91 2 t o 6 5 i5 8 8 5 l1 9 t 0 0 3 8 18 2 0 0 2 1 7 5 4 4 5 l1 0 3 9 9 3 96 6 2 3 8 0 1 40 0 5 3 3 了6 8 8 2 0 一2 52 2 q 1 0 8 bb 2 9 3 6 0 bb 7 2 3 3 2 6 70 0 6 8 1 8 2 1 4 6 2 5 3 02 ts 3 3 3 bb 4 9 7 3 6 8b 3 9 5 8 6 0 9 0 0 8 3 7 6 6 6 3 7 3 25 2 7 t 95 0 21 7 9 55 9 6 1 0 8 8 80 0 9 8 9 6 1 5 1 5 3 5 4 03 了s 2 2 2 l3 8 3 9 3 3 85 2 2 4 4 0 6 6 0 1 1 4 1 5 6 3 9 3 4 0 一4 s4 2 5 1 6 6 3 2 9 0 e t i 3 0 1 2 9 3 5 1 2 7 1 4 7 s t l o b2 1 8 6 4 t 矗3 7 3 t 9 0 1 20 1 4 4 5 4 6 1 5 5 0 一5 s5 2 s 0 5 4 81 6 3 2 3 0 23 0 t l b 2 5 5 0 1 5 9 7 4 1 0 2 8 s 5 6 05 t 4 0 9 口1 2 i 1 1 2 e2 5 2 4 5 t 4 5 0 1 7