趙洲峰 ，郭鋒，趙崢，魯曠達(dá)，付軍

（1 國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，杭州310014；2 國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 & 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430063）

電網(wǎng)支柱瓷絕緣子主要作用為機(jī)械支撐和絕緣［1］，通常認(rèn)為惡劣低溫環(huán)境［2］、陶瓷劣化、水泥劣化和金屬腐蝕［3］、水泥中的二氧化硅和堿產(chǎn)生的凝膠侵蝕導(dǎo)致的水泥開裂［4］、膠裝與安裝工藝［5-7］是引起瓷件斷裂主要原因.汪婷等［8］采用冷凍試驗分析了不同溫度下瓷套的機(jī)械強(qiáng)度，認(rèn)為低溫冷凍條件對電瓷材料的彎曲強(qiáng)度影響不大，但對水泥膠合劑服役性能影響較大.王博等［9］研究了瓷絕緣子在變溫環(huán)境下的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在低溫或者高溫條件下，瓷支柱絕緣子不同介質(zhì)的連接位置均會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象.ZHANG E W 等［10］分析了熱應(yīng)力對絕緣子瓷套機(jī)械強(qiáng)度的影響和低溫環(huán)境下瓷套斷裂原因，認(rèn)為陶瓷、水泥膠合劑的溫度線膨脹系數(shù)差異是導(dǎo)致電瓷絕緣子瓷套斷裂的重要因素.閻東等［11］分析了電瓷絕緣子實際故障時的風(fēng)力影響，提出了較符合現(xiàn)場實際計算方法和風(fēng)速、安全系數(shù)、風(fēng)壓等取值.張永濤等［12］對溫度、溫差對電瓷絕緣子服役狀態(tài)的影響研究進(jìn)行了綜述，認(rèn)為必須認(rèn)真考慮溫度對電瓷絕緣子服役性能影響.高千秋等［13］分析了膠裝類電器瓷套各相材料在低溫狀態(tài)下的物理力學(xué)特性，重點分析了膠裝用水泥膠合劑的低溫膨脹機(jī)理，概述了瓷套組成材料的耐低溫性能需求.張俊雙等［14］對通過引入減水劑、引氣劑和硅灰對水泥膠合劑性能進(jìn)行改進(jìn)，凍融循環(huán)試驗結(jié)果表明抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、體積變化率、殘余強(qiáng)度試有明顯提升.高博等［15］進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗，研究其對絕緣子機(jī)械性能的影響，認(rèn)為凍融循環(huán)試驗后，水泥膠合劑性能出現(xiàn)明顯的下降，導(dǎo)致絕緣子機(jī)械破壞負(fù)荷顯著降低.

但工程實踐表明：電網(wǎng)支柱瓷絕緣子在經(jīng)歷四季冷熱循環(huán)以后，更易發(fā)生斷裂損傷及事故.本文通過有限元仿真模擬電網(wǎng)支柱瓷絕緣子溫度循環(huán)響應(yīng)，結(jié)合室內(nèi)溫度循環(huán)觀察膠裝缺陷，并對照機(jī)械破壞試驗探討電瓷絕緣子斷裂失效原因.

1 支柱瓷絕緣子室內(nèi)試驗分析

以某型電瓷絕緣子為例，選取3 支室內(nèi)溫度循環(huán)后觀察膠裝缺陷，然后進(jìn)行機(jī)械破壞試驗.對照組則選取另外3 支不經(jīng)過室內(nèi)溫度循環(huán)試驗，直接進(jìn)行機(jī)械破壞試驗.探討溫度循環(huán)及膠裝缺陷對電瓷絕緣子斷裂失效的影響.

1.1 溫度循環(huán)試驗

1.1.1 試驗程序

試驗時，冷水和熱水的溫差要保持在50 ℃.將膠裝完成后完整的支柱瓷絕緣子先浸入冷水池中停留30 min，接著將其移出并快速放入熱水池中，在熱水池中也停留30 min，將這樣的冷-熱循環(huán)連續(xù)進(jìn)行3次［16］，見圖1.

圖1 支柱瓷絕緣子溫度循環(huán)試驗Fig.1 Temperature cycling test of post porcelain insulator

1.1.2 試驗現(xiàn)象

多次冷熱循環(huán)處理后，水泥膠合劑有黃色痕跡出現(xiàn)，涂覆在水泥膠合劑表面的瀝青層膨脹析出，現(xiàn)象如圖2所示.

圖2 溫度循環(huán)試驗后膠裝區(qū)域外觀現(xiàn)象Fig.2 Appearance phenomenon of glue-bonded area after temperature cycle test

1.2 機(jī)械破壞負(fù)荷試驗

1.2.1 試品安裝與負(fù)荷施加方式

連接在試驗機(jī)上的推頭通過在延伸件上施加推力，傳遞到支柱瓷絕緣子上使其承受彎曲應(yīng)力，推頭施加的負(fù)荷通過試品軸線，且與其垂直，如圖3所示.

圖3 支柱瓷絕緣子彎曲負(fù)荷試驗Fig.3 Bending load test of post porcelain insulator

力臂升高處的彎曲負(fù)荷按式（1）計算：

式中：Px為力臂升高處的相應(yīng)負(fù)荷；P0為在試品端面上施加的負(fù)荷；h為試品高度；x為力臂升高的高度.

1.2.2 試驗結(jié)果

由圖4、5 可見：在彎曲負(fù)荷作用下支柱瓷絕緣子均在下法蘭連接處斷裂，并迅速沿著斷裂面向瓷柱內(nèi)部擴(kuò)展，直至完全破壞.圖4中經(jīng)過溫度循環(huán)試驗的試件，從斷裂面可以觀察到瀝青緩沖層脫落缺失.

圖4 溫度循環(huán)試驗后斷面Fig.4 Section after temperature cycling test

圖5 無溫度循環(huán)試驗斷面Fig.5 Section without temperature cycling test section

該型號支柱瓷絕緣子規(guī)定試驗力臂為4.8 m，破壞負(fù)荷為30 kN，6 支試品的失效形式均為瓷柱在下法蘭連接處斷裂，其彎曲負(fù)荷試驗結(jié)果如表1 所示.由表1 可知：本次隨機(jī)試驗的6 支柱瓷絕緣子，大部分（5 支）滿足彎曲負(fù)荷規(guī)定值，未做溫度循環(huán)試驗的3支試品全部符合要求.溫度循環(huán)試驗后，支柱瓷絕緣子的承載能力有明顯下降趨勢，其中1 號僅略高于規(guī)定的彎曲破壞負(fù)荷，3 號試品經(jīng)溫度循環(huán)試驗后已稍低于規(guī)定值約0.37 kN.

表1 彎曲負(fù)荷試驗結(jié)果Tab.1 Results of bending load test

2 有限元仿真模擬

在有限元仿真分析中，試驗支柱瓷絕緣子模型如圖 6，上下法蘭表面施加位移約束［17］Uy=0，采用空氣對流方式進(jìn)行溫度加載，空氣對流系數(shù)［18］為62.3 W·m-2·℃-1，為考慮四季溫度循環(huán)對應(yīng)力的影響，選取熱膨脹應(yīng)力的參考溫度為18 ℃.主要幾何尺寸參數(shù)見表2.材料假定為連續(xù)均勻各向同性且處于線彈性狀態(tài)［19］，性能參數(shù)見表3.

表3 主要材料參數(shù)Tab.3 Main material parameters

圖6 幾何模型及網(wǎng)格劃分Fig.6 Geometric model and mesh division

表2 支柱瓷絕緣子主要尺寸參數(shù)Tab.2 Main dimension parameters of pillar porcelain insulation /mm

支柱瓷絕緣子外表面溫度變化的原因主要是太陽的輻射、對流和熱交換，其邊界條件可表示為：

式中：F為有效輻射；αx為對太陽輻射的總吸收率；B為復(fù)合散熱系數(shù)，取值見表4.

表4 復(fù)合散熱系數(shù)BTab.4 Composite heat dissipation coefficient B

其中太陽輻射Q(t)計算簡化［20］：

式中：m = 12/C，C 為日照時間；ω 為角速度；Q0為年平均最大太陽輻射，Q0= 0.131 mQd；t 為時間變量，規(guī)定早晨6點時t=0.

3 溫度循環(huán)效應(yīng)

3.1 夏季（日）溫度效應(yīng)

根據(jù)夏季當(dāng)日的環(huán)境氣溫變化，考慮太陽輻射等溫度轉(zhuǎn)化量，結(jié)合式（2）、（3），可模擬出瓷絕緣子的日溫度變化曲線，結(jié)果如圖7（a）所示.陶瓷和水泥膠合劑為脆性材料，主要分析第一主應(yīng)力σ1分布情況［21］.瓷柱和水泥膠合劑的應(yīng)力分布情況見圖7（b），瓷柱在其與上、下法蘭底部的結(jié)合處在出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中.圖7（c）的曲線圖中可見瓷絕緣子在夏季溫度日周期下，瓷柱的第一主應(yīng)力最大值為35.1 MPa，應(yīng)力值超過了極限強(qiáng)度［22］（50 MPa）的2/3以上，最小值為3.26 MPa.水泥膠合劑第一主應(yīng)力最大值為11.45 MPa，最小值為1.06 MPa.

圖7 夏季代表性日溫度與應(yīng)力圖Fig.7 Representative daily temperature and stress in summer

3.2 冬季（日）溫度效應(yīng)

冬季一天溫度數(shù)據(jù)如圖8（a）所示.瓷柱和水泥膠合劑的應(yīng)力分布情況見圖8（b），水泥膠合劑在與瓷柱結(jié)合的底部以及膠裝高度附近內(nèi)表面也出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中.圖8（c）的曲線圖中可見在冬季日溫度變化下，瓷柱的溫度應(yīng)力變化范圍為38.41～54.7 MPa，瓷柱的應(yīng)力最大值大于抗拉極限（50 MPa），且變化幅度為16.29 MPa，因此瓷柱在低溫環(huán)境狀態(tài)下容易產(chǎn)生溫度裂縫.水泥膠合劑溫度應(yīng)力較瓷柱變化小，變化范圍為12.21～17.44 MPa，超過了水泥膠合劑的極限強(qiáng)度，與多次冷熱循環(huán)處理后的膠裝水泥上的防水密封膠發(fā)生膨脹并析出現(xiàn)象吻合.

圖8 冬季代表性日溫度與應(yīng)力圖Fig.8 Representative daily temperature and stress in winter

3.3 夏季循環(huán)響應(yīng)

氣溫日變化過程采用如下公式模擬［23］，其表達(dá)式為：

角速度，ω = 2π/24；t0為初相位，t = 0 時表示早上6：00，我國各地區(qū)的時間以當(dāng)?shù)貢r間為準(zhǔn).

在考慮有效輻射時，采用擴(kuò)大氣溫振幅的方

式中：αx為瓷絕緣子對太陽輻射的總吸收率；Cf為有效輻射系數(shù).

按式（5）并結(jié)合式（2）、（3），對夏季瓷絕緣子溫度進(jìn)行模擬.夏季晴天時有效輻射系數(shù)取值5.0，陰天時取值4.0，絕緣子瓷套輻射率取值0.9，下雨天不考慮太陽輻射.2020 年7 月絕緣子瓷套各時刻的溫度變化模擬如圖9所示.

圖9 夏季瓷絕緣子溫度三維示意圖Fig.9 Three-dimensional schematic diagram of summer porcelain insulator temperature

由圖10 可知：夏季高溫時，瓷柱月最大應(yīng)力平均值為35.04 MPa，月最小應(yīng)力平均值為1.46 MPa，月應(yīng)力幅為39.44 MPa.水泥膠合劑月溫度應(yīng)力平均值的變化范圍為0.49～11.42 MPa.夏季瓷絕緣子溫度較高，瓷柱和水泥膠合劑受熱膨脹，故此時變形較大，雨天因不受太陽輻射的影響，環(huán)境溫度較低，溫度應(yīng)力相對較小.

圖10 夏季月循環(huán)溫度應(yīng)力Fig.10 Monthly cyclic temperature stress in summer

3.4 冬季循環(huán)響應(yīng)

2020年1月絕緣子各時刻的溫度變化模擬如下圖11所示.

圖11 冬季瓷絕緣子溫度三維示意圖Fig.11 Three-dimensional schematic diagram of winter porcelain insulator temperature

冬季月循環(huán)溫度應(yīng)力見圖12. 由圖12 可知：冬季低溫時，瓷柱的月最大應(yīng)力平均值可達(dá)45.22 MPa，接近于瓷柱的極限抗拉強(qiáng)度（50 MPa），強(qiáng)度儲備僅剩9.6%.水泥膠合劑的月溫度應(yīng)力平均值的變化范圍為9.44～14.41 MPa.

圖12 冬季月循環(huán)溫度應(yīng)力Fig.12 Monthly cyclic temperature stress in winter

4 結(jié)構(gòu)-瀝青緩沖層缺陷耦合效應(yīng)

由室內(nèi)試驗可知，電瓷絕緣子經(jīng)歷溫度循環(huán)試驗后瀝青緩沖層嚴(yán)重缺失.實際運行中，瓷絕緣子經(jīng)過溫度疲勞荷載后瀝青緩沖層也會發(fā)生老化缺失現(xiàn)象，如與其他結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)疊加，對電瓷絕緣子失效影響不容忽視.

有限元分析中瓷絕緣子底部采用全固定約束，加載方式采用等效加載，即電瓷絕緣子頂部施加機(jī)械破壞試驗對應(yīng)的集中力荷載，按式（1）等效到瓷絕緣子頂部施加的負(fù)荷為72 kN，有、無瀝青膜時瓷柱第一主應(yīng)力σ1分析結(jié)果如圖13、14所示.

圖13 有瀝青緩沖層瓷柱σ1分布Fig.13 σ1 distribution with asphalt buffer layer

圖14 無瀝青緩沖層瓷柱σ1分布Fig.14 σ1 distribution without asphalt buffer layer

由圖13、14可知：法蘭口交界處是瓷絕緣子整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，無瀝青緩沖層時瓷柱最大應(yīng)力為53.89 MPa，超過了瓷柱的極限抗拉強(qiáng)度（50 MPa），而有瀝青緩沖層時瓷柱的最大應(yīng)力44.33 MPa，處于安全范圍之內(nèi).

5 結(jié)論

（1）支柱瓷絕緣子法蘭口連接處經(jīng)多次冷熱循環(huán)試驗后，膠裝水泥出現(xiàn)微裂紋，瀝青緩沖層也部分脫落缺失，支柱瓷絕緣子下法蘭陶瓷與水泥、瀝青界面處為薄弱環(huán)節(jié).在結(jié)構(gòu)荷載以及瀝青緩沖層缺失共同作用下，瓷柱最大應(yīng)力值可達(dá)53.89 MPa，相比于無缺陷時增大20%左右，超過瓷柱的極限強(qiáng)度，是電瓷絕緣子斷裂失效的重要原因.

（2）有限元模擬分析結(jié)果表明：溫度循環(huán)效應(yīng)帶來的夏季瓷柱應(yīng)力最大值約為39.99 MPa，此時瓷柱的強(qiáng)度儲備剩約20%.但冬季瓷柱所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在數(shù)值上遠(yuǎn)大于夏季，其平均值接近瓷柱的極限強(qiáng)度50 MPa，如受到其它外荷載同時作用，易發(fā)生斷裂失效.

（3）改善水泥膠合劑與瀝青緩沖層溫度疲勞性能，可為增強(qiáng)支柱瓷絕緣子抗裂性能提供有益思路和可行性技術(shù)途徑.