長棒形懸式瓷絕緣子在高壓直流輸電線路上的應用前景

0高壓直流輸電線路中長棒形懸式瓷絕緣子的應用隨著我國電力工業的發展，供電容量逐漸增加，高壓直流電路也在增加。然而，與其他類型的電子表格電離的缺點相比，直接輸電線道路的傳統瓷單元的缺點越來越明顯。盤型瓷單元屬于可觸碰型。在長期遭受勞動力、機械和自然環境的影響下，逐漸惡化，威脅到電網的安全運行。需要定期零值檢測和污染清潔，工作量大。為了避免污染，盤型瓷偶桿的耐張性設計得很長，增加了重量。玻璃絕緣子除了沒有零值問題外,其他方面的問題一樣很突出。耐張絕緣子在整個耐張塔系統中處于關鍵位置,一旦發生機械事故,就很有可能導致耐張塔因承受不平衡張力而倒塔,進而引起“串倒”,因此耐張塔要求較高,造價也相應比較昂貴。長棒形懸式瓷絕緣子應用于高壓直流輸電線路耐張串是一個很好的選擇。長棒形懸式瓷絕緣子由瓷體和端部鐵帽組成,是懸式瓷絕緣子的一種。瓷體是由氧化鋁高強度瓷整體燒制而成的,具有很高的強度,因此雖然和盤形瓷絕緣子一樣都用的是瓷材料,但是由于采用高強度瓷而減輕了大概一半重量。相比一般的工業用瓷而言,氧化鋁瓷的優點在于純度較高,雜質很少,幾乎沒有任何內應力。瓷體與端部鐵帽之間采用鉛銻合金膠合劑(鉛的質量分數為95%)澆注連接。鉛銻合金膠合劑的膨脹系數很小,因而不會出現像水泥膠合劑一樣的膨脹破壞現象。瓷體光滑因而自潔性能優良,特別適用于耐張串,從電氣性能上來講,長棒形懸式瓷絕緣子是一種不可擊穿的結構。一般認為,“長棒形懸式瓷絕緣子的年損壞率在1×10-6~3×10-6,使用壽命取決于金具,可達50a以上”。目前長棒形懸式瓷絕緣子主要用于歐洲和東南亞的一些國家。相對于其他形式的絕緣子而言,長棒形懸式瓷絕緣子使用的量較少,運行經驗不多。為了論證這種絕緣子應用于高壓直流輸電線路耐張串的可行性,需要開展對其電氣性能和力學性能的研究。耐張絕緣子在運行過程中會承受各種各樣的靜態力和動態力。研究覆冰、風等橫向均布載荷作用時長棒形懸式瓷絕緣子的受力特性、人體行走(橫向集中荷載)作用時長棒形懸式瓷絕緣子的受力特性、導線扭轉荷載作用時長棒型懸式瓷絕緣子的受力特性等[11,12,13,14,15,16,17,18],是高壓直流輸電線路耐張串應用長棒形懸式瓷絕緣子的重要課題。本文對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進行研究。1長桿式懸式瓷絕緣子的有限電壓分析1.1模型轉換和材料參數對長棒形懸式瓷絕緣子可采用大型通用有限元軟件Ansys進行有限元力學分析。Ansys中建CAD模型比較繁瑣,本文采用CAD軟件solidworks畫出長棒形懸式瓷絕緣子的CAD模型(如圖1所示),然后導入到Ansys中。這種方法經廣泛驗證是非常有效的,模型在轉換過程中沒有丟失元素,大大節約了建模的時間。為了簡化計算,省去鐵帽兩端的耳朵,恒定的軸向拉力施加在鐵帽的端部。3種材料的力學參數見表1。長棒形懸式瓷絕緣子的瓷體是由氧化鋁高強度瓷整體燒制而成的,具有很高的強度。LP115/21+20/1790型絕緣子的瓷體參數見表2。1.2ansys-solid95網格劃分是有限元計算的重要步驟,本文的計算中把整支絕緣子劃分為98976個Solid95單元,共422011個節點。Solid95是Ansys中自帶的3D實體單元,具有20個節點,每個節點具有3個自由度:x、y、z方向的平動自由度。Solid95還具有塑變、蠕變、應力剛化、大應變等效應,它對于一般的工程問題具有很高的求解精度。特別是這種單元具有協調位移形狀,可以很好地適應具有彎曲邊界的模型,對解決像長棒形懸式瓷絕緣子這樣帶有很多傘裙的不規則結構有很好的效果。1.3軸向應力分析為了與后面的試驗相對應,計算中采用與試驗一樣的集中力和軸向拉力。集中力從0加到1.1kN,施加在瓷體中間的2個傘裙上。絕緣子在線路實際運行中需要保證一定的安全系數,本文按照盤式瓷絕緣子將安全系數取為2.7,即最大運行張力不能超過額定拉伸負荷的1/2.7。對于本文的400kN的瓷絕緣子來講,其最大運行張力為400kN/2.7=148kN。因此絕緣子兩端施加148kN的軸向拉力,在這個基礎上再施加中部的集中荷載。圖2為瓷體沿中心截面的軸向應變云圖(集中力為1.1kN),從圖2可以看出,這種瓷絕緣子的芯棒部分應變分布還是很均勻的,中間部分的軸向應變為132×10-6。圖3為中部傘根處的軸向應變云圖,從圖3可以看出,這里有應力集中的現象。1.4軸向拉力不同時調,軸向拉力不高與集中力的計算類似,均布力從0加到1.1kN,軸向拉力保持148kN不變。圖3的結果只是顯示計算云圖,均布力取1.1kN,計算和試驗的對比放在后面試驗部分介紹。2長桿式懸式瓷絕緣子的力學試驗2.1u3000應變的測量長棒形懸式瓷絕緣子的集中力試驗以及后面的均布力試驗是在華中科技大學土木工程與力學實驗室完成的。試驗布置如圖4所示。軸向拉力的提供。試品兩端的軸向拉力由1000kN臥式液壓拉力機提供,傳感器型號為BLR-1(500kN)。集中力的模擬。采用實驗室的標準砝碼來模擬。先根據傘裙的尺寸制作了1個鐵罩,為了保證鐵罩能夠承受拉力作用而不變形,特別在鐵罩與傘裙接觸處加了1條筋。鐵罩四角焊有鐵鉤,通過鐵絲懸掛1塊25kg標準重的鐵板。通過改變鐵板上放置的砝碼來改變集中力的大小。標準砝碼有10kg和5kg共2種。由于實驗裝置的高度受到限制,所以鐵板懸掛高度是有限的,使得放置的砝碼數目也是有限的,試驗中包括鐵板在內總的集中力最大可以加到1.1kN。應變的測量。試驗用的應變片為BX120-3AA型,寬為2mm,長為3mm。應變片貼在試品第10和第11兩傘裙之間的傘根處。由于這種瓷絕緣子表面非常光滑,應變片貼起來比較困難,貼在試品兩側和下面的應變片所得的測量結果誤差很大,因此只保留了試品上部的應變片。根據彈性力學原理,試品上部傘根處應變的變化量等于試品下部傘根處應變的變化量,只不過趨勢是相反的。同時為了對比,在#1試品的端部也貼了應變片。踩踏處應變最大值方向是x方向,也就是重力方向,但是這個方向的應變片沒法貼。應變儀為YE2538A型號的程控靜態應變儀,其測量精度達到10-6,能滿足這種試驗的要求。應變的測量方向為沿軸向。圖5顯示的是在集中力為0的情況下,絕緣子中部傘根處軸向應變隨兩端施加的軸向拉力變化的趨勢圖。圖5中對比了試驗值和計算值,計算值中分為2種:1種是考慮鐵帽和膠合劑的模型,1種是不考慮鐵帽和膠合劑的模型。從圖5可以看出,上述2種模型的計算值與試驗值都比較接近,說明不考慮絕緣子端部的鐵帽和膠合劑,對中部傘根處的計算值幾乎沒有影響。瓷體錐面和圓柱面交界處的應力沒有辦法測出來,但附近圓柱面上的應力是可以通過電阻應變片測應變來間接測出來的。圖6顯示的是瓷體端部軸向應變隨軸向拉力變化的趨勢圖。從圖6可以看出,不考慮鐵帽和膠合劑的計算值與試驗值差別較大。這是因為不考慮鐵帽和膠合劑的模型中,瓷體的邊界是被假設固定不變的,因此靠近邊界的瓷體端部應變計算值與試驗值相差較大。圖7顯示的是中部傘根處應變與集中力的關系。試驗中集中力取為0、0.3、0.5、0.7、0.9、1.1kN。從圖7可以看出,計算值和試驗值相差不大,最大誤差在15%以內。如前文分析,計算值比試驗值大是合理的。從彈性力學角度分析,集中力的加大使得瓷體上部受到壓縮,從而使應變值有減小的趨勢,計算值和試驗值都驗證了這一點;同時瓷體下部應變有增大的趨勢,變化量相同。從試驗值和計算值可以看出,1kN左右的集中力對絕緣子影響不大,1.1kN的集中力只能使絕緣子軸向應變發生大約40×10-6的變化。2.2大傘均布力試驗長棒形懸式瓷絕緣子的均布力試驗布置如圖8所示。均布力的模擬。同樣采用實驗室的標準砝碼來模擬。這種型號的長棒形懸式瓷絕緣子總共有21個大傘,本文從端部起每隔2個大傘用鐵絲懸掛1個砝碼,這樣總共懸掛了11個砝碼,均布力達到1.1kN。(由于空隙的限制,不能掛更多的砝碼)。然后隔空抽掉1個砝碼,模擬0.6kN的均布力。圖9顯示的是中部傘根處軸向應變與均布力的關系。均布力試驗施加同樣148kN的軸向拉力,應變片的位置與集中力試驗相同。從試驗值和計算值可以看出,這么大的均布力對絕緣子影響不大。2.3試驗結果及分析長棒形懸式瓷絕緣子的扭轉力試驗是在國網電力科學研究院質檢中心試驗大廳完成的。試驗布置如圖10所示。試驗所用的裝置是深圳高品公司的30kN·m扭轉機。試品與扭轉盤通過1個帶有“耳朵”的特制圓盤連接,其外形如圖11所示。扭轉力試驗一共測試了3支試品,這3支試品的試驗結果見表3。從表3可以看出,3支試品的破壞扭矩均能達到10kN·m,而且破壞形式均為鉛銻合金膠合劑松動,瓷體完好無損。試品因具有這樣大的破壞扭矩而完全能夠承受線路正常運行中的扭轉負荷。圖12顯示的是#2試品的扭轉力試驗結果,從圖12可以看出,鐵帽和瓷體之間明顯有一個錯位(標記在扭轉力試驗之前是重合的)。表4顯示的是3只試品經過扭轉力試驗之后,再進行拉伸破壞負荷試驗的結果。從表4可以看出,3支試品的拉伸破壞負荷都超過了額定值,沒有出現明顯的機械性能下降現象。實際上,長棒形懸式瓷絕緣子由于其端部金具設計為錐形,在鉛銻合金膠合劑松動之后膠合劑沒有脫離鐵帽,所以其端部結構仍然保持了很高的機械強度。這個試驗結果證明了長棒形懸式瓷絕緣子端部金具設計的合理性,同時也證明了鉛銻合金膠合劑的機械強度是可靠的。2.4拉伸試驗部分長棒形懸式瓷絕緣子在中國應用得不多,其瓷體的拉伸性能如何,受到普遍關注。西安電瓷研究所對廠家所提供的17只這種型號試品進行了型式試驗,在力學方面進行了拉伸負荷和拉伸破壞試驗。本文引用型式試驗報告中的力學拉伸試驗部分。廠家產品在進行出廠例行試驗時都要經受80%的拉伸負荷試驗(對于拉伸負荷標稱值為400kN的產品,其80%的拉伸負荷為320kN)。西安電瓷研究所的試驗表明:“17只樣品均經受了拉伸負荷320kN、持續時間60s的拉伸負荷試驗,樣品均完好”。西安電瓷研究所對17只試品中的14只做了拉伸破壞試驗,試驗結果表明長棒形懸式瓷絕緣子拉伸破壞負荷均超過其標稱值,最低為530kN,最高能達到762kN,一般在600kN以上,裕度很大。詳細的試驗數據可以參考西安電瓷研究所的報告。2.5機械強度長棒形懸式瓷絕緣子的端部連接是絕緣子機械安全的重要組成部分。傳統的盤式瓷絕緣子所用的膠合劑為勃蘭特水泥,但是勃蘭特水泥的膨脹易引起絕緣子失效。復合絕緣子無論內楔、外楔還是壓接式結構,其端部連接的制造質量均直接影響到整個絕緣子的機械強度。對于長棒形懸式瓷絕緣子,其端部連接的機械強度如何也是本文重點關心的問題。計算中取軸向拉力為其額定拉伸強度400kN。從圖13的鐵帽第一主應力云圖可以看出,其最大值為293MPa。鐵帽采用的材料是KTZ550-04型號的可鍛鑄鐵,其破壞應力為550MPa,大于293MPa。計算表明,鐵帽的機械強度是有保證的。從圖14的鉛銻合金第一主應力云圖可以看出,其最大值為42.7MPa。這種型號的長棒形懸式瓷絕緣子所用鉛銻合金中,銻質量分數為15%,目前文獻中并沒有查閱到這種合金的破壞應力。不過查閱文獻可知,銻質量分數為6%的鉛銻合金的破壞拉應力為47.8MPa,銻質量分數為8%的鉛銻合金的破壞拉應力為52.0MPa,均大于42.7MPa,而且銻質量分數量越高,其破壞應力越大。計算表明,鉛銻合金的機械強度滿足要求。3長棒形懸式瓷絕緣子扭轉力試驗從前述試驗和計算可以看出,長棒形懸式瓷絕緣子的破壞應力取決于傘裙根部的最大應力,這一點已經被眾多試驗和計算所證實。但是由此計算出的最大應力卻大于破壞應力,即瓷件的應力還沒有達到計算值,瓷件就已經破壞了,這方面的進一步研究還需要結合破壞應力學的相關成果。長棒形懸式瓷絕緣子的扭轉力試驗是以前沒有做過的,試驗雖然僅用3個試品,但是已經能夠說明一些問題。首先,扭轉力能夠破壞的是端部瓷件的結構,3個試品的鉛銻合金膠合劑都被扭轉力作用得松動了。然后,瓷件在受到扭轉破壞之后,其拉伸破壞負荷沒有明顯下降,而且破壞形式既有端部破壞的,又有瓷體破壞的,這一點是出乎意料之外的,也是今后可以進一步研究的領域。4拉伸破壞負荷1)計算和試驗表明,長棒形懸式瓷絕緣子能夠承受帶電作業時