复合绝缘子机械拉伸破坏的试验研究

复合绝缘子机械拉伸破坏的试验研究

1机械负荷试验由缆式复合绝缘体的机械弹性强度是评估其质量的最重要的指标。根据JB5892-91《高压线路用有机复合绝缘子技术条件》规定,产品出厂前应进行50%额定机械负荷的逐个拉伸负荷试验,按批抽样进行1min额定机械负荷耐受试验,合格后才允许出厂,以保证产品的机械性能满足使用要求。但标准未规定再进行机械拉伸破坏负荷试验。为了研究和探讨棒形悬式复合绝缘子金具与芯棒不同连接结构对产品机械拉伸强度的影响,以及进一步了解产品机械拉伸强度的好坏差异,裕度大小,质量的稳定性,为此,将不同企业生产的5种连接结构27组110kV/100kN棒形悬式复合绝缘子试品,按标准进行了1min额定机械负荷耐受试验后,再进行机械拉伸破坏负荷试验,并对拉伸破坏负荷值进行统计计算及初步的讨论和分析。2破坏负荷计算在通过1min额定机械负荷耐受试验合格后的27组试品中,每组抽取3只试品进行机械拉伸破坏负荷试验,并依据JB/T3384-1999《高压绝缘子抽样方案》规定的计算方法,对每组试品及金具与芯棒同种连接结构的全部试品的破坏负荷值,进行平均值(X¯¯¯)(X¯)、标准偏差(S)、质量指数(Q)以及保证值(X¯¯¯−3S)(X¯-3S)的统计计算。需要说明的是,这种统计计算全部试品都应被破坏,且每组试品数最少不能小于3只,由于部分试品的机械拉伸破坏负荷值高,试验未能做到最终破坏。在统计计算时,若1组试品只有1只未破坏,按该只试品最高试验值参与了计算;若有2只或3只未破坏,则不进行计算;同种连接结构试品计算时,所有未破坏的试品的最高试验值都参与了计算,采用这种统计计算方法,试验的试品愈多,其统计计算结果愈能反映产品的真实状况。全部27组试品的机械拉伸破坏负荷值及破坏状况,统计计算的结果,按金具与芯棒的连接结构形式分别列入表1。3外加强板式连接结构的复合绝缘子初步的讨论和分析是基于27组试品全部通过了1min额定机械负荷耐受试验合格的前提下进行的,而且只从复合绝缘子金具对芯棒的不同连接结构与机械拉伸破坏负荷之间的某些关系进行的讨论与分析。同时,每组只有3只试品,同种连接结构的全部试品也不多,试验结果可能会有一定的偶然性。(1)从整体看,27组试品的机械拉伸破坏负荷试验结果还是较好地反映了各种连接结构和全行业棒形悬式复合绝缘子机械强度的基本状况。总的情况是好的,有四种连接结构都出现了170kN～180kN未破坏的试品,与额定机械拉伸负荷值相比,具有很大的裕度,表明这几种连接结构都可以生产出机械拉伸强度很高的产品。但也有刚超过额定机械拉伸负荷值不多就被破坏了的产品。表明其拉伸强度裕度不大。收稿日期:2002−06−20¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯收稿日期:2002-06-20¯(2)内楔式、外楔式连接结构的复合绝缘子,都是金具或金具通过楔片对芯棒给予一定的径向预压力,在金具或楔片与芯棒的接触面形成一定的静摩擦力,使绝缘子具有拉伸强度。这种静摩擦力的形成,与金具或楔片和芯棒之间的接触面大小、尺寸精度和圆度及相互的配合、对楔片施加的预压力等诸多因素有关。如果预压力不够,形成的静摩擦力过小,对绝缘子施加拉伸负荷时,可能引起抽芯。因此,在外楔式连接结构的绝缘子中,出现了抽芯破坏的试品,且最低的抽芯破坏负荷值仅为109kN。(3)内楔式和外楔式连接结构的复合绝缘子,由于金具内腔和楔片为锥形,因此具有锥形斜面机械摩擦角自锁紧的功能。内楔式连接结构是内楔把芯棒端部两半撑开形成锥形自锁;外楔式连接结构则是依靠金具内腔与3个外楔形成的自锁,前者的自锁紧功能大且可靠性高。因此,内楔式连接结构的绝缘子发生抽芯的可能性小,上述7组21个试品未出现抽芯破坏的情况。外楔式连接结构的绝缘子,若对外楔施加的预压力小,外楔与芯棒接触面形成的静摩擦力不够,金具内腔与外楔的自锁紧功能又较小,而金具内锥腔与外楔往往是属于同种材质,在长期的压力下相互可能“粘附”而不能滑移,这种自锁紧功能有可能丧失,在承载导线拉伸负荷的同时,导线的舞动,以及外楔和芯棒随着一年四季环境温度的变化及膨胀系数的差异,外楔与芯棒的接触面可能出现蠕变并不断加剧,使绝缘子拉伸强度逐渐下降,有可能导致最终无法满足使用要求。(4)外楔式连接结构的复合绝缘子是金具内锥腔通过3个楔片与芯棒连接的,三者共5个部件的配合相互要求严格。因此,对金具内锥腔和3个外楔片的加工精度要求高,对外楔施加的预压力也较难掌握。而内楔式连接结构的复合绝缘子,是1片内楔压入芯棒中间,金具内锥腔与芯棒直接接触的,除了上述自锁紧功能好一些外,其金具内锥腔与芯棒两者的配合简单一些,要求也应该说没有外楔式那么严格。因此,外楔式连续结构比内楔式连接结构的绝缘子生产难度大,质量控制要求高,影响绝缘子拉伸强度的因素多,质量难以稳定。稍有不慎,金具内锥腔,3个楔片加工的精度不够,与芯棒三者配合不好,外楔与芯棒的实际接触不良,对外楔片施加的压力不当或波动大,若形成的静摩擦力小,就会在较低的拉伸负荷下出现抽芯;若对外楔片施加压力过大,在金具内锥口芯棒局部剪切应力过大,甚至受到损伤,也就会在较低拉伸负荷下芯棒断裂。因此,在外楔式连接结构的3组9只试品中,既出现了109kN抽芯的试品,也出现了106kN芯棒断裂的试品。(5)内楔式和外楔式连接结构的复合绝缘子,在对楔片施加压力过程中,除了对芯棒给予了一定的径向压力外,在金具内锥口处芯棒还受到了局部的剪切应力,对楔片施加的压力越大,此处的剪切应力就越大。同时绝缘子在承受拉伸负荷时,这种局部剪切应力随着拉伸负荷的增加而增大,最终导致金具内锥口处芯棒在拉伸和剪切等应力作用下成斜面断裂。这两种连接结构的绝缘子试品都出现了这种破坏的情况。(6)内楔式连接结构的复合绝缘子,与其它连接结构的绝缘子相比,其扭转强度低,在对内楔施加压力和使用过程中承载导线的拉伸负荷及导线的舞动,在金具内锥口处的芯棒将受到拉伸、剪切等复杂的局部应力集中。当绝缘子承载的拉伸负荷大,环境条件恶劣,这种局部集中的应力达到足够大时,恶劣的环境使芯棒锯开处又受到某种腐蚀,若在生产中芯棒端部锯缝稍有偏离而不对称,稍小的一半芯棒就有可能首先出现疲劳,随后产生裂纹,继而裂纹扩张等一系列的变化,最后导致整只绝缘子断裂,尽管这种情况的概率非常小,但一旦发生,后果不堪设想。(7)压接式连接结构的复合绝缘子,是对金具外圆周施加一定的压力,芯棒端部因金具塑变而受到径向压力,在金具内腔与芯棒的接触面形成静摩擦力,使绝缘子具有拉伸强度。因此,绝缘子的拉伸强度与摩擦力大小有关,而摩擦力与金具对芯棒的径向压力,金具内腔与芯棒接触面的大小和粗糙度、摩擦系数等有关。金具对芯棒的径向压力,又与对金具外圆周的压力、金具塑变、金具与芯棒尺寸精度和圆度及相互配合有关。因此,要使金具与芯棒的接触面形成足够的摩擦力,应根据金具的材质、硬度及塑变性能,内腔的尺寸精度、圆度及与外周圆的同轴度、壁厚;芯棒的材质和脆性及尺寸精度与圆度;金具内腔与芯棒的接触面的大小和粗糙度;相互配合的间隙等诸多因素,选择适当的施加压力的方式,经过大量的试验验证,确定对金具外圆周施加压力的大小或压缩量。当对金具外圆周施加的压力方式和大小或者压缩量确定后,若上述一种或几种因素有所波动,相互配合稍有变化。金具内腔传递给芯棒的径向压力在接触面上形成静摩擦力过小,绝缘子的拉伸强度就低,随着拉伸负荷的增加而出现抽芯;或者,虽然在接触面上形成了足够大的静摩擦力,但若芯棒受到的预压力过大或局部应力集中甚至损伤开裂,就可能大大降低绝缘子拉伸强度。在严格控制好上述各种因素,选择施加压力方式和大小或压缩量合理,金具内腔与芯棒接触面的静摩擦力大于芯棒自身的拉伸强度,而芯棒又未受到过大或集中的预应力,损伤或开裂,这是压接式连接结构最为理想的状态。压接式连接结构的金具内腔是圆筒形的,金具塑变传递给芯棒的径向压力,芯棒受到的预应力比较均匀,当承载拉伸负荷时,不会出现像内、外楔连接的芯棒在金具内锥口那样的应力集中,能较好地发挥芯棒自身的拉伸强度。在10组30只试品中,未出现拉伸负荷150kN以下芯棒断裂的情况,有几组也未出现在150kN以下抽芯的试品,可以认为这几组试品,对金具外圆周施加压力或压缩量,使金具内腔与芯棒接触面上形成了足够大的静摩擦力,压接状态是比较理想的。但有几组在较低的拉伸负荷下就出现了抽芯的试品,而有的组的试品抽芯负荷分散性也大。显然这些试品金具与芯棒接触面的摩擦力不够大,其原因可能是多方面和复杂的,有的可能是对金具外圆周的压力不够,或是金具内腔与芯棒的间隙大,压缩量小,金具塑变传递给芯棒的径向压力不够,或是金具内腔和芯棒圆度不好,相互接触面不良,接触面形成的摩擦力不均匀等等,都值得认真的分析研究和探讨,因为压接式连接结构与外楔式连接结构有一定的相似性,像107kN下就抽芯的产品,仍有可能像上述分析外楔式连接结构的绝缘子那样,在使用过程中,绝缘子的拉伸强度逐渐下降,有可能最终导致无法使用。(8)胶装式连接结构的复合绝缘子,是将芯棒插入金具锥腔内,用环氧树脂等配制的胶合剂灌入锥体内,芯棒与胶合剂形成一个倒锥体,使绝缘子具有拉伸强度。生产过程中,不像前面几种连接结构,芯棒未受到任何的预应力。芯棒与胶合剂形成的倒锥体具有很好的自锁紧功能,受到拉伸负荷时,应力分布比较均匀,因此,6组18只试品机械拉伸负荷破坏值都是比较高而稳定的,都具有较大的裕度,产品的机械性能应是稳定可靠的。胶装式连接结构的复合绝缘子的拉伸强度与胶合剂的强度、胶合剂与芯棒的粘结强度,金具内腔锥度、芯棒胶装部位的长度等有关。而胶合剂的强度和胶合剂与芯棒的粘结强度,又与胶合剂使用的环氧树脂和配方、芯棒胶装部位的状况、胶装和固化工艺有关。胶合剂强度高、粘接强度好、芯棒胶装部位长、金具内腔锥度大,绝缘子拉伸强度就高,但是,当绝缘子受到拉伸负荷时,芯棒在金具的内腔锥口处除受到拉伸应力外,还受到锥口对芯棒的剪切应力,锥角愈大,剪切应力愈大。因此,选择适当的胶装长度、锥角大小、以及锥口处有适当的圆弧度,可以减小芯棒局部受到的剪切应力,有利于提高绝缘子的拉伸强度。(9)根据JB/T3384标准,抽样试品的机械拉伸破坏负荷值统计计算结果,质量指数越高,保证值越大,产品的机械拉伸性能愈好,质量愈稳定。当质量指数达到3以上,保证值超过了额定机械拉伸负荷值,说明这批产品高于额定机械拉伸负荷值的概率非常高,产品的拉伸强度有保证。胶装式、内楔式和部分压接式连接结构的试品,拉伸破坏负荷值高,平均值也高,而且分散性小,标准偏差小,质量指数高,保证值大,可以说这些产品的机械性能好并稳定,胶装式连接结构的试品,无论是每组试品还是全部试品,其质量指数都在3以上,保证值都超过了额定机械拉伸负荷值,且还有相当大的裕度,其机械性能是稳定可靠的。弹簧卡装式连接结构的试品,虽然未出现拉伸破坏负荷值很高的试品,单个试品的破坏负荷值和平均值都不算高,但3只试品的破坏值均匀,标准偏差小,质量指数高,其保证值仍超过了额定机械拉伸负荷值。棒形悬式绝缘子的机械拉伸强度应有一定的裕度,按照JB5892标准只进行1min额定机械负荷耐受试验,难以评价其裕度大小。但要求过大的裕度有可能加大产品的质量成本和生产难度,而且在有些情况下可能造成拉伸破坏负荷值有的很高,有的却很低,分散性很大,其产品质量反而不稳定。在外楔式和有几组压接式连接结构的试品,有的拉伸破坏负荷值裕度都不大;有的虽然出现了拉伸破坏负荷值很高的试品,但分散性大,其质量指数低,保证值都达不到额定机械拉伸负荷值,其产品质量仍有一定的差距。特别是外楔式连接结构有1组试品,若按JB/T3384标准,抽样试验采用计量二次抽样方案,接收质量水平(AQL)为1.5%,抽样3只试品,第1次抽样试验接收常数K1=1.48,这组试品的质量指数Q=1.46,低于K1,但大于K2=1.07,应加倍抽样进行重复试验。因此,其机械拉伸强度还有待进一步的稳定和提高。4压接式连接结构的影响(1)通过对110kV/100kN棒形悬式复合绝缘子金具与芯棒5种连接结构27组试品的机械拉伸破坏负荷试验,破坏负荷值的统计计算,以及初步的讨论和分析,这几种连接结构都可以生产出符合标准规定、满足使用机械拉伸强度要求的产品。有4种连接结构都有拉伸破坏负荷值达到很高的试品。有的连接结构的试品拉伸破坏负荷值高而稳定、质量指数高,保证值大,可以认为产品的机械性能良好;但有的连接结构的试品拉伸破坏负荷