邸悅倫，曹枚根，周曙琛，張若愚

（1.電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410129；2.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；3.江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇 南通 226599；4.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 201900）

0 引言

近十幾年，超、特高壓電網(wǎng)發(fā)展迅速，同時(shí)也對(duì)絕緣子等電氣設(shè)備的機(jī)械性能提出了更高的要求［1］。復(fù)合材料絕緣子由于本身具備老化變形速度慢、抗污閃強(qiáng)的特性、較強(qiáng)的電磁環(huán)境適應(yīng)能力和良好的抗震防災(zāi)能力，正逐步替代傳統(tǒng)的瓷質(zhì)材料絕緣子，成為目前中國(guó)超高、特高壓電力設(shè)備外絕緣的一個(gè)主要選擇。目前國(guó)內(nèi)的部分廠家已經(jīng)掌握了300 mm及以上的大中口徑復(fù)合材料絕緣子的研發(fā)和產(chǎn)品制備的核心技術(shù)，在地震多發(fā)區(qū)域上也已成功應(yīng)用［2-4］。

由于超高壓和特高壓復(fù)合絕緣子電氣設(shè)備的高柔結(jié)構(gòu)特性，在強(qiáng)風(fēng)荷載、地震沖擊以及各種輸入特性因素的共同作用與激勵(lì)下，不可避免地會(huì)發(fā)生力學(xué)性能衰退、振動(dòng)疲勞的破壞及損耗，從而嚴(yán)重威脅到超高、特高壓電網(wǎng)的工作穩(wěn)定［5-7］。瓷絕緣子與復(fù)合材料絕緣子之間最大的差異就是套筒和法蘭形接頭段的膠裝工藝。瓷絕緣子法蘭節(jié)點(diǎn)采用混凝土將陶瓷套與法蘭膠裝相連，由于膠裝混凝土厚度較大，故可視為受力結(jié)構(gòu)；而復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點(diǎn)則由輕量化的粘接劑將結(jié)合套筒與法蘭膠裝相連，膠裝厚度極小。這就直接造成了兩種絕緣子的法蘭節(jié)點(diǎn)受力情況和破壞方式的不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明［8-10］，復(fù)合電氣設(shè)備的主要損傷是由法蘭結(jié)點(diǎn)在彎曲荷載影響下引起的粘結(jié)滑移損傷或套筒和法蘭之間脫粘，而復(fù)合套管自身則基本不會(huì)損傷。所以，在復(fù)合支柱絕緣子的多種力學(xué)特性中，法蘭膠裝結(jié)點(diǎn)在彎曲荷載下的承受能力和強(qiáng)度都是很重要的力學(xué)參數(shù)，也直接決定了絕緣子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，如自振周期、結(jié)構(gòu)振型等。

基于動(dòng)力特性的結(jié)構(gòu)損傷分析方法在建筑結(jié)構(gòu)中廣泛運(yùn)用，但是僅有少量學(xué)者對(duì)電氣設(shè)備開(kāi)展類似研究。曹枚根［11］等通過(guò)對(duì)三支同型號(hào)的支架絕緣子振動(dòng)疲勞測(cè)試，采用多階模態(tài)擬合識(shí)別法定性描述了高壓支架絕緣子的損壞，并精確地鑒定出了損壞部位和嚴(yán)重程度。張玥［12］等對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行了多次靜力側(cè)推試驗(yàn)和動(dòng)力特性測(cè)試，得到法蘭膠狀高度與套管側(cè)移剛度的關(guān)系，法蘭節(jié)點(diǎn)損傷對(duì)動(dòng)力特性影響較大。馬艷枝［13］對(duì)瓷質(zhì)絕緣子的膠裝水泥節(jié)點(diǎn)開(kāi)展預(yù)設(shè)損傷模擬，較好地模擬了瓷絕緣子動(dòng)力特性隨損傷的變化，并發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)損傷形式對(duì)動(dòng)力特性改變有較大的影響。

針對(duì)復(fù)合材料絕緣子目前還沒(méi)有建立膠體的損傷與整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化關(guān)系。為此，本文構(gòu)建了復(fù)合絕緣子套管法蘭節(jié)點(diǎn)精細(xì)化的有限元模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特征研究，通過(guò)預(yù)設(shè)膠體在沿法蘭高度方向和轉(zhuǎn)角方向損傷來(lái)模擬膠體破壞，得到前三階彎曲頻率和扭轉(zhuǎn)頻率與膠體損傷的關(guān)系。研究分析典型復(fù)合絕緣子法蘭膠裝節(jié)點(diǎn)主要膠體損傷模式與絕緣子振動(dòng)頻率的關(guān)系，可為復(fù)合絕緣子法蘭膠裝節(jié)點(diǎn)的快速損傷評(píng)估提供理論支撐。

1 復(fù)合絕緣子膠裝節(jié)點(diǎn)振動(dòng)特性

1.1 有限元模型

為深入研究法蘭節(jié)點(diǎn)的膠體本身?yè)p傷及其對(duì)絕緣子損傷的影響，以±800 kV 單節(jié)或復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，在ANSYS中構(gòu)建了絕緣子的有限元模型，并在其上方施加了1 t的平衡物，然后再進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算。該配重用于模擬支柱絕緣子的工作情況，因?yàn)樵趯?shí)際工作時(shí)支柱絕緣子自振動(dòng)頻率較低，所以單節(jié)點(diǎn)的彎曲振動(dòng)響應(yīng)也較無(wú)配重的明顯。單節(jié)絕緣子幾何尺寸和重要材料屬性如圖1和表1所示。

圖1 單節(jié)復(fù)合絕緣子幾何尺寸

表1 復(fù)合絕緣子材料主要力學(xué)參數(shù)

在有限元模擬中，頂部配重、上下金屬法蘭節(jié)點(diǎn)、復(fù)合絕緣子的粘結(jié)劑全部采用20 節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模塊Solid95單元進(jìn)行；為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)體模塊全部通過(guò)正六面體模塊進(jìn)行網(wǎng)格分割，并對(duì)金屬法蘭節(jié)點(diǎn)和復(fù)合懸式絕緣子連接處進(jìn)行了局部網(wǎng)格密封，膠狀的結(jié)構(gòu)厚度約為1 mm。網(wǎng)格分割后，分別在金屬法蘭內(nèi)壁和粘結(jié)劑的外界面之間、粘結(jié)劑內(nèi)界面和復(fù)合套管外側(cè)表面之間置入了三維界面單元Inter204，用于模擬粘結(jié)面的膠體粘附和受力脫粘情況；在置入粘結(jié)單位時(shí)確定金屬法蘭壁與粘貼劑、粘接劑和套管山的接觸位置，在界面不進(jìn)行劃分時(shí)處于正常傳力的接觸，分離時(shí)界限法向和切向應(yīng)力作為膠體開(kāi)裂應(yīng)力，本文取40 MPa。套筒底面與法蘭盤(pán)表層形成緊密接觸對(duì)，并采取面-面對(duì)接方法，使剛性較大的法蘭盤(pán)上表層成為目標(biāo)面，采用了Targe170單元；套管下部為接觸面，并采用了Conta174 單元，而接觸算法則采用增強(qiáng)的拉格朗日法如圖2所示。

圖2 配重復(fù)合絕緣子有限元模型

1.2 整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

復(fù)合絕緣子的模態(tài)分析使用了隨機(jī)子空間法，分析結(jié)果顯示，前二階振型均為彎曲振型，基本頻率為3.33 Hz，后三階模態(tài)均為扭轉(zhuǎn)。由于復(fù)合絕緣子的法蘭節(jié)點(diǎn)都是薄弱環(huán)節(jié)，因此在隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)損壞分析應(yīng)該同時(shí)兼顧低頻與高頻的情況，比如地震輸入下的低頻振動(dòng)作用，卓越頻段一般為1～10 Hz；脈動(dòng)風(fēng)的荷載成分較多，可視為準(zhǔn)靜力風(fēng)、低頻風(fēng)、高頻風(fēng)的組合輸入，可以選擇0～50 Hz 荷載頻段，因?yàn)轱L(fēng)荷載在此頻段的出現(xiàn)幾率比較高。

1.3 法蘭節(jié)點(diǎn)局部振動(dòng)特性分析

為研究下法蘭膠裝節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)特征，分別給出節(jié)點(diǎn)處法蘭、膠狀材料、復(fù)合材料套管的主振型變化，并考慮三者相對(duì)變化情況。在考慮頂部配重比下下法蘭變化更大，得出下法蘭節(jié)點(diǎn)各部分的變化。復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)是典型的懸臂構(gòu)件，因其一階模態(tài)對(duì)振動(dòng)變形的貢獻(xiàn)很大。但同時(shí)，因?yàn)榕まD(zhuǎn)模態(tài)也在所選取的荷載頻率之間，故也應(yīng)分析其變化情況。

針對(duì)絕緣子的一階模態(tài)，可以選擇上法蘭和下法蘭節(jié)作為主要研究對(duì)象，根據(jù)圖3和圖4，并將法蘭節(jié)點(diǎn)局部放大即可發(fā)現(xiàn)：上部法蘭節(jié)處于最頂部位置，因此雖然復(fù)合絕緣子的整體振動(dòng)方式以彎曲變形為主，但由于上法蘭節(jié)是金屬懸臂結(jié)構(gòu)的自由端，在振動(dòng)過(guò)程中上法蘭節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模式也可作為平動(dòng)，從而使得上法蘭、上部膠體結(jié)構(gòu)與上部復(fù)合套管的位置一致；而由于復(fù)合懸臂式絕緣子底部是剛接，因此金屬法蘭的彎曲剛度變化很大。但是由于復(fù)合材料彈性模量系數(shù)較低，強(qiáng)度小，金屬法蘭節(jié)和復(fù)合懸臂式絕緣子之間的幾何形狀的不均勻而導(dǎo)致產(chǎn)生了錯(cuò)位，所以也可能會(huì)導(dǎo)致在兩端產(chǎn)生微變形。研究可發(fā)現(xiàn)，復(fù)合絕緣子在屈曲及擺動(dòng)兩個(gè)階段中，下端法蘭膠體材料對(duì)彎曲振動(dòng)荷載的變化都比較迅速靈敏，由于振動(dòng)所形成的相對(duì)變化也較大。

圖3 配重復(fù)合絕緣子模態(tài)分析

圖4 一階彎曲振型下法蘭節(jié)點(diǎn)水平向變形

2 膠體損傷因子分析

復(fù)合絕緣子的法蘭形膠裝節(jié)點(diǎn)破壞類型有靜力影響下膠狀直接斷裂所引起的緩慢滑動(dòng)損壞，此類型是在靜力影響下或擬靜力特點(diǎn)加載后的損壞，負(fù)載型式和節(jié)點(diǎn)的損壞型式都與復(fù)合絕緣子的動(dòng)力特點(diǎn)無(wú)關(guān)；而由隨機(jī)振動(dòng)或簡(jiǎn)諧振動(dòng)等動(dòng)態(tài)荷載（或相互作用）輸入方式導(dǎo)致的振動(dòng)損傷的模型較多，且與復(fù)合絕緣子的動(dòng)力特性有直接聯(lián)系。同時(shí)，振動(dòng)荷載（或相互作用）的輸入頻率或頻段也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕緣子產(chǎn)生不同形式的振動(dòng)損傷。

無(wú)論是靜力荷載或者振動(dòng)負(fù)荷，其在對(duì)復(fù)合絕緣子的法蘭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生破壞后，絕緣子的動(dòng)力特征都會(huì)出現(xiàn)變化。所以可以對(duì)膠體設(shè)置預(yù)破壞，并進(jìn)行動(dòng)力特征分析。而通過(guò)研究膠體破壞程度和部位對(duì)絕緣子動(dòng)力特征的影響程度，可反推對(duì)絕緣子節(jié)點(diǎn)的破壞程度。本文方法和傳統(tǒng)的設(shè)定傷害有所不同，傳統(tǒng)設(shè)定損傷或損壞的方法是指利用對(duì)已知材料彈性模量、構(gòu)件斷面的等效折減等方法降低構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或剛度，來(lái)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行破壞。但因?yàn)闆](méi)有實(shí)際損傷程度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的相對(duì)關(guān)系，所以采用傳統(tǒng)預(yù)設(shè)損傷的動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果可信度較低。

因?yàn)閺?fù)合絕緣子的主要節(jié)點(diǎn)是膠裝節(jié)點(diǎn)，在不同振動(dòng)負(fù)荷影響下膠狀的損壞形式、破壞部位等特性均有差異且隨機(jī)性較高，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響也有所不同。因此，可以首先假定膠體損壞的規(guī)則形狀（四邊形），并設(shè)定受損膠體的高度、轉(zhuǎn)角兩個(gè)參數(shù)，在所指定的坐標(biāo)系下，經(jīng)過(guò)對(duì)比損傷前后動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果，可以大致判斷膠體的破壞情況以及損壞形狀的參數(shù)組成。

圖5是膠體形狀損傷因子的示意圖，含有轉(zhuǎn)角面積因子Sθ和高程因子H，其中Sθ是由角度θ決定的膠體破壞面積及位置，而H則確定了膠體破壞在的高度。

圖5 膠體形狀損傷因子

由于在預(yù)設(shè)損傷時(shí)，轉(zhuǎn)角損傷是按照順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的，如果直接進(jìn)行模態(tài)分析，則得到的第一階彎曲振動(dòng)的方向一定在剛度最小的方向，即膠體損傷最大方向。而實(shí)際工程中的振動(dòng)荷載方向未知，這樣無(wú)法甄別損傷位置對(duì)振動(dòng)荷載的敏感程度。為此，每個(gè)損傷工況在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，不采用直接計(jì)算的方法，而是在絕緣子底部輸入白噪聲時(shí)程，方向固定為X 向（對(duì)稱結(jié)構(gòu)X、Y效果相同），通過(guò)頻譜變化就可以得到非振動(dòng)方向膠體的損傷對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率變化的影響程度。白噪聲峰值為0.1 g，g為重力加速度，圖6為白噪聲時(shí)程。

圖6 白噪聲時(shí)程

2.1 高度損傷因子H

高度損傷因子H代表了發(fā)生在法蘭高度方向上或在給定的法蘭截面方向上產(chǎn)生的一種膠體損傷，而膠體對(duì)高度方向的橫向損傷則為由法蘭上端至底部的正角度，即膠體自上而下的損傷?；诖?，可以由上至下定義一個(gè)預(yù)設(shè)損傷，越向下?lián)p傷越嚴(yán)重。為減少影響因素，可假設(shè)膠體在周向沒(méi)有預(yù)設(shè)損傷。本文中法蘭寬度的適用范圍為200 mm，并以膠體破裂前高度范圍的每20 mm為一單元逐層遞減，破壞后的膠體高度的適用寬度范圍為20～200 mm，從而可得到H的寬度范圍為0～1，其中0 代表膠體完全無(wú)損傷，而1 則代表90%的膠體發(fā)生了破壞。表2 為高度損傷對(duì)應(yīng)表和不同高度損傷指標(biāo)對(duì)應(yīng)的膠體有限元模擬。

根據(jù)表2開(kāi)展高度損傷影響因子對(duì)復(fù)合支柱絕緣子自振頻率變化的損傷影響的分析估算方法，并據(jù)此選取了其前兩個(gè)三階模態(tài)和扭曲模態(tài)為目標(biāo)模態(tài)，做出了損傷影響分析曲線，由圖7（a）可得出結(jié)果：當(dāng)高度損傷因子H值小于0～0.5 時(shí)，絕緣子的各運(yùn)行階段中自振頻率降低的程度隨著高度損傷因子量的相對(duì)增加也并不明顯，基本都呈現(xiàn)線性指數(shù)變化；但當(dāng)絕緣子的高度損傷因子H值取大于0.6時(shí)，自振頻率的下降隨H值的相對(duì)增加也會(huì)愈加顯著，下降段的傾斜度也隨之上升，并逐步呈現(xiàn)線性指數(shù)變化；而隨著振動(dòng)模態(tài)階次數(shù)的進(jìn)一步增大，則自振頻率值降低得更顯著。

表2 高度損傷對(duì)應(yīng)

圖7 不同高度損傷因子對(duì)復(fù)合絕緣子頻率影響曲線

選擇本文比較關(guān)注的1階彎曲頻率下降曲線進(jìn)行分析研究，并擬合下降曲線，從圖7（b）可以得出：當(dāng)原法蘭節(jié)點(diǎn)膠體沿高度方向開(kāi)裂，或當(dāng)膠體高度損傷低于原法蘭高度50%時(shí)，復(fù)合絕緣子的基本頻率變動(dòng)不大，并呈現(xiàn)線性下滑走勢(shì)；當(dāng)膠體高度損傷程度超過(guò)總法蘭高度的50%時(shí)，復(fù)合絕緣子的基本頻率突變現(xiàn)象尤為突出。

2.2 轉(zhuǎn)角損傷因子Sθ

轉(zhuǎn)角損傷因子Sθ表示在給定轉(zhuǎn)角的膠體高度條件下法蘭節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)角周界向上的膠體面積損傷，復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點(diǎn)無(wú)論其在任何一個(gè)給定旋轉(zhuǎn)半徑方面上被破壞也都會(huì)同時(shí)受到轉(zhuǎn)角彎曲的荷載作用，從而在任何方面均可能形成破壞，損傷的隨機(jī)性較大。因此，當(dāng)預(yù)先設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角位置的膠體破壞后，可選擇膠體圓環(huán)的任何一個(gè)為預(yù)設(shè)破壞開(kāi)始位置，根據(jù)破壞位置的不同設(shè)定膠體的面積破壞，為減小干擾因子，考慮膠體在整個(gè)法蘭長(zhǎng)度上的破壞。

膠體轉(zhuǎn)角損傷因子以36°為一單元依次遞增，假定膠體轉(zhuǎn)角損傷因子的區(qū)域面積為0°～360°，則可以得到對(duì)應(yīng)的膠體轉(zhuǎn)角損傷因子Sθ范圍為0～1，0代表該膠體無(wú)明顯破損，而1代表破壞與其他膠體的連接。表3是膠體轉(zhuǎn)角損傷對(duì)應(yīng)表式及針對(duì)不同膠體轉(zhuǎn)角及損傷影響因素進(jìn)行的膠體轉(zhuǎn)角有限元模擬。

表3 轉(zhuǎn)角損傷對(duì)應(yīng)

同高度損傷因子一樣，可以取配重絕緣子的前三階模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)為目標(biāo)模態(tài)，并分別作出損傷影響曲線，由圖8（a）中給出的影響曲線可以得出：當(dāng)轉(zhuǎn)角損傷因子范圍在0.2～0.3和0.7～0.8時(shí)，高壓支柱絕緣子自振頻率降低并隨轉(zhuǎn)角損傷因子的增加較為顯著；但當(dāng)位于其他范圍內(nèi)時(shí)，絕緣子自振頻率隨轉(zhuǎn)角損傷因子的增加不顯著。

選擇本文比較關(guān)注的1階彎曲頻率下降曲線進(jìn)行分析研究，并得出擬合的下降曲線，由圖8（b）可以得出：當(dāng)法蘭節(jié)點(diǎn)膠體沿周向斷裂，并且當(dāng)膠體破裂部位越接近振動(dòng)輸入的方向時(shí)，自振頻率的降低速度就越大。觀察如圖9所示的第1階振型的變形云圖也可以看出：法蘭節(jié)點(diǎn)變化最大的部位就是振動(dòng)方向的膠體，而且膠體在往復(fù)振蕩時(shí)會(huì)首先產(chǎn)生破損。

圖8 不同轉(zhuǎn)角損傷因子對(duì)復(fù)合絕緣子頻率影響曲線

圖9 膠體在振動(dòng)方向的變形

對(duì)比現(xiàn)有研究［11-13］，復(fù)合絕緣子由于節(jié)點(diǎn)膠體損傷導(dǎo)致的整體結(jié)構(gòu)自振頻率下降較瓷質(zhì)絕緣子更加明顯，這是由于瓷質(zhì)絕緣子節(jié)點(diǎn)的膠裝水泥有一定厚度，受損時(shí)只是部分脫落，依然可以具有一定剛度。但是復(fù)合絕緣子節(jié)點(diǎn)的膠體損傷后會(huì)直接附著在套管上，套管和法蘭之間失去連接，從而剛度會(huì)大幅度下降，即復(fù)合絕緣子節(jié)點(diǎn)損傷對(duì)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響更大。

3 結(jié)論

本文以復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象，開(kāi)展膠體損傷因子變化對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性產(chǎn)生的影響分析，得到了以下結(jié)論：

1）復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點(diǎn)處膠裝層結(jié)構(gòu)中存在的界面性開(kāi)裂情況往往會(huì)引起其整體結(jié)構(gòu)剛度的顯著降低，導(dǎo)致絕緣子整體結(jié)構(gòu)自振頻率降低，并可能會(huì)大幅度降低復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點(diǎn)部分截面的抗彎曲剛度。

2）膠體的開(kāi)裂特點(diǎn)主要集中表現(xiàn)于沿法蘭高度方向的開(kāi)裂和沿法蘭轉(zhuǎn)角方向的開(kāi)裂，法蘭節(jié)點(diǎn)彎曲和剛度的變化都與該膠體的開(kāi)裂點(diǎn)高度呈非線性關(guān)系，即該膠體通常會(huì)先從法蘭節(jié)點(diǎn)的上部開(kāi)始向下慢慢開(kāi)裂，法蘭剛度將隨之下降且速度越來(lái)越快。

3）膠體轉(zhuǎn)角方向開(kāi)裂面積與法蘭節(jié)點(diǎn)的彎曲剛度的下降幅值之間呈線性關(guān)系，振動(dòng)方向的膠體損壞對(duì)法蘭剛度影響最大。