电网支柱瓷绝缘子的温度循环效应和断裂失效影响分析

赵洲峰 ，郭锋，赵峥，鲁旷达，付军

（1 国网浙江省电力有限公司 电力科学研究院，杭州310014；2 国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；3 武汉理工大学 交通学院 & 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430063）

电网支柱瓷绝缘子主要作用为机械支撑和绝缘［1］，通常认为恶劣低温环境［2］、陶瓷劣化、水泥劣化和金属腐蚀［3］、水泥中的二氧化硅和碱产生的凝胶侵蚀导致的水泥开裂［4］、胶装与安装工艺［5-7］是引起瓷件断裂主要原因.汪婷等［8］采用冷冻试验分析了不同温度下瓷套的机械强度，认为低温冷冻条件对电瓷材料的弯曲强度影响不大，但对水泥胶合剂服役性能影响较大.王博等［9］研究了瓷绝缘子在变温环境下的力学特性，发现在低温或者高温条件下，瓷支柱绝缘子不同介质的连接位置均会出现明显的应力集中现象.ZHANG E W 等［10］分析了热应力对绝缘子瓷套机械强度的影响和低温环境下瓷套断裂原因，认为陶瓷、水泥胶合剂的温度线膨胀系数差异是导致电瓷绝缘子瓷套断裂的重要因素.阎东等［11］分析了电瓷绝缘子实际故障时的风力影响，提出了较符合现场实际计算方法和风速、安全系数、风压等取值.张永涛等［12］对温度、温差对电瓷绝缘子服役状态的影响研究进行了综述，认为必须认真考虑温度对电瓷绝缘子服役性能影响.高千秋等［13］分析了胶装类电器瓷套各相材料在低温状态下的物理力学特性，重点分析了胶装用水泥胶合剂的低温膨胀机理，概述了瓷套组成材料的耐低温性能需求.张俊双等［14］对通过引入减水剂、引气剂和硅灰对水泥胶合剂性能进行改进，冻融循环试验结果表明抗压强度、抗折强度、体积变化率、残余强度试有明显提升.高博等［15］进行了冻融循环试验，研究其对绝缘子机械性能的影响，认为冻融循环试验后，水泥胶合剂性能出现明显的下降，导致绝缘子机械破坏负荷显著降低.

但工程实践表明：电网支柱瓷绝缘子在经历四季冷热循环以后，更易发生断裂损伤及事故.本文通过有限元仿真模拟电网支柱瓷绝缘子温度循环响应，结合室内温度循环观察胶装缺陷，并对照机械破坏试验探讨电瓷绝缘子断裂失效原因.

1 支柱瓷绝缘子室内试验分析

以某型电瓷绝缘子为例，选取3 支室内温度循环后观察胶装缺陷，然后进行机械破坏试验.对照组则选取另外3 支不经过室内温度循环试验，直接进行机械破坏试验.探讨温度循环及胶装缺陷对电瓷绝缘子断裂失效的影响.

1.1 温度循环试验

1.1.1 试验程序

试验时，冷水和热水的温差要保持在50 ℃.将胶装完成后完整的支柱瓷绝缘子先浸入冷水池中停留30 min，接着将其移出并快速放入热水池中，在热水池中也停留30 min，将这样的冷-热循环连续进行3次［16］，见图1.

图1 支柱瓷绝缘子温度循环试验Fig.1 Temperature cycling test of post porcelain insulator

1.1.2 试验现象

多次冷热循环处理后，水泥胶合剂有黄色痕迹出现，涂覆在水泥胶合剂表面的沥青层膨胀析出，现象如图2所示.

图2 温度循环试验后胶装区域外观现象Fig.2 Appearance phenomenon of glue-bonded area after temperature cycle test

1.2 机械破坏负荷试验

1.2.1 试品安装与负荷施加方式

连接在试验机上的推头通过在延伸件上施加推力，传递到支柱瓷绝缘子上使其承受弯曲应力，推头施加的负荷通过试品轴线，且与其垂直，如图3所示.

图3 支柱瓷绝缘子弯曲负荷试验Fig.3 Bending load test of post porcelain insulator

力臂升高处的弯曲负荷按式（1）计算：

式中：Px为力臂升高处的相应负荷；P0为在试品端面上施加的负荷；h为试品高度；x为力臂升高的高度.

1.2.2 试验结果

由图4、5 可见：在弯曲负荷作用下支柱瓷绝缘子均在下法兰连接处断裂，并迅速沿着断裂面向瓷柱内部扩展，直至完全破坏.图4中经过温度循环试验的试件，从断裂面可以观察到沥青缓冲层脱落缺失.

图4 温度循环试验后断面Fig.4 Section after temperature cycling test

图5 无温度循环试验断面Fig.5 Section without temperature cycling test section

该型号支柱瓷绝缘子规定试验力臂为4.8 m，破坏负荷为30 kN，6 支试品的失效形式均为瓷柱在下法兰连接处断裂，其弯曲负荷试验结果如表1 所示.由表1 可知：本次随机试验的6 支柱瓷绝缘子，大部分（5 支）满足弯曲负荷规定值，未做温度循环试验的3支试品全部符合要求.温度循环试验后，支柱瓷绝缘子的承载能力有明显下降趋势，其中1 号仅略高于规定的弯曲破坏负荷，3 号试品经温度循环试验后已稍低于规定值约0.37 kN.

表1 弯曲负荷试验结果Tab.1 Results of bending load test

2 有限元仿真模拟

在有限元仿真分析中，试验支柱瓷绝缘子模型如图 6，上下法兰表面施加位移约束［17］Uy=0，采用空气对流方式进行温度加载，空气对流系数［18］为62.3 W·m-2·℃-1，为考虑四季温度循环对应力的影响，选取热膨胀应力的参考温度为18 ℃.主要几何尺寸参数见表2.材料假定为连续均匀各向同性且处于线弹性状态［19］，性能参数见表3.

表3 主要材料参数Tab.3 Main material parameters

图6 几何模型及网格划分Fig.6 Geometric model and mesh division

表2 支柱瓷绝缘子主要尺寸参数Tab.2 Main dimension parameters of pillar porcelain insulation /mm

支柱瓷绝缘子外表面温度变化的原因主要是太阳的辐射、对流和热交换，其边界条件可表示为：

式中：F为有效辐射；αx为对太阳辐射的总吸收率；B为复合散热系数，取值见表4.

表4 复合散热系数BTab.4 Composite heat dissipation coefficient B

其中太阳辐射Q(t)计算简化［20］：

式中：m = 12/C，C 为日照时间；ω 为角速度；Q0为年平均最大太阳辐射，Q0= 0.131 mQd；t 为时间变量，规定早晨6点时t=0.

3 温度循环效应

3.1 夏季（日）温度效应

根据夏季当日的环境气温变化，考虑太阳辐射等温度转化量，结合式（2）、（3），可模拟出瓷绝缘子的日温度变化曲线，结果如图7（a）所示.陶瓷和水泥胶合剂为脆性材料，主要分析第一主应力σ1分布情况［21］.瓷柱和水泥胶合剂的应力分布情况见图7（b），瓷柱在其与上、下法兰底部的结合处在出现了明显的应力集中.图7（c）的曲线图中可见瓷绝缘子在夏季温度日周期下，瓷柱的第一主应力最大值为35.1 MPa，应力值超过了极限强度［22］（50 MPa）的2/3以上，最小值为3.26 MPa.水泥胶合剂第一主应力最大值为11.45 MPa，最小值为1.06 MPa.

图7 夏季代表性日温度与应力图Fig.7 Representative daily temperature and stress in summer

3.2 冬季（日）温度效应

冬季一天温度数据如图8（a）所示.瓷柱和水泥胶合剂的应力分布情况见图8（b），水泥胶合剂在与瓷柱结合的底部以及胶装高度附近内表面也出现了明显的应力集中.图8（c）的曲线图中可见在冬季日温度变化下，瓷柱的温度应力变化范围为38.41～54.7 MPa，瓷柱的应力最大值大于抗拉极限（50 MPa），且变化幅度为16.29 MPa，因此瓷柱在低温环境状态下容易产生温度裂缝.水泥胶合剂温度应力较瓷柱变化小，变化范围为12.21～17.44 MPa，超过了水泥胶合剂的极限强度，与多次冷热循环处理后的胶装水泥上的防水密封胶发生膨胀并析出现象吻合.

图8 冬季代表性日温度与应力图Fig.8 Representative daily temperature and stress in winter

3.3 夏季循环响应

气温日变化过程采用如下公式模拟［23］，其表达式为：

角速度，ω = 2π/24；t0为初相位，t = 0 时表示早上6：00，我国各地区的时间以当地时间为准.

在考虑有效辐射时，采用扩大气温振幅的方

式中：αx为瓷绝缘子对太阳辐射的总吸收率；Cf为有效辐射系数.

按式（5）并结合式（2）、（3），对夏季瓷绝缘子温度进行模拟.夏季晴天时有效辐射系数取值5.0，阴天时取值4.0，绝缘子瓷套辐射率取值0.9，下雨天不考虑太阳辐射.2020 年7 月绝缘子瓷套各时刻的温度变化模拟如图9所示.

图9 夏季瓷绝缘子温度三维示意图Fig.9 Three-dimensional schematic diagram of summer porcelain insulator temperature

由图10 可知：夏季高温时，瓷柱月最大应力平均值为35.04 MPa，月最小应力平均值为1.46 MPa，月应力幅为39.44 MPa.水泥胶合剂月温度应力平均值的变化范围为0.49～11.42 MPa.夏季瓷绝缘子温度较高，瓷柱和水泥胶合剂受热膨胀，故此时变形较大，雨天因不受太阳辐射的影响，环境温度较低，温度应力相对较小.

图10 夏季月循环温度应力Fig.10 Monthly cyclic temperature stress in summer

3.4 冬季循环响应

2020年1月绝缘子各时刻的温度变化模拟如下图11所示.

图11 冬季瓷绝缘子温度三维示意图Fig.11 Three-dimensional schematic diagram of winter porcelain insulator temperature

冬季月循环温度应力见图12. 由图12 可知：冬季低温时，瓷柱的月最大应力平均值可达45.22 MPa，接近于瓷柱的极限抗拉强度（50 MPa），强度储备仅剩9.6%.水泥胶合剂的月温度应力平均值的变化范围为9.44～14.41 MPa.

图12 冬季月循环温度应力Fig.12 Monthly cyclic temperature stress in winter

4 结构-沥青缓冲层缺陷耦合效应

由室内试验可知，电瓷绝缘子经历温度循环试验后沥青缓冲层严重缺失.实际运行中，瓷绝缘子经过温度疲劳荷载后沥青缓冲层也会发生老化缺失现象，如与其他结构荷载效应叠加，对电瓷绝缘子失效影响不容忽视.

有限元分析中瓷绝缘子底部采用全固定约束，加载方式采用等效加载，即电瓷绝缘子顶部施加机械破坏试验对应的集中力荷载，按式（1）等效到瓷绝缘子顶部施加的负荷为72 kN，有、无沥青膜时瓷柱第一主应力σ1分析结果如图13、14所示.

图13 有沥青缓冲层瓷柱σ1分布Fig.13 σ1 distribution with asphalt buffer layer

图14 无沥青缓冲层瓷柱σ1分布Fig.14 σ1 distribution without asphalt buffer layer

由图13、14可知：法兰口交界处是瓷绝缘子整体结构的薄弱环节，无沥青缓冲层时瓷柱最大应力为53.89 MPa，超过了瓷柱的极限抗拉强度（50 MPa），而有沥青缓冲层时瓷柱的最大应力44.33 MPa，处于安全范围之内.

5 结论

（1）支柱瓷绝缘子法兰口连接处经多次冷热循环试验后，胶装水泥出现微裂纹，沥青缓冲层也部分脱落缺失，支柱瓷绝缘子下法兰陶瓷与水泥、沥青界面处为薄弱环节.在结构荷载以及沥青缓冲层缺失共同作用下，瓷柱最大应力值可达53.89 MPa，相比于无缺陷时增大20%左右，超过瓷柱的极限强度，是电瓷绝缘子断裂失效的重要原因.

（2）有限元模拟分析结果表明：温度循环效应带来的夏季瓷柱应力最大值约为39.99 MPa，此时瓷柱的强度储备剩约20%.但冬季瓷柱所产生的温度应力在数值上远大于夏季，其平均值接近瓷柱的极限强度50 MPa，如受到其它外荷载同时作用，易发生断裂失效.

（3）改善水泥胶合剂与沥青缓冲层温度疲劳性能，可为增强支柱瓷绝缘子抗裂性能提供有益思路和可行性技术途径.