趙 騫， 陳國(guó)宏， 李遠(yuǎn)山， 王 勇， 邢明軍

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601)

0 引言

瓷支柱絕緣子是電力設(shè)備中常用的一種重要結(jié)構(gòu)，能為電力設(shè)備提供支撐和抗彎曲能力，具有良好的絕緣性能，一般由金屬法蘭、瓷柱膠裝而成。瓷支柱絕緣子的力學(xué)性能對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。如果絕緣子的力學(xué)性能沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則在運(yùn)行期間極易發(fā)生絕緣子斷裂事故，進(jìn)而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如：2003年6月2日，山東濟(jì)南供電公司220 kV平陰站部分瓷支柱絕緣子斷裂，造成平陰站全站失電[1]；2007年7月30日，勝利油田220 kV九分場(chǎng)變電站13相南側(cè)刀閘瓷支柱絕緣子從中間法蘭連接處斷裂，并最終導(dǎo)致全站失電[2]。

通過(guò)對(duì)大量瓷支柱絕緣子斷裂故障案例進(jìn)行分析總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)瓷支柱絕緣子斷裂大部分發(fā)生在金屬法蘭和絕緣瓷件的結(jié)合部位[3]；斷裂原因主要為生產(chǎn)制造工藝不良[4]，安裝不當(dāng)[5]，運(yùn)行環(huán)境突變導(dǎo)致荷載變化等。從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，瓷支柱絕緣子斷裂的原因是絕緣子外部荷載超出其承載能力，所以采用力學(xué)研究方法探討其斷裂機(jī)理具有普適性。楊海濤等[6]采用有限元數(shù)值計(jì)算方法對(duì)高壓支柱絕緣子的斷裂機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出了瓷絕緣子斷裂模型。董云云等[7]對(duì)支柱瓷絕緣子裂紋進(jìn)行了數(shù)值建模計(jì)算，分析了瓷絕緣子表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋尺寸以及裂紋所在位置的變化規(guī)律，獲得了易導(dǎo)致斷裂的危險(xiǎn)裂紋尺寸和裂紋危險(xiǎn)分布區(qū)域。

水泥膠裝層填充在瓷質(zhì)本體和金屬法蘭之間，主要起膠結(jié)作用，是瓷支柱絕緣子的重要組成部分，其厚度分布情況即偏心程度直接影響絕緣子力學(xué)性能。本文針對(duì)瓷支柱絕緣子力學(xué)性能采用ANSYS進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，研究分析瓷柱偏心程度對(duì)支柱絕緣子承載強(qiáng)度的影響，期望得到外部荷載相同而偏心程度不同的支柱絕緣子應(yīng)力變化規(guī)律，為瓷支柱絕緣子設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型

瓷支柱絕緣子主要由起固定連接作用的鑄鐵法蘭，起絕緣和支撐作用的瓷件本體以及填充在兩者之間起膠結(jié)和過(guò)渡作用的水泥膠裝層組成。其偏心程度主要體現(xiàn)在水泥膠裝層的厚度及其分布情況不同上，研究偏心程度對(duì)瓷支柱絕緣子承載能力的影響核心就是研究水泥膠裝層厚度分布對(duì)絕緣子承載能力的影響。本文主要研究不同膠裝層厚度分布情況對(duì)絕緣子力學(xué)性能的影響，建立的絕緣子幾何模型如圖1。底部材料從外到內(nèi)分別為鑄鐵、水泥、陶瓷。其中水泥膠裝層的厚度分布情況根據(jù)不同模型而不同。幾種絕緣子幾何模型關(guān)鍵部位具體尺寸如表1。根據(jù)表1可知，模型1、模型2、模型3的瓷質(zhì)本體偏心程度逐漸增高。絕緣子不同組成部分材料性能如表2所示。

根據(jù)上述相關(guān)尺寸，建立瓷支柱絕緣子ANSYS模型并劃分網(wǎng)格。其中網(wǎng)格單元統(tǒng)一采用SOLID185單元，網(wǎng)格劃分采用自用剖分方式。具體網(wǎng)格單元如圖2所示。模型底部采用固定約束，頂部受X方向的均勻面荷載，大小均為1 000 kPa。

圖1 半個(gè)絕緣子幾何模型示意圖

表1 幾何模型關(guān)鍵部位尺寸

表2 瓷支柱絕緣子主要材料性能參數(shù)

2 模型1計(jì)算結(jié)果

本部分以模型1為例，荷載取方向?yàn)閄軸正向的均勻面荷載，計(jì)算分析瓷支柱絕緣子力學(xué)性能。圖3為瓷支柱絕緣子的位移云圖。從圖中可以看出，絕緣子各點(diǎn)位移從底部到頂部逐漸變大，與懸臂梁變形規(guī)律一致，頂部位移最大且最大位移值為1.01×10-6m。

圖3 模型節(jié)點(diǎn)X方向位移云圖

圖4和圖5分別是絕緣子數(shù)值模型第一主應(yīng)力云圖和第三主應(yīng)力云圖。由應(yīng)力云圖可以看出，在上述荷載條件下，絕緣子最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在瓷柱與水泥膠裝層接觸的部位，最大拉應(yīng)力為81.459 MPa，最大壓應(yīng)力為76.606 MPa。結(jié)果表明，在已知荷載情況下，金屬法蘭和絕緣瓷件的結(jié)合部位應(yīng)力最大，即瓷支柱絕緣子發(fā)生斷裂時(shí)最可能在此部位首先損壞。該結(jié)論與瓷支柱絕緣子實(shí)際斷裂情況一致。

從瓷支柱絕緣子數(shù)值計(jì)算結(jié)果看，通過(guò)數(shù)值仿真手段研究瓷絕緣子力學(xué)性能具有可行性及合理性。

圖4 第一主應(yīng)力云圖

圖5 第三主應(yīng)力云圖

3 膠裝層厚度分布對(duì)絕緣子力學(xué)性能的影響

通過(guò)本文第二部分的研究，可以認(rèn)為采用ANSYS能夠?qū)Υ芍е^緣子進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析。本部分針對(duì)不同膠裝層厚度分布情況對(duì)瓷支柱絕緣子進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，現(xiàn)將各模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，如表3所示。各模型水泥膠裝層位置及相關(guān)尺寸見(jiàn)表1。根據(jù)表1可知，模型1、模型2、模型3的瓷質(zhì)本體偏心程度越來(lái)越高。

由表3可知，瓷支柱絕緣子瓷質(zhì)本體偏心程度越高，最大拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的變化越大。壓應(yīng)力峰值最大增加了75%左右，拉應(yīng)力峰值最大增加了64%。對(duì)于一個(gè)已知的絕緣子而言，陶瓷的抗拉、抗壓強(qiáng)度固定且已知。同一荷載下，絕緣子的峰值應(yīng)力越大，說(shuō)明其承載強(qiáng)度越低，越容易出現(xiàn)瓷質(zhì)本體斷裂現(xiàn)象。

表3 不同偏心程度絕緣子最大拉壓應(yīng)力變化

4 結(jié)論

(1)基于有限元理論建立了瓷支柱絕緣子數(shù)值模型，分析計(jì)算了一端固定一端受均布荷載時(shí)瓷絕緣子的應(yīng)力分布情況，再次驗(yàn)證了通過(guò)數(shù)值仿真手段研究瓷絕緣子力學(xué)性能的可行性。

(2)通過(guò)對(duì)不同偏心程度絕緣子的數(shù)值模擬計(jì)算與分析，發(fā)現(xiàn)瓷支柱絕緣子的偏心程度越高時(shí)，其承載強(qiáng)度越低。為保證承載強(qiáng)度，瓷支柱絕緣子生產(chǎn)制造時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制瓷質(zhì)本體偏心程度。