分析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

宋世欢　孙聪

摘 要：高压线路绝缘子在高压架空输配电线路上具有支持、绝缘以及悬挂导线等相关作用。高压线路中的绝缘子有着不同的类型。长棒形悬式瓷绝缘子是通过带伞或者不带伞的类似与圆柱形杆体的绝缘件以及在两端的胶装构件共同构成。因此，文章对其机械特性进行了简单的研究，获得了长棒形悬式瓷绝缘子可以满足线路耐张串的要求，具有良好的机械性能。

关键词：高压直流输电线路;耐张串;长棒形悬式瓷绝缘子;机械特性

长棒形悬式瓷绝缘子是一种不可击穿类的绝缘子，其维护费用相对较低，具有寿命长，可靠性良好的特征。而随着高压直流输电线路的发展，耐张串对绝缘子提出了较为严格的要求。分析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，可以为高压直流输电线路的应用提供有效的参考。

1.长棒形悬式瓷绝缘子静态荷载

长棒形悬式瓷绝缘的静态荷载是影响其机械特性的重要因素，其中最为关键的要素就是拉伸荷载、弯曲荷载、扭转荷载以及横向荷载几点：

1.1拉伸荷载

长棒形悬式瓷绝缘子在拉伸荷载作用之下并不会出现较大的变形，仍然在弹性范围汇总。对此，可以通过胡克定律分析芯棒应力。现阶段，要求长棒形悬式瓷绝缘子的机械拉伸强度要高于1300MPa。对此，静态拉伸荷载并不会影响其整体的机械强度。

1.2弯曲荷载

长棒形悬式瓷绝缘子在风力作用之下会出现不同程度的弯曲变形。而根据芯棒设计数据，芯棒受到压缩荷载作用影响出现弯曲，轴向的最大耐受压力以能力则为900MPa，因此，其具有良好的抗弯曲性能。

1.3扭转荷载

导线在舞动的时候会导致长棒形悬式瓷绝缘子出现扭转荷载。而长棒形悬式瓷绝缘子的绝缘子长度较长，具有较大的芯棒直径，则有利于降低扭转角度产生的应力影响。

1.4横向荷载

受到覆冰等作用之下，导致长棒形悬式瓷绝缘子会承受不同程度的横向荷载。例如，体重为1KN的工作人员在长棒形悬式瓷绝缘子上引动，而绝缘子芯棒中的应力极限则小于90MPa，其具有较强的承受力。对此，在线路运行中的均匀载荷以及集中载荷并不会影响其机械强度。

2.长棒形悬式瓷绝缘子有限元应力分析

2.1长棒形悬式瓷绝缘子模型

通过有限元软件进行有限元力学分析。在处理中构建模型相对复杂。通过绘制长棒形悬式瓷绝缘子模型，在有限元软件中导入。通过此种方式进行处理，在转换中不会丢失元素，有效的节省了建模时间。

在计算中为了简化计算，可以忽略铁帽两端中的耳朵，恒定轴向拉力则要在端部中。而瓷体材料是氧化铝高强度瓷，整体烧制，强度相对较高。

2.2集中力和轴向拉力作计算结果

应用与后面实验相同的集中力以及轴向拉力。在计算中根据最大运行张力不高于额定拉伸负荷的1/2.7作为安全系数，而400kN的瓷绝缘子其运行张力上限为400kN/2.7，也就是148kN。对此，绝缘子的两端中要施加的轴向拉力为148kN，要在其基础之上进行中部的集中荷载压力的施加。

通过计算分析可以发现瓷绝缘子的芯棒部分整体的应变分布相对较为均匀，其中间部分中的轴向应变变化为132*10-6.

进行均布力以及轴向拉力作用计算分析，其结果与集中力计算并没有显著的差异，均布力由0逐漸的增加到1.1kN，而其轴向拉力则始终保持148kN。

3.长棒形悬式瓷绝缘子力学试验验证

3.1集中力试验

进行集中力试验以及均布力试验中，主要应用两端轴向拉力通过1000kN卧式液压拉力机进行分析，传感器应用 BLR-1（500kN）。进行集中力模拟分析。

通过实验室的标准砝码进行抹水泥施工，根据伞裙尺寸制作铁罩，通过增加采钢筋的方式提升整体的稳固性。受到实验装置高度限制，铁板的悬挂高度具有限制，砝码的数量也有限，因此在实践中铁板在内中的集中力的最大可以增加为1.1KN.

在实验中应用了BX120-3AA型应变片。因为瓷绝缘子表面较为光滑，因此粘贴较为困难，在实验中只保留了上部的应变片。在弹性力学原理基础之上，试品上部位置上的应变量与下部的应变量相同，但是二者的趋势相反。

通过分析模型的计算值与实验值均较为接近，意味着无需分析绝缘子端部铁帽以及胶合剂，其对于中部伞根位置的计算并没有影响。在忽略铁帽的状况之下计算发现胶合剂计算值与试验值之间存在着较为显著差别。而出现此种问题主要就是因为忽略了铁帽以及胶合剂模的问题。

瓷体端部轴向应变会随着轴向拉力而出现一定的变化，而在整体上来说，计算值与实验值之间的差距符合标准要求。在弹性，力学角度分析，集中力的增加会压缩瓷体上部，减小应编制。在瓷体的下部具有增大的趋势，其变化量也是相同的。通过实验值以及计算值分析来说，1kN左右集中力并不会对绝缘子产生影响，而1.1kN集中力则会导致绝缘子轴向应变出现大概40×10-6的变化。

3.2均布力试验

通过实验室标准砝码进行模拟。通过施加148kN的轴向拉力进行实验，在实验中应变片位置与集中力试验中的位置相同。通过试验值以及计算值对比分析可以确定君不离对绝缘子并没有产生较大的影响。

3.3扭转力试验

扭转力试验中一共进行了3支试品的测试，通过分析可以发现3支试品破坏扭矩均达到了10kN？m，破坏形式均属于铅锑合金胶合剂松动的问题，且瓷体保持了完好，并没有受到无损。在实践中通过扭转力试验以及拉伸破坏负荷试验可以发现，其拉伸破坏负荷高于额定值，但是并没有出现显著的机械性能下降的问题。长棒形悬式瓷绝缘子的端部金具呈现锥形，即便是铅锑合金胶合剂松动了，胶合剂也不会与铁帽脱离，端部结构具有较强的机械强度。

3.4端部连接的机械安全

长棒形悬式瓷绝缘子端部连接是影响其整体机械安全性的关键因素。因为在复合绝缘子的内楔与外楔中均属于压接式结构，端部链接质量是直接强度的关键参数。将轴向拉力的额定拉伸强度设置为400kN进行试验，通过实验发现铁帽机械前度符合规范要求。

4.结论：

第一，试验计算分析，长棒形悬式瓷绝缘子可以有效的承受带电作业中施工人员施加的集中作用力。第二，长棒形悬式瓷绝缘子可以有效的承受覆冰以及风载荷等相关均布力。第三，其破坏扭矩高达10kN？m，具有较强的使用裕度。在扭转被破坏之后，长棒形悬式瓷绝缘子的拉伸破坏负荷还是可以保持在额定数值之上。第四，通过实验可以确定长棒形悬式瓷绝缘子可以有效的承受在60s中的80%拉伸负荷;并且其拉伸破坏负荷最低为530kN，最高数值为762kN，远远高于标准值，具有较强的裕度。第五，长棒形悬式瓷绝缘子通过实验分析确定了整体的静态力学特性可以有效的满足在高压直流输电线路中的耐张串要求;而在机械性能角度上分析可以应用。

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作者简介：

宋世欢（1984-），男，辽宁省大连市人，民 族：汉 职称：助理工程师，学历：大学专科。研究方向：瓷绝缘子研发设计。