长棒形悬式瓷绝缘子在高压直流输电线路上的应用前景

长棒形悬式瓷绝缘子在高压直流输电线路上的应用前景

0高压直流输电线路中长棒形悬式瓷绝缘子的应用随着我国电力工业的发展，供电容量逐渐增加，高压直流电路也在增加。然而，与其他类型的电子表格电离的缺点相比，直接输电线道路的传统瓷单元的缺点越来越明显。盘型瓷单元属于可触碰型。在长期遭受劳动力、机械和自然环境的影响下，逐渐恶化，威胁到电网的安全运行。需要定期零值检测和污染清洁，工作量大。为了避免污染，盘型瓷偶杆的耐张性设计得很长，增加了重量。玻璃绝缘子除了没有零值问题外,其他方面的问题一样很突出。耐张绝缘子在整个耐张塔系统中处于关键位置,一旦发生机械事故,就很有可能导致耐张塔因承受不平衡张力而倒塔,进而引起“串倒”,因此耐张塔要求较高,造价也相应比较昂贵。长棒形悬式瓷绝缘子应用于高压直流输电线路耐张串是一个很好的选择。长棒形悬式瓷绝缘子由瓷体和端部铁帽组成,是悬式瓷绝缘子的一种。瓷体是由氧化铝高强度瓷整体烧制而成的,具有很高的强度,因此虽然和盘形瓷绝缘子一样都用的是瓷材料,但是由于采用高强度瓷而减轻了大概一半重量。相比一般的工业用瓷而言,氧化铝瓷的优点在于纯度较高,杂质很少,几乎没有任何内应力。瓷体与端部铁帽之间采用铅锑合金胶合剂(铅的质量分数为95%)浇注连接。铅锑合金胶合剂的膨胀系数很小,因而不会出现像水泥胶合剂一样的膨胀破坏现象。瓷体光滑因而自洁性能优良,特别适用于耐张串,从电气性能上来讲,长棒形悬式瓷绝缘子是一种不可击穿的结构。一般认为,“长棒形悬式瓷绝缘子的年损坏率在1×10-6~3×10-6,使用寿命取决于金具,可达50a以上”。目前长棒形悬式瓷绝缘子主要用于欧洲和东南亚的一些国家。相对于其他形式的绝缘子而言,长棒形悬式瓷绝缘子使用的量较少,运行经验不多。为了论证这种绝缘子应用于高压直流输电线路耐张串的可行性,需要开展对其电气性能和力学性能的研究。耐张绝缘子在运行过程中会承受各种各样的静态力和动态力。研究覆冰、风等横向均布载荷作用时长棒形悬式瓷绝缘子的受力特性、人体行走(横向集中荷载)作用时长棒形悬式瓷绝缘子的受力特性、导线扭转荷载作用时长棒型悬式瓷绝缘子的受力特性等[11,12,13,14,15,16,17,18],是高压直流输电线路耐张串应用长棒形悬式瓷绝缘子的重要课题。本文对高压直流输电线路耐张串用长棒形悬式瓷绝缘子的机械特性进行研究。1长杆式悬式瓷绝缘子的有限电压分析1.1模型转换和材料参数对长棒形悬式瓷绝缘子可采用大型通用有限元软件Ansys进行有限元力学分析。Ansys中建CAD模型比较繁琐,本文采用CAD软件solidworks画出长棒形悬式瓷绝缘子的CAD模型(如图1所示),然后导入到Ansys中。这种方法经广泛验证是非常有效的,模型在转换过程中没有丢失元素,大大节约了建模的时间。为了简化计算,省去铁帽两端的耳朵,恒定的轴向拉力施加在铁帽的端部。3种材料的力学参数见表1。长棒形悬式瓷绝缘子的瓷体是由氧化铝高强度瓷整体烧制而成的,具有很高的强度。LP115/21+20/1790型绝缘子的瓷体参数见表2。1.2ansys-solid95网格划分是有限元计算的重要步骤,本文的计算中把整支绝缘子划分为98976个Solid95单元,共422011个节点。Solid95是Ansys中自带的3D实体单元,具有20个节点,每个节点具有3个自由度:x、y、z方向的平动自由度。Solid95还具有塑变、蠕变、应力刚化、大应变等效应,它对于一般的工程问题具有很高的求解精度。特别是这种单元具有协调位移形状,可以很好地适应具有弯曲边界的模型,对解决像长棒形悬式瓷绝缘子这样带有很多伞裙的不规则结构有很好的效果。1.3轴向应力分析为了与后面的试验相对应,计算中采用与试验一样的集中力和轴向拉力。集中力从0加到1.1kN,施加在瓷体中间的2个伞裙上。绝缘子在线路实际运行中需要保证一定的安全系数,本文按照盘式瓷绝缘子将安全系数取为2.7,即最大运行张力不能超过额定拉伸负荷的1/2.7。对于本文的400kN的瓷绝缘子来讲,其最大运行张力为400kN/2.7=148kN。因此绝缘子两端施加148kN的轴向拉力,在这个基础上再施加中部的集中荷载。图2为瓷体沿中心截面的轴向应变云图(集中力为1.1kN),从图2可以看出,这种瓷绝缘子的芯棒部分应变分布还是很均匀的,中间部分的轴向应变为132×10-6。图3为中部伞根处的轴向应变云图,从图3可以看出,这里有应力集中的现象。1.4轴向拉力不同时调,轴向拉力不高与集中力的计算类似,均布力从0加到1.1kN,轴向拉力保持148kN不变。图3的结果只是显示计算云图,均布力取1.1kN,计算和试验的对比放在后面试验部分介绍。2长杆式悬式瓷绝缘子的力学试验2.1u3000应变的测量长棒形悬式瓷绝缘子的集中力试验以及后面的均布力试验是在华中科技大学土木工程与力学实验室完成的。试验布置如图4所示。轴向拉力的提供。试品两端的轴向拉力由1000kN卧式液压拉力机提供,传感器型号为BLR-1(500kN)。集中力的模拟。采用实验室的标准砝码来模拟。先根据伞裙的尺寸制作了1个铁罩,为了保证铁罩能够承受拉力作用而不变形,特别在铁罩与伞裙接触处加了1条筋。铁罩四角焊有铁钩,通过铁丝悬挂1块25kg标准重的铁板。通过改变铁板上放置的砝码来改变集中力的大小。标准砝码有10kg和5kg共2种。由于实验装置的高度受到限制,所以铁板悬挂高度是有限的,使得放置的砝码数目也是有限的,试验中包括铁板在内总的集中力最大可以加到1.1kN。应变的测量。试验用的应变片为BX120-3AA型,宽为2mm,长为3mm。应变片贴在试品第10和第11两伞裙之间的伞根处。由于这种瓷绝缘子表面非常光滑,应变片贴起来比较困难,贴在试品两侧和下面的应变片所得的测量结果误差很大,因此只保留了试品上部的应变片。根据弹性力学原理,试品上部伞根处应变的变化量等于试品下部伞根处应变的变化量,只不过趋势是相反的。同时为了对比,在#1试品的端部也贴了应变片。踩踏处应变最大值方向是x方向,也就是重力方向,但是这个方向的应变片没法贴。应变仪为YE2538A型号的程控静态应变仪,其测量精度达到10-6,能满足这种试验的要求。应变的测量方向为沿轴向。图5显示的是在集中力为0的情况下,绝缘子中部伞根处轴向应变随两端施加的轴向拉力变化的趋势图。图5中对比了试验值和计算值,计算值中分为2种:1种是考虑铁帽和胶合剂的模型,1种是不考虑铁帽和胶合剂的模型。从图5可以看出,上述2种模型的计算值与试验值都比较接近,说明不考虑绝缘子端部的铁帽和胶合剂,对中部伞根处的计算值几乎没有影响。瓷体锥面和圆柱面交界处的应力没有办法测出来,但附近圆柱面上的应力是可以通过电阻应变片测应变来间接测出来的。图6显示的是瓷体端部轴向应变随轴向拉力变化的趋势图。从图6可以看出,不考虑铁帽和胶合剂的计算值与试验值差别较大。这是因为不考虑铁帽和胶合剂的模型中,瓷体的边界是被假设固定不变的,因此靠近边界的瓷体端部应变计算值与试验值相差较大。图7显示的是中部伞根处应变与集中力的关系。试验中集中力取为0、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1kN。从图7可以看出,计算值和试验值相差不大,最大误差在15%以内。如前文分析,计算值比试验值大是合理的。从弹性力学角度分析,集中力的加大使得瓷体上部受到压缩,从而使应变值有减小的趋势,计算值和试验值都验证了这一点;同时瓷体下部应变有增大的趋势,变化量相同。从试验值和计算值可以看出,1kN左右的集中力对绝缘子影响不大,1.1kN的集中力只能使绝缘子轴向应变发生大约40×10-6的变化。2.2大伞均布力试验长棒形悬式瓷绝缘子的均布力试验布置如图8所示。均布力的模拟。同样采用实验室的标准砝码来模拟。这种型号的长棒形悬式瓷绝缘子总共有21个大伞,本文从端部起每隔2个大伞用铁丝悬挂1个砝码,这样总共悬挂了11个砝码,均布力达到1.1kN。(由于空隙的限制,不能挂更多的砝码)。然后隔空抽掉1个砝码,模拟0.6kN的均布力。图9显示的是中部伞根处轴向应变与均布力的关系。均布力试验施加同样148kN的轴向拉力,应变片的位置与集中力试验相同。从试验值和计算值可以看出,这么大的均布力对绝缘子影响不大。2.3试验结果及分析长棒形悬式瓷绝缘子的扭转力试验是在国网电力科学研究院质检中心试验大厅完成的。试验布置如图10所示。试验所用的装置是深圳高品公司的30kN·m扭转机。试品与扭转盘通过1个带有“耳朵”的特制圆盘连接,其外形如图11所示。扭转力试验一共测试了3支试品,这3支试品的试验结果见表3。从表3可以看出,3支试品的破坏扭矩均能达到10kN·m,而且破坏形式均为铅锑合金胶合剂松动,瓷体完好无损。试品因具有这样大的破坏扭矩而完全能够承受线路正常运行中的扭转负荷。图12显示的是#2试品的扭转力试验结果,从图12可以看出,铁帽和瓷体之间明显有一个错位(标记在扭转力试验之前是重合的)。表4显示的是3只试品经过扭转力试验之后,再进行拉伸破坏负荷试验的结果。从表4可以看出,3支试品的拉伸破坏负荷都超过了额定值,没有出现明显的机械性能下降现象。实际上,长棒形悬式瓷绝缘子由于其端部金具设计为锥形,在铅锑合金胶合剂松动之后胶合剂没有脱离铁帽,所以其端部结构仍然保持了很高的机械强度。这个试验结果证明了长棒形悬式瓷绝缘子端部金具设计的合理性,同时也证明了铅锑合金胶合剂的机械强度是可靠的。2.4拉伸试验部分长棒形悬式瓷绝缘子在中国应用得不多,其瓷体的拉伸性能如何,受到普遍关注。西安电瓷研究所对厂家所提供的17只这种型号试品进行了型式试验,在力学方面进行了拉伸负荷和拉伸破坏试验。本文引用型式试验报告中的力学拉伸试验部分。厂家产品在进行出厂例行试验时都要经受80%的拉伸负荷试验(对于拉伸负荷标称值为400kN的产品,其80%的拉伸负荷为320kN)。西安电瓷研究所的试验表明:“17只样品均经受了拉伸负荷320kN、持续时间60s的拉伸负荷试验,样品均完好”。西安电瓷研究所对17只试品中的14只做了拉伸破坏试验,试验结果表明长棒形悬式瓷绝缘子拉伸破坏负荷均超过其标称值,最低为530kN,最高能达到762kN,一般在600kN以上,裕度很大。详细的试验数据可以参考西安电瓷研究所的报告。2.5机械强度长棒形悬式瓷绝缘子的端部连接是绝缘子机械安全的重要组成部分。传统的盘式瓷绝缘子所用的胶合剂为勃兰特水泥,但是勃兰特水泥的膨胀易引起绝缘子失效。复合绝缘子无论内楔、外楔还是压接式结构,其端部连接的制造质量均直接影响到整个绝缘子的机械强度。对于长棒形悬式瓷绝缘子,其端部连接的机械强度如何也是本文重点关心的问题。计算中取轴向拉力为其额定拉伸强度400kN。从图13的铁帽第一主应力云图可以看出,其最大值为293MPa。铁帽采用的材料是KTZ550-04型号的可锻铸铁,其破坏应力为550MPa,大于293MPa。计算表明,铁帽的机械强度是有保证的。从图14的铅锑合金第一主应力云图可以看出,其最大值为42.7MPa。这种型号的长棒形悬式瓷绝缘子所用铅锑合金中,锑质量分数为15%,目前文献中并没有查阅到这种合金的破坏应力。不过查阅文献可知,锑质量分数为6%的铅锑合金的破坏拉应力为47.8MPa,锑质量分数为8%的铅锑合金的破坏拉应力为52.0MPa,均大于42.7MPa,而且锑质量分数量越高,其破坏应力越大。计算表明,铅锑合金的机械强度满足要求。3长棒形悬式瓷绝缘子扭转力试验从前述试验和计算可以看出,长棒形悬式瓷绝缘子的破坏应力取决于伞裙根部的最大应力,这一点已经被众多试验和计算所证实。但是由此计算出的最大应力却大于破坏应力,即瓷件的应力还没有达到计算值,瓷件就已经破坏了,这方面的进一步研究还需要结合破坏应力学的相关成果。长棒形悬式瓷绝缘子的扭转力试验是以前没有做过的,试验虽然仅用3个试品,但是已经能够说明一些问题。首先,扭转力能够破坏的是端部瓷件的结构,3个试品的铅锑合金胶合剂都被扭转力作用得松动了。然后,瓷件在受到扭转破坏之后,其拉伸破坏负荷没有明显下降,而且破坏形式既有端部破坏的,又有瓷体破坏的,这一点是出乎意料之外的,也是今后可以进一步研究的领域。4拉伸破坏负荷1)计算和试验表明,长棒形悬式瓷绝缘子能够承受带电作业时