李 婷，銀 樵

(1.西安西電避雷器有限責任公司，西安 710200;2.四川省水電投資經(jīng)營集團有限公司，成都 611130)

0 引言

隨著復合材料在電力電氣領(lǐng)域的發(fā)展[1-2]，復合絕緣子技術(shù)也經(jīng)歷了近50年的探索、研究,取得了豐富的運行經(jīng)驗，復合絕緣子作為瓷絕緣子的替代品，其各項優(yōu)越性逐步得到了廣大用戶的認可[3-6]。而空心復合絕緣子是20世紀80年代，主要為了解決SF6電氣設備外絕緣的污閃和爆炸事故而應運開發(fā)，國內(nèi)已有20多年運行經(jīng)驗，且應用范圍也越來越廣，已覆蓋各類電壓等級的交直流變電設備[7-9]。

空心復合絕緣子結(jié)構(gòu)3大部件：緊固裝置、絕緣管、傘套。緊固裝置即連接法蘭，傳遞機械負荷，絕緣管為玻璃絲(或布)浸漬環(huán)氧纏繞成型，是產(chǎn)品的內(nèi)絕緣部件，也是機械負荷的主要承力主體[10-11]。法蘭和絕緣管采用膠裝結(jié)構(gòu)連接[12]，連接區(qū)起著管和法蘭之間負荷的傳遞作用，因此空心復合絕緣子機械強度除了取決于各部分材料本身的強度和管壁厚外，還與膠裝結(jié)構(gòu)的設計有很大的關(guān)系[13-16]。目前國內(nèi)空心復合絕緣子膠裝結(jié)構(gòu)沿襲了20世紀90年代的設計理念，膠裝時采用高溫環(huán)氧膠合劑。隨著近年來新工藝、新技術(shù)的不斷發(fā)展，以及市場競爭日趨激烈的環(huán)境下，如何發(fā)揮絕緣子機械強度最大化，研究膠裝結(jié)構(gòu)，即復合材料和金屬材料的粘接強度則成為重要的工作。

復合材料和金屬材料粘接強度主要體現(xiàn)在產(chǎn)品彎曲受力和內(nèi)壓力引起的軸向拉伸受力過程，根據(jù)設計經(jīng)驗，規(guī)定內(nèi)壓力不超過4 MPa，規(guī)定內(nèi)壓力作用下的軸向拉伸應力一般小于15 MPa，而內(nèi)壓許用應力一般為70 MPa,故本次研究，僅考慮彎曲受力且著重考核不同膠裝間隙、不同膠裝比下試品的機械性能，為優(yōu)化膠裝結(jié)構(gòu)，降低設計成本，提高產(chǎn)品性價比提供依據(jù)。

1 方案設計

1.1 試品準備

本次研究選用的絕緣管為環(huán)氧玻璃絲纏繞管，緊固裝置為ZL101A法蘭，與生產(chǎn)線產(chǎn)品選材無異。確定了兩種規(guī)格試品(內(nèi)徑/外徑×長度)：φ200/φ224×1 200，φ150/φ170×1 200。為了排除絕緣管材料本身的影響，試驗研究的試品同規(guī)格按批進行。

影響空心復合絕緣子機械性能的膠裝結(jié)構(gòu)因素主要有膠裝間隙和膠裝比[17]，對同一結(jié)構(gòu)高度，同一外形尺寸的同一批絕緣管，設定不同膠裝間隙：0 mm、0.8 mm、1.5 mm、3 mm；設定不同膠裝比：0.22～0.58，對試品試驗結(jié)果進行對比分析。

1.2 試驗條件及受力分析：

采用700 kN·m立式彎扭試驗設備進行試驗，試品垂直安裝，下法蘭牢固地固定，彎曲力施加于上法蘭頂部，如圖1所示。

圖1 彎曲試驗受力圖Fig.1 Bending test stress diagram

空心復合絕緣子彎曲負荷下的危險斷面為下法蘭上端面與絕緣管交接處，即圖1的A、B部位。頂桿傳遞負荷F1于法蘭上端部時，同時在C部位會產(chǎn)生作用力F2，使絕緣管在A部位承受軸向拉應力σ1，F(xiàn)1和F2共同作用，使絕緣管在B部位承受力F，B部位的絕緣管內(nèi)部不僅承受軸向擠壓應力σ2，同時承受F力作用下的環(huán)向剪應力。所以A部位和B部位是最可能發(fā)生破壞的部位。

若絕緣管的纏繞角(玻璃纖維的纏繞方向與軸向的夾角)越小，軸向拉伸應力就越大，環(huán)向擠壓應力就越小，即B部位先于A部位發(fā)生破壞，反之纏繞角越大，環(huán)向擠壓應力越高，軸向拉伸應力越低，則A部位先于B部位發(fā)生破壞。

本次研究僅考慮不同結(jié)構(gòu)因素對彎曲破壞負荷的影響趨勢，不過分細究試樣中絕緣管損傷的可逆與否，數(shù)據(jù)采集為設備直接輸出，判斷依據(jù)為肉眼、聽力和曲線分析。

試驗分析曲線選取“力—時間”曲線進行分析。

1.3 試驗方案

試驗分兩個階段進行，第一階段固定膠裝比，針對不同膠裝間隙對產(chǎn)品機械性能的影響進行研究，分別對0 mm、0.8 mm、1.5 mm、3 mm 4種間隙進行分析，每組試品3只。第二階段是根據(jù)第一階段的試驗結(jié)果而確定合理的膠裝間隙后，再對不同膠裝比與機械性能的關(guān)系進行試驗研究，設定最小膠裝比0.22，最大膠裝比0.58。

試驗參數(shù)確定：彎曲強度計算[18]公式：

(1)

式中，M管為彎曲力矩，F(xiàn)為彎曲破壞負荷，l為彎曲力臂(懸臂長)，d、D分別為絕緣管內(nèi)、外徑(見圖1)，[σ]為彎曲許用應力。

由式(1)可計算在某一機械負荷下的彎曲應力值σ：

σ=32D×F×l/π(D4-d4)

(2)

試驗初值擬定，考慮生產(chǎn)差異性，取許用彎曲應力50 MPa，代入式(1)，計算出彎曲破壞負荷初值F,根據(jù)試品初步擬定值,進行預試驗，從而確定每類絕緣管的規(guī)定彎曲破壞負荷。

試驗過程對試品最終的彎曲破壞負荷值和產(chǎn)品破壞前的曲線異常負荷進行記錄，并將負荷值帶入式(2)，計算每一負荷對應的破壞應力，作為試驗結(jié)果分析的依據(jù)。

考慮絕緣管和法蘭的材料特性，其彎曲破壞應力均大于100 MPa,而膠裝彎曲許用應力一般為75 MPa，因此將75 MPa作為膠裝區(qū)破壞應力的參考值。

2 試 驗

2.1 “力-時間”曲線分析

本次試驗研究曲線 “力-時間”曲線，橫坐標為時間軸，縱坐標為力值，曲線表明施加機械力隨時間變化的情況。整個試驗過程的力值曲線統(tǒng)計如下：

1)平滑曲線，無波動、無突變等異常，且曲線斜率一致，見圖2(a)所示。

2)異常曲線(見圖2(b)～(d))，存在波動、微小突變或明顯突變，甚至曲線斜率呈分段由高變低趨勢。

圖2 “力—時間”曲線Fig.2 The stress-time curve

膠裝結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧膠合劑作為復合材料和金屬材料的粘合劑，其破壞應力較其他兩種材料更低，在施加彎曲力過程中，為首先破壞點。其破壞形式表現(xiàn)為分層、潰裂，導致粘接失效或絕緣管拔脫?！傲Α獣r間”曲線出現(xiàn)波動或微小突變，是環(huán)氧層的微小異常而導致的施力頂桿的微跳動，盡管曲線斜率一致，但粘接環(huán)氧已出現(xiàn)了疑似破壞?！傲Α獣r間”曲線出現(xiàn)明顯突變或曲線斜率明顯由高變低時，粘接層已破壞或絕緣管已損傷。

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 第一階段

1)試品參數(shù)及試驗結(jié)果

試品D=224 mm，d=200 mm，l=1 090 mm，膠裝比0.4，確定規(guī)定彎曲破壞負荷為40 kN。試驗過程中全程觀察試品的外觀變化，尤其危險斷面處，關(guān)注過程中有無異響并結(jié)合力值曲線變化，判斷試品破壞狀態(tài)。

試品分類、破壞及曲線變化統(tǒng)計見表1。

表1 不同膠裝間隙的試品分類及破壞情況統(tǒng)計Table 1 Classification and damage statistics of test sampls with different binding clearances

續(xù)表1

2)結(jié)果分析

破壞狀態(tài)分析：所有試品破壞現(xiàn)象一致，見圖3所示。破壞位置均在下法蘭上端面(圖1中A、B部位)附近±10 mm范圍內(nèi)，與頂桿方位同側(cè)(即圖1中A部位側(cè))，受軸向拉應力而破壞，說明該批絕緣管的纏繞角度過大，軸向拉應力小于環(huán)向剪應力，結(jié)果符合1.2受力分析。

圖3 試品破壞圖片F(xiàn)ig.3 Sample damage pictures

破壞數(shù)據(jù)分析，見圖4～圖6：

圖4 不同間隙時絕緣管彎曲破壞應力Fig.4 Bending failure stress of tube with different clearances

圖5 不同間隙時粘接區(qū)彎曲破壞應力Fig.5 Bending failure stress in bonding zone at different clearances

圖6 不同間隙時不同部位平均彎曲破壞應力曲線Fig.6 Average bending failure stress curve of different parts at different clearances

則:

①間隙越大，不同部位彎曲應力均有下降趨勢，而粘接區(qū)強度下降最為顯著；

②間隙大于1.5 mm,粘接強度小于75 MPa，不符合要求；

③間隙為0 mm～0.8 mm，可得到最大彎曲應力，且應力值比較穩(wěn)定。

2.2.2 第二階段

1)試品參數(shù)及試驗結(jié)果

根據(jù)第一階段試驗結(jié)果，第二階段試品設計膠裝間隙為0 mm，為了豐富試驗數(shù)據(jù)，選用兩種規(guī)格(φ200和φ150內(nèi)徑)試品進行研究，對于A類試品D=224 mm，d=200 mm，設定規(guī)定彎曲破壞負荷為40 kN。對于B類試品D=170 mm，d=150 mm，預測量試品破壞負荷大于20 kN，設定規(guī)定彎曲破壞負荷為30 kN。試驗過程中全程觀察試品的外觀變化，尤其危險斷面處，關(guān)注過程中有無異響并結(jié)合力值曲線變化，判斷試品破壞狀態(tài)。

試品分類、破壞及曲線變化統(tǒng)計見表2。

表2 不同膠裝比的試品分類及破壞情況統(tǒng)計Table 2 Classification and damage statistics of samples with different binding ratio

2)結(jié)果分析

破壞狀態(tài)分析：所有試品破壞現(xiàn)象一致，破壞狀態(tài)同圖3，即破壞位置均在下法蘭上端面和與絕緣管交接處±10 mm范圍，與頂桿方向同側(cè)(即圖1中A部位側(cè))，受軸向拉應力而破壞。說明該批絕緣管的纏繞角度過大，軸向拉應力小于環(huán)向剪應力，結(jié)果符合1.2受力分析。

試驗數(shù)據(jù)分析：

從圖7、圖8和圖9可以看出：

圖7 不同膠裝比時絕緣管彎曲破壞應力Fig.7 Bending failure stress of tube with different binding ratio

圖8 不同膠裝比時粘接區(qū)彎曲破壞應力Fig.8 Bending failure stress in adhesive zone with different binding ratio

圖9 不同膠裝比時不同部位平均彎曲破壞應力變化曲線Fig.9 Average bending failure stress curve of different parts with different binding ratio

1)絕緣管彎曲強度隨膠裝比增加而增加，而粘接區(qū)強度最高值僅穩(wěn)定在中間某一比值段；

2)膠裝比低于0.32，大于等于0.5時，粘接區(qū)強度均小于75 MPa，不符合要求。

3 結(jié) 論

1)空心復合絕緣子彎曲試驗過程中總是膠裝粘接區(qū)首先破壞，膠裝粘接區(qū)的強度大小是影響產(chǎn)品的機械強度的主要因素。

2)影響膠裝強度的結(jié)構(gòu)設計中，膠裝間隙宜取0 mm～0.8 mm，膠裝比宜設定為0.32～0.41，且兩者應同時兼顧，才能發(fā)揮空心復合絕緣子機械性能的最大優(yōu)勢。