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2017 , Vol. 11 >Issue 11: 27 - 33

DOI: https://doi.org/10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2017.11.005

Original article

Experimental Study on Mechanical Properties of Ultra High Voltage Composite Post Insulators

  • Yue ZHANG , 1 ,
  • Qiang XIE , 1 ,
  • Chang HE , 1 ,
  • Ran ZHUO 2 ,
  • Bing LUO 2 ,
  • Yuxin LU 2 ,
  • Rong HU 3 ,
  • Bangxin SUN 3
Expand
  • 1. Tongji University, Shanghai 200092, China
  • 2. Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510663, China
  • 3. EHV Power Transmission Company, CSG, Guangzhou 510620, China

Received date: 2017-08-01

  Online published: 2026-01-11

Supported by

Fok Ying Tung Education Foundation for Young Scientists(114021)

Fold

Abstract

In order to study the mechanical properties of UHV solid composite post insulators, static lateral push test and dynamic property test are carried out. The strain at the bottom of composite post insulators, the force-displacement relationship, and fundamental frequencies before and after the failure are obtained by arranging strain gauges at the bottom of the post insulators, displacement transduces and accelerometers on the top of post insulators, respectively. It’s observed that the fractures on the metal flanges and the bond failure between the post insulator bar and the flange are the most common failure modes, and the fundamental frequency of the post insulators decreased significantly after its failure. The force-displacement relationship of the post insulator under lateral force can be divided into linear elasticity stage and elastic-plasticity stage. Except for the other parameters, the lateral load bearing capacity of the post insulators mainly depends on the height of flanges. Due to the higher bonding region and the better bonding effect, the insulator with a lager flange height will have a greater lateral load bearing capacity when other parameters of the post insulator bar are the same. For composite post insulator without reinforcement rib on the flange, the lateral bearing capacity of its components is different, and the bearing capacity of post insulator bar is higher than that of the flange and the bonding material.

Key words： composite post insulator; mechanical property; lateral push test; lateral stiffness; lateral load bearing capacity

Cite this article

Yue ZHANG , Qiang XIE , Chang HE , Ran ZHUO , Bing LUO , Yuxin LU , Rong HU , Bangxin SUN . Experimental Study on Mechanical Properties of Ultra High Voltage Composite Post Insulators[J]. Southern Power System Technology, 2017 , 11(11) : 27 -33 . DOI: 10.13648/j.cnki.issn1674-0629.2017.11.005

0 引言

地震发生后,电力系统的正常运转直接关系到灾后的重建工作和人们的生产生活。然而,地震灾害统计显示,电力系统中各类设备的抗震性能并不理想,与同时期的建筑物相比甚至存在明显劣势[13]。1994年美国Northridge地震,变电站受损严重,造成北美110万人用电中断,直接经济损失达数亿美元[45]。2008年汶川地震,瓷质套管大量断裂,高电压设备大面积损坏,造成电力损失负荷6 850 MW,严重影响到灾后的救援工作[56]。
变电站中的大多数设备都由绝缘子或套管进行支撑,因此绝缘子在地震时的可靠性对变电站整体抗震性能至关重要。目前,应用最为广泛的是陶瓷绝缘子,近几年,特高压电网迅速发展,对于变电站及线路绝缘的机械性能有了更高的要求,因此复合绝缘子开始被大量使用。
众多地震灾害记录表明,变电站支柱类设备的破坏大多源于支柱绝缘子的断裂或损坏[56],而在此情况下,支柱绝缘子主要受到上部设备传递的侧向作用力。因此绝缘子的力学性能尤其是侧向荷载作用下的刚度及承载力是研究的关键点。2013年李西育等从统计学角度对特高压支柱瓷绝缘子的弯曲强度可靠性进行了分析,提出可通过提高法兰和水泥胶装结构的强度来提高元件可靠性[7]。2015年,刘朝丰等利用有限元模型对1 100 kV瓷套管进行了机械应力的仿真分析,得到了较为可靠的仿真模型和仿真方法[8]。郭浩、刘泽洪、Lars Klingbeil等通过对复合绝缘子和避雷器的研究,发现其耐污性能、强度、抗冲击性能均优于陶瓷绝缘子[911]。2009年A. M. Reinhorn等对空心复合支柱绝缘子进行了力学性能试验,试验指出其破坏模式主要有:下部法兰开裂、法兰与空心复合绝缘子管材的粘结失效以及靠近粘结部位的复合绝缘子管材破坏[12-13]等。2016年秦亮等人采用有限元法探究了管型母线连接的复合支柱绝缘子在地震作用下的力学性能[14]。目前针对实心复合支柱绝缘子力学性能的研究比较少,双层绝缘子芯棒的整体刚度、承载力以及和法兰之间的连接特性也缺乏详尽的参考数据。
为此,本文针对实心复合支柱绝缘子,通过静力侧推试验和动力特性测试研究其在侧向力作用下的基本性能,并为后续抗震性能评估提供基础。通过静力侧推试验过程中分析力与位移关系、力与应变关系,探究了复合支柱绝缘子结构在加载过程中的抗侧刚度变化及其原因;从试验结果中提取了试件的侧向极限承载力并讨论了其影响因素;从试验现象中总结了复合支柱绝缘子静力作用下的破坏模式。另外,加载过程中进行了多次锤击试验,通过基频的计算,得到了试件在试验过程中的动力特性变化。

1 试验情况

1.1 试件信息

本次试验构件采用直径为280 mm的实心复合支柱绝缘子,其主要由玻璃纤维环氧树脂芯棒和上下法兰构成,法兰材料为球墨铸铁,如图1所示。
图1 试验试件

Fig.1 Test specimen

复合支柱绝缘子芯棒分为两层,内层为拉挤工艺成型的玻璃纤维环氧树脂棒,直径180 mm,外层则是将浸渍液态环氧树脂的玻璃纤维以正反两个方向缠绕于内层上而形成的,缠绕时玻璃纤维与绝缘子轴线方向夹角为30 °。另外,绝缘子芯棒与两端法兰之间通过胶装材料粘结,绝缘子和法兰的详细参数如图2所示。
图2 支柱绝缘子和法兰详图

Fig.2 Detailing of the post insulators and the flange

试件共分为2组,A组为3根单段构件,B组为3根由两段绝缘子组成的构件。各试件的绝缘子芯棒完全相同,但法兰高度有所差异,其中试件B3的下法兰有加劲肋,试件具体参数如表1所示。
表1 试验支柱绝缘子的参数

Tab.1 Parameters of post insulators

组
别		 编
号		 试件高
度/mm		 下法兰
高度/mm		 中法兰
高度/mm		 上法兰
高度/mm
A A1 2 385 125 125
A2 2 410 150 125
A3 2 465 180 150
B B1 4 525 150 125+125 125
B2 4 960 180 180+180 150
B3 5 010 200 180+180 180

1.2 测试仪器和测点布置

试验采用卧式准静态加载试验机进行加载,其中伺服式液压千斤顶的量程为300 kN,最大行程为200 mm,加载装置如图3所示。
图3 A组绝缘子加载示意图

Fig.3 Test setup for insulator group A

本试验测点详细布置情况如图4所示。绝缘子芯棒上靠近下法兰处沿绝缘子轴线方向上下各布置一个应变片,对于B组试件,还在两段芯棒上靠近中法兰的部位上下各布置一个应变片;在试件端部法兰处布置一个加速度计,并通过锤击试验测定绝缘子频率,从而判定结构损伤;侧向力加载点处布置一个位移计,用以获得加载过程中的力-位移关系。
图4 测点布置图

Fig.4 Test points arrangement of post insulators

1.3 加载方案

本次静力试验采用单调加载,加载方案如表2所示。对于A组试件,分别加载到50%,80%,100%的额定弯曲负荷(specified cantilever load,SCL),然后卸载,最后再加载至破坏。对于B组构件,由于其长度较大,千斤顶的行程有限,只能加载至50%和80%的SCL。其中SCL数值由厂家提供,A组试件为80 kN,B组试件为40 kN。
表2 加载方案

Tab.2 Loading protocol

组别 测试类型 工况名称 工况编号 峰值力
A 锤击 A-IHT1 L1 —
侧推 A-PT050 L2 50%SCL
侧推 A-PT080 L3 80%SCL
侧推 A-PT100 L4 100%SCL
锤击 A-IHT2 L5 —
侧推 A-PT failure L6 破坏
锤击 A-IHT3 L7 —
B 锤击 B-IHT1 L8 —
侧推 B-PT050 L9 50%SCL
侧推 B-PT080 L10 80%SCL
锤击 B-IHT2 L11 —

2 复合支柱绝缘子的破坏现象

由于千斤顶行程限制,仅A组复合支柱绝缘子加载至破坏,破坏模式如图5所示。
图5 A组试件破坏情况

Fig.5 Damage to the post insulators of group A

试验发现,试件A1和A2的破坏均为法兰根部脆性开裂,同时伴随着胶装材料的撕裂破坏,但试件A1的胶装材料大范围严重撕裂,试件A2的胶装材料只是局部撕裂;试件A3的破坏仅有法兰根部的脆性断裂破坏,胶装材料完好。
结合表1中试件A1、A2、A3的下法兰高度依次为125 mm、150 mm、180 mm这一信息,可得如下结论:
1) 复合支柱绝缘子在侧向力作用下的破坏模式主要有法兰断裂及绝缘子芯棒和法兰之间胶装部位的粘结破坏两种。
2) 从现有试验结果看,法兰高度对于绝缘子的破坏模式有着显著影响。对于无加劲肋的直径为280 mm的复合支柱绝缘子,法兰高度达到180 mm时,复合绝缘子的极限承载力主要由法兰决定。
3) 试验中并未发现复合支柱绝缘子芯棒有撕裂、压碎等迹象,表明绝缘子芯棒可以承受更高等级的荷载,限制复合支柱绝缘子极限承载能力的主要因素是法兰刚度和胶装材料的高度(法兰高度)。

3 试验结果分析

3.1 侧推试验结果

对于侧推工况,试验过程中测定试件的位移值和应变值,卸载后测定试件的残余变形。各试件各工况下达到的最大位移、对应的残余变形和达到的最大应变值等结果如表3所示。
表3 侧推试验结果

Tab.3 Results of lateral push test

试件 工况名称 最大荷
载/kN		 最大位
移/mm		 最大/最小
应变/με		 残余
变形/mm
A1 A-PT050 40.0 38.3 -1 389/1 401 1.1
A-PT080 64.0 71.0 -2 533/2 466 5.2
A-PT failure 74.6 110.1 -3 096/2 389 22.3
A2 A-PT050 40.0 35.7 -1 455/1 453 0.9
A-PT080 64.0 61.1 -2 527/2 560 4.1
A-PT100 80.0 79.1 -3 102/3 011 8.2
A-PT failure 87.6 110.0 -3 506/2 525 20.5
A3 A-PT050 40.0 34.7 -1 499/1 502 0.8
A-PT080 64.0 57.2 -2 659/2 502 3.6
A-PT100 80.0 73.1 -3 199/3 005 7.5
A-PT failure 102.0 106.1 -3 972/2 511 19.2
B1 B-PT050 20.0 96.8 -1 447/1 496 2.8
B-PT080 32.0 194.0 -2 504/2 415 11.6
B2 B-PT050 20.0 93.9 -1 552/1 556 2.6
B-PT080 32.0 190.1 -2 584/2 518 10.1
B3 B-PT050 20.0 89.3 -1 592/1 587 1.7
B-PT080 32.0 175.2 -2 595/2 501 9.6

3.1.1 位移测量结果分析

根据试验测得的数据,本文给出了A组试件加载至破坏和B组试件加载至最大荷载值的力-位移曲线,如图6所示。
图6 侧推测试的力-位移曲线

Fig.6 Force-displacement relationship of lateral push test

从图6(a)的力-位移曲线及表1中的数据可以发现如下现象。
1) A组试件从开始加载至结构破坏整个过程中,初始阶段的力-位移曲线为线性增长,在荷载达到70%SCL左右时,试件开始表现出非线性,其中试件A1尤为明显。
2) A组试件均由一段绝缘子和上下法兰构成,不同之处在于法兰高度不同,其中下法兰的高度,从A1至A3依次增大,上法兰的高度,A1和A2相同,A3较大。
从法兰对于绝缘子芯棒的约束角度分析,法兰对于A1试件的约束最小,A2其次,A3最强。所以绝缘子的承载力表现为从A1至A3依次增大,相应破坏时的极限位移从A1至A3依次减小。这个结果表明,在绝缘子芯棒尺寸相同的前提下,法兰的高度的增大可有效提高复合绝缘子进入非线性阶段后的刚度以及其极限承载力。
类似地,从图6(b)的力-位移曲线及表1中的数据可以发现如下现象。
1) B组试件荷载从0加载至80%SCL过程中,试件的力和位移之间的关系基本保持为线性,这与A组试件在70%SCL之前表现为线性相吻合。
2) 对于试件B1和试件B2,试件B2的下法兰高度、中法兰高度、上法兰高度均较试件B1高出17%左右,且两个试件的下法兰均无加劲肋,但二者曲线比较接近,其中B2曲线斜率稍大于B1;对应观察A组试件在前50%SCL阶段的曲线可知,A组试件在线性阶段的斜率也基本一致。
3) 对于试件B3,其下法兰高度比B2高10%,中法兰高度与B2一致,上法兰高度比B2高17%。若不考虑试件B3下法兰的加劲肋,其力-位移曲线应与B1、B2的曲线接近,但图6(b)显示试件B3的曲线斜率明显比另外两个试件斜率更大。
上述现象说明,对于法兰无加劲肋的复合绝缘子,当结构在线性阶段时,其刚度主要由绝缘子芯棒提供,故在芯棒尺寸完全相同时,法兰高度变化对侧向刚度影响较小。而如果在法兰上增加加劲肋,则绝缘子在线性阶段的刚度会有一定提高。

3.1.2 应变测量结果及误差分析

将测得的纵向应变与侧向荷载值的关系绘制成力-应变曲线如图7所示,结合表3可以得到如下现象。
图7 试件A2和B1侧推试验的力-应变曲线

Fig.7 Force-strain relationship of lateral push test of test specimen A2 and B1

1) 侧推力在0~80%SCL范围内时,绝缘子芯棒的受压侧和受拉侧应变数据基本一致。
2) 当侧推力超过80%SCL后,受压侧的应变比受拉侧应变略大。
3) 当试件到达破坏阶段,受压侧的应变值明显大于受拉侧的应变值。
上述现象说明,在线弹性阶段复合支柱绝缘子截面的应变分布比较均匀。进入非线性阶段后,由于受拉侧胶装部位开始被撕裂,并导致绝缘子的脱出,使绝缘子受拉侧应变增长变缓,而试件承受的荷载仍在逐渐增大,因此绝缘子受压侧的应变显著增加,绝缘子中性轴向受压侧转移。
为了进一步判断试验应变测量的准确性,根据试验方案将试件A2及B1按其参数简化为悬臂梁,具体参数如表4所示,其中的材料弹性模量等数据均通过材性试验获得,截面尺寸参数如图2(a)所示,且本简化计算只考虑复合支柱绝缘子的芯棒截面。通过该悬臂梁计算得到受压侧S1应变测点处所对应的理论应变值,并与试验实测的S1处应变值进行对比,从而得到了应变测量误差,具体结果如表5所示。
表4 试件A2和B1对应简化悬臂梁参数

Tab.4 Parameters of simplified cantilever beam for A2 and B1

试件 总高度
/mm		 应变片到加载
点距离h/mm		 绝缘子内层弹
模E内/GPa		 绝缘子外层弹
模E外/GPa
A2 2 410 2 260 53.95 19.63
B1 4 525 4 375
表5 试件A2和B1的应变测量值误差

Tab.5 Strain measurement errors of A2 and B1

试件 荷载/kN 弯矩M/
(kN·mm)		 理论值/με 实测
值/με		 测量
误差/%
A2 8 18 080 -329.10 -311 -5.50
16 36 160 -658.20 -647 -1.70
24 54 240 -987.30 -961 -2.66
32 72 320 -1 316.41 -1 286 -2.31
40 90 400 -1 645.51 -1 637 -0.52
48 108 480 -1 974.61 -1 993 0.93
56 126 560 -2 303.71 -2 365 2.66
B1 4 17 500 -318.86 -332 4.12
8 35 000 -637.71 -726 13.84
12 52 500 -956.57 -1 017 6.31
16 70 000 -1 275.42 -1 376 7.88
20 87 500 -1 594.28 -1 746 9.51
24 105 000 -1 913.13 -2 112 10.39
28 122 500 -2 231.99 -2 492 11.64
32 140 000 -2 550.84 -2 894 13.45
从表5中可以发现,试验测得的试件A2和B1的应变值与理论应变值之间的误差均保持在10%左右,且其余试件的误差情况与上面类似,说明本试验应变测量结果可靠,可用于进一步分析。

3.2 锤击试验

为测定复合支柱绝缘子在各工况下的基频,以探究是否出现结构性损伤,进行了锤击试验。对于A组试件,分别在加载前进行第一次锤击试验,在100%SCL卸载后进行第二次锤击试验(试件A1除外),在试件破坏后进行第三次锤击试验。试验时采用软木锤在上法兰上靠近绝缘子芯棒的位置敲击,以避免对加速度传感器造成过大的冲击。限于篇幅,本文仅绘制了试件A3的三次锤击试验所得的加速度时程图以及其对应的归一化傅里叶幅值谱,如图8所示。对于其他试件,在表6中给出了锤击振动时程对应的傅里叶幅值谱得到的一阶和二阶频率。
图8 试件A3三次锤击试验加速度时程及对应傅里叶幅值谱

Fig.8 Acceleration time history and Fourier amplitude spectrum of three Impact hammer tests of specimen A3

表6 锤击试验结果

Tab.6 Results of hammer impact test

工况
名称		 一阶频率/Hz 二阶频率/Hz
试件A1 试件A2 试件A3 试件A1 试件A2 试件A3
A-IHT1 17.43 17.42 17.07 119.21 116.70 115.10
A-IHT2 16.68 16.49 117.71 111.90
A-IHT3 15.30 15.09 12.87 113.12 110.13 96.00
试件B1 试件B2 试件B3 试件B1 试件B2 试件B3
B-IHT1 5.15 4.88 4.96 29.34 28.16 27.85
B-IHT2 5.09 4.85 4.91 29.08 27.83 27.58
从表6的数据可总结以下现象。
1) 复合支柱绝缘子在加载至100%SCL时,结构一二阶频率略微降低,加载至构件破坏后,结构频率发生明显降低。
2) A1、A2、A3试件在同一个锤击工况下的频率结果比较接近,最大差值为2.1%,且一二阶频率按A1、A2、A3的顺序递减。
3) B组试件的规律与A组试件基本一致,且3个试件频率数值的差值比A组大,最大差值为5.5%。
分析上述现象,对于A组和B组试件,一方面,随着编号的增大,法兰高度增加,法兰与绝缘子芯棒的粘结增强,结构刚度有所提高,故频率应呈递增趋势;另一方面,随着法兰高度增加,试件的长度和质量递增,故结构频率应呈递减趋势。但从实际测得的试件频率按A1、A2、A3(或B1、B2、B3)的顺序递减这一结果来看,法兰高度增大所导致的结构高度和质量递增比法兰高度增大所引起的绝缘子和法兰之间胶装部位的粘结增强对于结构频率的影响更为显著。

4 结论

通过对特高压复合支柱绝缘子的侧推试验以及动力特性测试,主要得到如下结论。
1) 对于无加劲肋的复合支柱绝缘子,其破坏模式主要是法兰的根部脆性开裂和法兰与绝缘子芯棒胶装部位的粘结破坏。
2) 在绝缘子芯棒尺寸相同的条件下,复合支柱绝缘子的抗侧刚度与法兰高度成正相关。法兰高度越大,其与内部绝缘子胶装高度越高,且粘结效果越好;同时法兰包裹在绝缘子外围,使该部分截面增强,因此结构抗侧刚度越大。在法兰上增加加劲肋也可提高绝缘子在线性阶段的抗侧刚度。
3) 在线弹性阶段,复合支柱绝缘子芯棒截面上的应变分布均匀,进入非线性阶段后,将出现应力重分布现象,受拉侧脱出,受压侧应变显著增加,中性轴向受压侧转移。
4) 在支柱绝缘子的设计中,在保证绝缘高度的前提下,应适当增大法兰高度,以提高绝缘子高度和侧向承载力。
5) 在绝缘子材料选择上,应注意胶装材料的粘结强度,可设计规定流程进行胶装材料的性能检测,从而为绝缘子侧向承载力计算提供参数。

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