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复合绝缘子的机械强度与蠕变特性

来源:网络    发布于:2012-4-3 9:10:37    点击:128    品牌:登瑞电气    【进入产品中心

复合绝缘子重量轻、防污性能好、防人为破坏性能强等优点,日益得到用户的欢迎,在城农网改造工程中成为绝缘子行业的主力军。作为绝缘子主要应具备两项根本的要求,即外绝缘性能和稳定的力学性能,二者同样重要,缺一不可,因而研究复合绝缘子的力学性能是我们进一步拓展复合绝缘子市场的重要一环。复合绝缘子的外绝缘由硅橡胶来提供,其机械负荷主要由内部的玻璃纤维引拔棒提供,同时涉及到金具与玻璃纤维引拔棒的连接。因此对复合绝缘子力学性能的研究分析,是安全运行的关键。

1 端部金具连接结构与芯棒利用率

复合绝缘子主要靠单向玻璃纤维增强的树脂引拔棒(俗称芯棒)来承担机械负荷。玻璃钢引拔棒*突出的性能特点即很高的拉伸强度和比强度。引拔棒中的玻璃纤维沿轴向承载方向的顺向排列,使其具有很高的轴向拉伸强度,一般可达1000 MPa以上。因而直径仅18 mm的引拔棒,其拉伸破坏强度即可达到250 kN以上。又由于引拔棒的密度一般只为2.0 g/cm3,因而其比强度(拉伸强度与重量之比)为优质碳素结构钢的56倍。引拔棒的高强度、高比强度的特点,正是复合绝缘子强度高、重量轻、杆径细的基础。

虽然复合绝缘子完全依靠玻璃纤维引拔棒来承担机械负荷,然而芯棒的强度并不等于复合绝缘子的强度,这是因为芯棒必须通过绝缘子的端部附件传递负荷,才能与输电线路的杆塔及导线相连接。而端部连接处必然是机械应力*集中的地方,不同的连接结构也会导致不同的应力集中程度,因此复合绝缘子的机械强度实际上更多地不是取决于芯棒的机械强度,而是其端部连接的机械强度,也就是芯棒的利用强度。采用同样芯棒而不同连接结构的复合绝缘子,其机械强度是不同的,因此对芯棒的利用强度是不同的。

国内外复合绝缘子按照连接结构划分,主要有楔接式和压接式两类,目前以压接式为主要采用形式。压接式生产自动化程度高,外形尺寸小,简洁美观,无论是金具加工还是压接配合都较简单、清晰。从试验效果和运行后的抽检可以看出,连接效果很好。压接式连接区对芯棒和金具的尺寸精度、压接时芯棒损伤程度的探测、金具镀锌层质量等都有很高的要求。压接式属于非自锁性结构,必须完全靠预压力产生的金具塑性变形来抵御运行中可能出现的任何滑移,而且由于芯棒与金具的热膨胀系数有较大差异,低温时芯棒尺寸的收缩比金具大,从而要求在压接生产过程中施加足够的预压缩力,以保证在低温环境下金具中仍有足够的压缩量。高温时芯棒尺寸的膨胀又比金具大,从而加大了内应力,为解决这个问题,我们采用国内外*较好的声发射探测的压接工艺,效果良好。

楔接式连接结构有内楔和外楔之分,都是利用自锁原理。外楔式接头由于运行效果不好,在运行中抽查发现了机械负荷明显下降的现象,从而被国内电力部门及生产厂家所遗弃。内楔式是在尾端开口的金具上采用正向打楔的装配工艺,同时控制压楔的位移量与压楔力,可以避免连接区在预拉伸负荷下的位移,实现较好的端部密封。而且内楔式属于自锁紧式结构,在长期的运行中,一旦遇到较大的冲击负荷或严重的低温等意外情况,芯棒产生微小的滑移时,自锁紧式结构可以保证芯棒重新夹紧。国内数十万只复合绝缘子采用这种结构形式,运行效果较好。但是由于该工艺破坏了芯棒,同时人为影响较大,生产成本高,工艺复杂,只有少数厂家采用。

2 复合绝缘子的机械强度与蠕变特性

瓷绝缘子的机械强度用机械破坏负荷一个参数就可以了,而复合绝缘子仅用额定机械负荷一个参数却不够,还需要加上机械强度的蠕变斜率来共同评价。

所谓机械强度的蠕变,就是当对复合绝缘子施加一个低于其短时破坏负荷的机械拉力时,复合绝缘子显然不会立即断开,但经过一定时间后,虽然该拉力一直恒定并未增加,但复合绝缘子却断了。施加的机械负荷越高,复合绝缘子所维持的时间就越短,施加的机械负荷越低,复合绝缘子所维持的时间就越长。比如在100 %的破坏负荷下,复合绝缘子在1 min左右就断了,在60 %的破坏负荷下,复合绝缘子至少能维持96 h以上才断,在40 %的破坏负荷下,复合绝缘子可以维持50年左右才断。这种机械强度随加载时间延长而下降的现象就是蠕变现象。

复合绝缘子存在机械强度的蠕变现象,是由于承担机械负荷的芯棒的复合结构造成的。在芯棒中所采用的无碱玻璃纤维直径约520 mm,而玻璃纤维所占体积达50 %70 %甚至更高一些。因而在直径18 mm的芯棒中就有上百万根玻璃纤维,这上百万根玻璃纤维是不可能同时断裂的。*先因为在复合绝缘子的连接结构中,不可避免的存在着应力集中问题,即在芯棒内部各点所受到的机械应力不同,在芯棒内部这上百万根玻璃纤维的状态也不同。有的纤维弯有的纤维直,即使芯棒受到的是宏观上均匀的拉伸负荷,这些纤维的受力状态也必然很不相同。再说这上百万根玻璃纤维本身的破坏强度也不会完全相同,即使受到相同的拉力,这些纤维也不会同时被拉断。基于以上分析,我们可以看到在复合绝缘子上施加一个低于其短时破坏强度的机械负荷时,绝缘子虽没有立即断裂,但芯棒内部的某些纤维由于受到超过其本身强度的负荷已经断了。这些断了的纤维原先承担的负荷只好转移给周围的纤维,从而加大了周围纤维的平均应力。若周围的纤维能够承担这些附加的负荷,则芯棒的内部破坏过程就停止了,若周围的纤维承受不了这些附加的负荷,芯棒的的纤维就继续断裂,需要更大范围内的纤维来承担。从而表现出断裂纤维逐渐增多,剩余纤维平均受力逐渐加大,芯棒的整体强度逐渐下降的蠕变现象。

玻璃纤维引拔棒的蠕变现象并不可怕,因为在负荷低于一定的机械负荷之下没有或极少有纤维断裂,蠕变过程就停止了。而设计过程中已经留下了足够多的裕度,芯棒的破坏强度很高,运行中绝缘子的日常机械负荷又很低,一般不足以引起芯棒的蠕变破坏。

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