盆式绝缘子力学性能测试及分析

吴昱怡，王承玉，陈 允，崔博源

（中国电力科学研究院，北京 100192）

盆式绝缘子力学性能测试及分析

吴昱怡，王承玉，陈 允，崔博源

（中国电力科学研究院，北京 100192）

为研究252 kV盆式绝缘子的力学性能，对盆式绝缘子进行重复水压试验和水压破坏试验，利用电阻应变测量技术实测其变形情况。研究发现，重复加载的压力值在3.0 MPa以内，盆式绝缘子的应变变化与受到的外力呈线性，且卸载后盆式绝缘子可恢复到初始状态；根据实测结果分析盆式绝缘子凹面受到压力作用时凸面的应力分布规律，弧线段末端为应力集中区域；盆式绝缘子的应变是外加载荷和内应力的共同作用，内应力过大对盆式绝缘子整体的强度有一定影响。

盆式绝缘子；力学性能；应力应变；水压试验

0 引言

盆式绝缘子是GIS重要的绝缘件，连接着设备不同电位的元件使其相互绝缘并为各元件提供强有力的支撑，有时还担负着隔离各个气室的安全屏障作用[1-4]。盆式绝缘子在GIS中用量很大，近年来，因力学性能欠佳造成的破裂故障时有发生，严重影响GIS的整体运行[5-9]。

盆式绝缘子安装于中心导体和壳体之间，承受着部分金属导体重量；同时承受着高压SF6气体产生的压强；安装、检修等工况下盆式绝缘子可能仅单面受压，其两边的气体压力差远大于正常运行时的压力；各种复杂的受力情况加之制造过程中产生的残余应力，多种因素的共同作用容易导致盆式绝缘子变形甚至破裂。盆式绝缘子结构不同于常见的简单构件，受力时内部应力也较复杂，研究盆式绝缘子上的应力分布规律有利于找出结构设计的薄弱部位，为盆式绝缘子结构的优化提供思路。

国内外对盆式绝缘子的研究多集中在电学性能，只有少量文献分析了影响盆式绝缘子水压强度的因素及水压试验破裂趋势[10-11]，盆式绝缘子上的应力分布规律更是鲜有研究。本文利用动静态测试系统对水压试验过程中盆式绝缘子上不同部位的应变变化进行实时观测，得到盆式绝缘子承受压力时应力应变分布规律。从提高机械强度的角度为盆式绝缘子的优化设计提供了理论依据和试验基础。

1 测试系统

1.1 水压试验

一般通过水压试验来研究盆式绝缘子的力学性能。采用如图1所示的工装，选用252 kV电压等级的盆式绝缘子，安装时盆式绝缘子凹面向下，外法兰固定在工装上。盆式绝缘子凹面及工装底座内部注满水，采用加压装置以不超过400 kPa/min的速率均匀升压。盆式绝缘子设计压力为0.75 MPa，例行水压试验中，用水泵加压至设计压力的两倍（1.5 MPa）并保压一段时间，合格的盆式绝缘子应保持不破。水压破坏试验中，对盆式绝缘子匀速缓慢升压直至破坏，破坏瞬间水泵顶端水压表的读数即为盆式绝缘子的破坏强度。

图1 盆式绝缘子及水压试验工装Fig.1 Basin-type insulator and water pressure test device

水压试验过程中，盆式绝缘子凸面为正常大气压力状态，凹面承受着不断上升的水压。材料受到外力作用整体不能产生位移时，其几何形状及尺寸被迫发生变化，这种形变称为应变（Strain）。发生形变时材料内部产生了与外力大小相等但方向相反的反作用力，内力在一点的集中度为该点的应力（Stress）。材料应力应变关系取决于材料本身的性质[12]。

随着水压增加，盆式绝缘子表面不同部位所承受的外力大小并不相同，我们通过测量不同部位产生的形变，根据材料的应力应变关系换算出该部位承受的相应应力[13-14]，可得盆式绝缘子承受压力时凸面的切向应力分布规律。

1.2 应变测量方法

盆式绝缘子的表面应变测量采用电阻应变计法，电阻应变片变形时，其阻值将会发生变化，应用电阻应变仪可测定电阻应变片的应变值[15-17]。试验用到BX120-5AA型号的单向电阻应变片及BX120-5BA型号的直角双向电阻应变片，初始电阻值均为120 Ω。试验所用应变仪为TST3827动静态应变测试分析系统，最高采样频率200 Hz，最大测量范围30 000 με，满足试验要求，配备有应变信号采集分析软件。

水压试验前预先在盆式绝缘子表面（凸面）粘贴应变片，将应变测试导线接入应变测试分析系统。应变测试分析系统可以实时测量并记录水压增大过程中盆式绝缘子表面的应变值变化。

2 水压试验及数据分析

2.1 盆式绝缘子重复水压试验

2.1.1 试验过程

对盆式绝缘子进行重复加压，并逐渐增加每次试验的最大水压值，用单向应变片测量各部位的径向应变，找到盆式绝缘子拉伸时的弹性范围。

应变测试布点如图2所示，1～12为测点位置编号；3-4、4-4等为该测点所占用的仪器通道号，即部分测点设有两组测量通道，第二组通道对应的应变片晚于第一组通道粘贴，将两组通道测量数据进行对比，排除应变片本身误差。

图2 重复试验应变测试布点示意图Fig.2 Measure point of repeated water pressure test

安装盆式绝缘子后，通过水泵均匀缓慢升压。第一次试验水压加压过程为：0→0.75 MPa→1.5 MPa，水压增加到1.5 MPa并保压一段时间后，卸载压力；进行第二次加压过程：0→0.75 MPa→1.5 MPa→2.0 MPa，为测试盆式绝缘子的弹性拉伸范围，每次重复试验最大水压值增大0.5 MPa。如此循环，直到盆式绝缘子破裂或应力应变趋势出现明显变化。

2.1.2 试验数据分析

应变测试分析采集了试验过程中盆式绝缘子表面各测点的应变数据。选择测点6的数据，对水压重复试验的测试结果进行分析。表1列出了盆式绝缘子七次重复试验中，水压值缓慢增大时测点6的位置径向应变值。

利用表1中的数据作图，反映出各次试验中不同水压下测点6应变测量值的分布，如图3所示。

表1 测点6位置测量所得应变值Table 1 Strain value of point 6

图3 测点6应变值Fig.3 Strain value of point 6

由图3可见，前四次试验中同一水压强度下测点6位置的应变值非常接近，第五次试验数据偏离前四次的测量值较远。第四次最大水压为3.0 MPa，水压强度为0～3.0 MPa的范围内，同一位置同一水压强度时应力值基本相同。盆式绝缘子凹面施加的外加载荷在较低的范围内，凸面不同部位的应力分布情况保持不变，且在外界作用消除时盆式绝缘子能恢复未受压的原始状态，具有较好的弹性。

求取同一水压强度下前四次试验结果平均值并连线，得到图4所示结果。应变平均值变化成线性，随着水压的增大测点6位置的应变值均匀地增加，其应变变化与水压强度成正比例关系。其余测点的应变也与水压成线性关系，在一定范围内，盆式绝缘子对外界载荷具有较好的线性响应。

图4 测点6前四次应变平均值Fig.4 Strain average value of point 6

综合以上分析，当盆式绝缘子承受的外界载荷较小时，盆式绝缘子具有线弹性特征：水压重复增大过程中，各局部区域受力的分布规律不变；高分子环氧树脂材料的线性弹性体特征在盆式绝缘子中得以体现。

图5为第五至七次试验测点6的应变值随水压变化曲线。当水压值增大到3.0 MPa以后，第七次试验应变曲线明显向上弯曲，水压每增加0.5 MPa，应变值增大量明显增多，盆式绝缘子的变形不再具有线性特征。第六次和第七次的应变变化曲线出现明显交叉，盆式绝缘子未能恢复初始状态。

图5 测点5、6应变值比较Fig.5 Strain value of point 5&6

为了进一步分析盆式绝缘子力学性能变化的原因，比较第五至七次试验中测点6及其邻近测点5的应变值。测点5所在区域的应变值远小于测点6区域，环氧树脂材料处于弹性拉伸范围，水压大于3.0 MPa时，测点5的应变变化曲线也出现了向上弯曲的现象，水压—应变曲线不再是斜率不变的直线，水压较大时盆式绝缘子上受力分布规律发生了变化。

应力是材料单位面积上受力的集中体现，包括内应力和外应力：外应力指外加载荷引起的力，与水压值及构件形状有关；内应力指无外界作用时物体内部仍保留的力，它在物体内形成一个平衡的力系，使物体保持一定的形状，一般由材料本身引起。物体受静载时可以将内应力作为一个叠加在外力作用上的预加载荷分析。构件变形是外部作用力与残余内应力交互作用的结果[18-19]。当叠加应力接近材料弹性极限时，残余内应力开始松弛，构件内应力分布会发生变化。

盆式绝缘子的内应力主要是在环氧树脂体系经高温固化和冷却至室温的过程中，由于体积收缩等原因产生的。在粘贴电阻应变片之前，盆式绝缘子就有一定的内应力，电阻应变片的测量值是水压的加载造成的应变变化。在水压较小时，内应力保持不变，盆式绝缘子应变变化和水压变化是成正比的。水压超过3.0 MPa后，外加水压仍均匀上升，应力集中部位的内应力和水压载荷作用之和接近弹性极限，内应力分布变化，整体看来盆式绝缘子应变变化和水压之间的线性关系发生了变化。

2.2 盆式绝缘子水压破坏试验分析

2.2.1 试验过程

为测量盆式绝缘子整体应力分布情况及破裂时的极限情况，对盆式绝缘子进行水压破坏试验。

试验中共布置了10个测点，如图6所示，盆式绝缘子为轴对称结构，将测点1-4和测点2-8沿两条半径等距分布，测点9、10与测点4、8距离圆心距离相等。本次试验中使用的是直角双向应变片，可同时测量测点位置的周向应变和径向应变。

图6 水压破坏试验应变测试布点示意图Fig.6 Measure point of failure water pressure test

安装盆式绝缘子后，用水泵对其加压。当压力达到盆式绝缘子设计压力的整数倍（0.75、1.5、2.25……MPa）时，保压一段时间。采集此期间盆式绝缘子表面应变数据。

2.2.2 试验数据处理

运用线弹性力学分析环氧树脂材料的应力-应变关系。根据虎克定律，应力与应变之间的线性关系为：

式中：E为拉伸弹性模量（tensile elastic modulus）。

高分子复合材料的弹性模量十分复杂，除了聚合物和填料本身性质外，填料的大小、形状、分布等因素也会影响弹性模量的大小。根据试样的拉伸试验，盆式绝缘子材料的弹性模量约为8 500 MPa，泊松比一般为0.33。

双向应变片测量得到的应变，可以采用下列公式[20-21]换算成主应力：

式中：εr和 εθ是测点的径向、 周向应变；σr和 σθ分别为径向、周向主应力。

水压均匀的施加于盆式绝缘子表面，和内应力的合力作用造成了切向方向的形变，计算造成该形变的力即可得到该点所受的应力。将计算得出的主应力按照从大到小排列为 σ1、σ2、σ3，换算为冯·米塞斯应力：

计算得出不同水压下各测点的等效应力值整理如表2。

表2 等效应力值Table 2 Equivalent stress value （MPa）

按照测试方案中的测点位置，选择沿同一条半径布置的测点1—4，绘出不同载荷下此半径上各测点的应力曲线图，如图7所示。

沿着盆式绝缘子凸面，各测点位置形变值随水压增加而增大，与实际情况相符。由图7可知：较靠近中心嵌件的测点1、2应力值均较小，这些测点位于结构弧线段的前半段，水压增加它们的应力值增大不多；从测点2至测点3段，应力值迅速增大，该段盆式绝缘子形状的弧度较大，应力变化明显。弧线段末端测点4应力值最大，随着水压增加，该区域受到的应力迅速增大。

图7 沿半径方向各测点等效应力分布图Fig.7 Equivalent stress value variation trend along radius

图8 盆式绝缘子轴截面示意图Fig.8 Section view of basin-type insulator

2.1.3 水压破坏试验测试结果分析

外界载荷作用时，结构中应力值最大的区域往往最先达到材料强度极限，导致结构的破坏。水压破坏试验中盆式绝缘子破坏时水压强度为4.0 MPa，破坏形态如图9所示，盆式绝缘子已分成两部分，应力值最大区域弧线段末端完全断裂。

图9 盆式绝缘子的破坏形态Fig.9 Failure shape of basin-type insulator

结构曲面变化最大点一般为应力较集中的区域，弯曲程度越大，应力越集中。承受同样的压力时，弧度大的结构应力分布更不均匀，应力集中区域更易断裂。材料强度一定时，整体较平缓的结构强度更高。

构件强度不足引发的失效大体分为两种，脆性断裂和塑性断裂。盆式绝缘子破坏时无明显的塑性变形，断面粗糙不平，且发生在垂直于最大正应力的截面上，具有脆性断裂的特征。当材料三个主应力中至少有一个为正拉应力时，最大的一个主应力称为最大拉应力，脆性材料的破坏多发生在最大拉应力达到强度极限时[22]。

盆式绝缘子大部分测点径向应变远大于周向应变，最大拉应力在径向。盆式绝缘子破坏是由应力集中区域受到的径向拉应力达到了环氧树脂材料的拉伸强度导致。径向拉应力是外加载荷和内应力的叠加作用，当接近弹性极限时，在应力集中区域因为内应力分布发生变化，载荷、局部应力、局部应变之间三者存在着复杂的非线性关系。

根据表7中应力集中区域测点4、8、9和10的应力值，盆式绝缘子破裂时该区域电阻应变片测量到的最大应力值约为55.23 MPa，主要体现了外在载荷的作用。内应力的存在会影响盆式绝缘子本身的强度，影响环氧树脂体系内应力的因素包括其自身结构和其他因素：如玻璃化温度、热膨胀系数、弹性模量、交联固化过程等[23]。

3 结论

对盆式绝缘子的机械力学特性进行了研究，利用动静态应变测量系统采集水压试验过程中的应变，分析了盆式绝缘子在水压试验过程的力学特性，得到以下结论：

1）试验表明，在水压较小时，盆式绝缘子整体具有较好的线性弹性，在3.0 MPa以下，盆式绝缘子可重复进行水压试验；超过3.0 MPa，盆式绝缘子的变形与外加载荷不再成正比，且卸载后因为内应力分布的变化，盆式绝缘子的应变变化不再具有可重复性。因此，在出厂试验中应合理考虑盆式绝缘子的例行水压试验强度值，252 kV盆式绝缘子采用2倍设计压力（1.5 MPa）留出了一定裕度。

2）盆式绝缘子凹面受压时，沿盆式绝缘子凸面，离嵌件近的部位受到的应力小，而离嵌件的距离越远，受到的应力越大。结构曲面变化最大点，弧线段末端处应力集中程度最高，此区域最易发生脆性断裂导致盆式绝缘子破坏。因此在结构设计时，应避免曲度过大，中心嵌件附近的厚度可以适当降低。

3）当水压较大，盆式绝缘子局部区域受到的径向拉应力超过环氧树脂材料的拉伸强度时，盆式绝缘子发生脆性断裂；拉应力是内应力和外加载荷的共同作用，过大的内应力将使盆式绝缘子整体的强度下降。

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Test and Analysis on Mechanical Properties of 252 kV Basin-Type Insulator

WU Yuyi，WANG Chengyu，CHEN Yun，CUI Boyuan
（China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

In order to study the mechanical properties of basin-type insulator，the repeated water pressure test and failure water pressure test on 252 kV basin-type insulator are performed，the deformation of the basin-type insulators is measured based on resistance strain measuring technology.It′s found that when the pressure is under 3.0 MPa，the strain of basin-type insulator is linear with pressure value，and basin-type insulator can restore to its original state when un-loading；it′s also summarized the stress distribution rule of basin-type insulator′s convex surface when its concave surface under pressure，the ends of arc segment is stress maximum area；the strain of basin-type insulator is co-action of applied loads and internal stress，when the internal stress is too large，it will have a certain impact on the overall strength of the basin-type insulator.

basin-type insulator；mechanical properties；stress strain；water pressure test

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.025

2016-04-12

吴昱怡 （1991—），女，硕士，主要从事高压开关设备绝缘件性能及试验的研究。

国家电网公司科技项目GY71-15-066，±200 kV直流开关设备用盆式绝缘子关键技术研究。