馬建橋，武有強(qiáng)，梁夢(mèng)飛，王向飛，陳坤，田正波

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院 武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074；3.襄陽(yáng)國(guó)網(wǎng)合成絕緣子有限責(zé)任公司，湖北 襄陽(yáng) 441000)

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有重量輕、耐污性能好等優(yōu)點(diǎn)，在接觸網(wǎng)及電力機(jī)車(chē)車(chē)頂?shù)玫綇V泛應(yīng)用[1-2]。受高速氣流作用的影響，車(chē)頂硅橡膠復(fù)合絕緣子傘裙可能會(huì)偏折，長(zhǎng)期多次的形變會(huì)降低傘裙機(jī)械強(qiáng)度，傘裙根部可能會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的凹坑或傘裙邊緣出現(xiàn)貫穿性徑向裂縫，裂縫長(zhǎng)度向芯棒側(cè)延伸，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在芯棒和護(hù)套交界面處形成孔隙，水分侵入界面后會(huì)加速閃絡(luò)故障的發(fā)生[3-4]，引發(fā)列車(chē)供電中斷等事故。硅橡膠絕緣子傘裙撕裂問(wèn)題在西北地區(qū)750 kV 輸電線路中曾出現(xiàn)過(guò)，針對(duì)傘裙根部的月牙狀裂縫問(wèn)題，雷云澤等[5-6]針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)性研究。研究結(jié)果表明，最初設(shè)計(jì)的復(fù)合絕緣子傘裙根部厚度小，強(qiáng)風(fēng)氣流造成傘裙根部長(zhǎng)期的應(yīng)力集中引起硅橡膠機(jī)械強(qiáng)度下降，最后導(dǎo)致傘裙根部出現(xiàn)月牙狀裂縫，其長(zhǎng)度和貫通程度同氣流速度、攻角等因素有關(guān)。王言等[7]基于流固耦合的方法優(yōu)化了強(qiáng)風(fēng)區(qū)復(fù)合絕緣子的傘形，并且設(shè)計(jì)出了2種抗風(fēng)型復(fù)合絕緣子。強(qiáng)風(fēng)區(qū)的接觸網(wǎng)腕臂絕緣子也存在氣流應(yīng)力作用下的傘裙根部機(jī)械強(qiáng)度下降問(wèn)題，西南交通大學(xué)曹桂等[8-10]對(duì)此采用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，研究了風(fēng)速、迎風(fēng)角及傘裙組合方式對(duì)腕臂復(fù)合絕緣子傘裙形變程度的影響，設(shè)計(jì)出了新型抗風(fēng)腕臂絕緣子。高速氣流環(huán)境中列車(chē)車(chē)頂絕緣子的應(yīng)力、傘裙應(yīng)變、積污[11-15]及閃絡(luò)[16]等問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。向奕同[17]仿真分析了強(qiáng)風(fēng)沙塵環(huán)境下傘裙的風(fēng)壓分布和應(yīng)力特性，結(jié)果表明，傘裙上下表面的風(fēng)壓差形成較大合力作用于傘裙，使傘裙根部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，反復(fù)作用下傘裙根部材料壽命明顯低于傘裙的其他部位。目前解決傘裙撕裂問(wèn)題的技術(shù)路線大致可以分為采用真空壓力澆注的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣子和改變硅橡膠的硬度及優(yōu)化設(shè)計(jì)傘裙結(jié)構(gòu)。采用真空壓力澆注的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣子，對(duì)工藝要求比較高，對(duì)絕緣子開(kāi)展閃絡(luò)特性試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，澆筑過(guò)程中出現(xiàn)的氣泡被擊穿后會(huì)在其附近留下碳化痕跡[18]，同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂材料較硬，在異物撞擊時(shí)容易破損。因此，為改善硅橡膠復(fù)合絕緣子在高速氣流環(huán)境中的形變特性，本文擬采用仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)一種抗偏折型硅橡膠復(fù)合絕緣子。首先通過(guò)仿真計(jì)算的方法研究傘裙根部厚度、傘裙傾角、傘裙直徑等參數(shù)對(duì)絕緣子形變特性的影響，然后通過(guò)正交試驗(yàn)獲取抗偏折性能最優(yōu)的傘裙參數(shù)組合方式，基于正交試驗(yàn)結(jié)果并對(duì)新模型芯棒添加傘骨，設(shè)計(jì)制造了一種真型抗偏折硅橡膠復(fù)合絕緣子，最后通過(guò)高速風(fēng)洞內(nèi)的絕緣子傘裙形變?cè)囼?yàn)獲取了新型抗風(fēng)硅橡膠復(fù)合絕緣子在不同氣流速度下的傘裙形變量。研究結(jié)果可為高速列車(chē)車(chē)頂硅橡膠復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 仿真模型構(gòu)建

1.1 絕緣子計(jì)算模型

高速列車(chē)車(chē)頂用某硅橡膠復(fù)合絕緣子(記為原始絕緣子)結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1(a)和表1所示。

圖1 硅橡膠復(fù)合絕緣子及仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of silicone rubber composite insulator and simulation model structure

表1 硅橡膠復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of silicone rubber composite insulator

參考圖1所示硅橡膠復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文統(tǒng)計(jì)目前車(chē)頂使用較多絕緣子類(lèi)型并結(jié)合爬電距離等有關(guān)要求，建立如圖1(b)所示的絕緣子三維模型，為后續(xù)方便描述，規(guī)定高壓端至低壓端的傘裙編號(hào)依次為1～9 號(hào)。采用控制變量法設(shè)計(jì)傘裙的結(jié)構(gòu)參數(shù)，模型有關(guān)詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Simulation model insulator structure parameters

1.2 流固耦合計(jì)算模型

本文借助有限元仿真軟件中的流固耦合模塊，計(jì)算絕緣子傘裙形變量?？紤]到絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，氣流繞流傘裙時(shí)產(chǎn)生渦流，流線彎曲曲率較大[19]，因此湍流模型選用如式(1)所示的RANSk-ε模型，在k-ε模型中用k與ε表示μT。

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；ρ為流體密度；Cμ為湍流常數(shù)。k與ε的運(yùn)輸方程如式(2)所示。

式中：Pk為生成項(xiàng)；ufulid為流體速度；μ為動(dòng)力黏度；Cε1，Cε2，σk，σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

硅橡膠材料屬于熱彈性固體。分析時(shí)將傘裙材料設(shè)定為各向同性材料，各處材料為均勻連續(xù)分布。因此物質(zhì)內(nèi)因受力和形變而產(chǎn)生的內(nèi)力和位移都是連續(xù)的，滿足如式(3)所示的彈性材料平衡方程。

式中：F為單位體積力；v為材料的彈性常數(shù)；usolid為固體位移。

耦合作用在兩相交界面上，由耦合面上的動(dòng)力學(xué)平衡條件及運(yùn)動(dòng)學(xué)協(xié)調(diào)條件來(lái)引入方程上的耦合[9]。流體與固體的耦合邊界條件如式(4)所示。

式中：ufluid為流體速度；usolid為固體位移；uw為固體形變速度，μ為流體的動(dòng)力黏度；P為流體的壓力。

構(gòu)建幾何尺寸為1 200 mm×750 mm×750 mm的長(zhǎng)方體作為數(shù)值模擬的風(fēng)道區(qū)域如圖2所示。仿真中設(shè)置的流體密度ρ=1.225 g/cm3，空氣動(dòng)力黏度μ為1.84×10-5Pa?s。仿真用參數(shù)設(shè)置如表3 所示。文中將絕緣子芯棒狀態(tài)設(shè)置為“固定約束”，即設(shè)置芯棒約束方程為usolid=0。

圖2 風(fēng)道區(qū)域及流場(chǎng)邊界條件示意圖Fig.2 Schematic diagram of air duct area and flow field boundary conditions

表3 仿真材料參數(shù)Table 3 Simulation material parameters

2 車(chē)頂絕緣子傘裙形變特性分析

2.1 受電弓對(duì)傘裙形變的影響分析

風(fēng)速90 m/s 下，以圖1(b)絕緣子為仿真模型，分析受電弓對(duì)傘裙形變的影響特性。圖3為列車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)頂受電弓絕緣子在不同工況下的受流簡(jiǎn)化模型，包括降弓、升弓及單絕緣子模型，現(xiàn)提取圖3(b)與3(c)中絕緣子周?chē)鷼饬鞣植荚茍D及不同工況下的車(chē)頂絕緣子形變量如圖4所示。

圖3 不同工況絕緣子仿真模型Fig.3 Insulator simulation models for different working conditions

圖4 不同工況絕緣子周?chē)鷼饬鞣植技靶巫兞繉?duì)比Fig.4 Airflow distribution around insulator under different working conditions and the comparison of the shape variable

由圖4可知，升弓模型絕緣子相互之間氣流相互影響較小，且單個(gè)絕緣子與單支絕緣子模型迎風(fēng)面流線分布無(wú)明顯差異，結(jié)合絕緣子形變的發(fā)生位置及氣流引起的不同工況絕緣子形變大小可見(jiàn)，受電弓的存在對(duì)支撐絕緣子傘裙形變的影響較小，為此，為精確分析高速氣流環(huán)境絕緣子傘裙形變問(wèn)題，提高計(jì)算速度，減小內(nèi)存，下述以單支絕緣子模型為對(duì)象開(kāi)展形變研究。

2.2 絕緣子形變?cè)蚍治?/h3>

仿真獲取傘裙在不同風(fēng)速下表面特定路徑上的風(fēng)壓分布曲線，路徑從0°～180°，共4 條，均從傘裙上表面根部出發(fā)，沿半徑方向越過(guò)傘裙邊緣，終止于傘裙下表面根部，如圖5(a)所示，仿真形變圖如圖5(b)所示，結(jié)果如圖6所示。

圖5 路徑線及絕緣子傘裙形變示意圖Fig.5 Schematic diagram of the deformation of the path line and the insulator sheath

圖6 不同風(fēng)速下傘裙表面沿不同路徑分壓分布曲線Fig.6 Partial pressure distribution curves of surface of the sheath along different paths under different wind speeds

由圖6可知，傘裙邊緣不僅是上下表面的分界線，也是風(fēng)壓發(fā)生跳變的分界線，5 種風(fēng)速下風(fēng)壓沿不同路徑線的變化趨勢(shì)大致相同。對(duì)于迎風(fēng)面區(qū)域，傘裙上表面承受的負(fù)風(fēng)壓隨風(fēng)速的增加在相同位置處風(fēng)壓值減小，下表面承受的正風(fēng)壓隨風(fēng)速的增加在相同位置處風(fēng)壓值增大，造成了同一位置處風(fēng)壓差值隨風(fēng)速的增大而增大，且風(fēng)壓差從中間向兩側(cè)逐漸減小，圖中可見(jiàn)正迎風(fēng)面上下表面壓差相比傘裙其他位置更為突出，成為形變發(fā)生的主要位置；對(duì)于正側(cè)風(fēng)面，除傘裙邊緣位置處風(fēng)壓有微弱變化外，上下表面路徑壓力基本對(duì)稱，使得側(cè)風(fēng)面?zhèn)闳够緹o(wú)形變；對(duì)于正背風(fēng)面，與正迎風(fēng)面所受壓力相反，上表面承受的正風(fēng)壓隨風(fēng)速的增加在相同位置處風(fēng)壓值增大，下表面承受的負(fù)風(fēng)壓隨風(fēng)速的增加在相同位置處風(fēng)壓值減小，但上下表面正負(fù)壓力差值較小，致使背風(fēng)面形變較小。綜上所述，傘裙上下表面風(fēng)壓差是造成傘裙發(fā)生形變的主要原因，且迎風(fēng)面形變量最大，背風(fēng)面次之，側(cè)風(fēng)面最小。此外，當(dāng)上下表面風(fēng)壓差值大于傘裙抗偏折力度，引發(fā)圖7 所示絕緣子傘裙邊緣的偏折時(shí)，隨風(fēng)速的增加，傘裙會(huì)進(jìn)入形變?cè)龃蟆L(fēng)壓增大—形變?cè)龃蟮恼答佭^(guò)程，最終當(dāng)傘裙形變量足夠大時(shí)，可能造成絕緣子傘裙的撕裂。

圖7 絕緣子傘裙邊緣變形過(guò)程Fig.7 Process of deformation of the edge of the insulator sheath

2.3 傘裙參數(shù)對(duì)形變的影響分析

風(fēng)速90 m/s下，圖1(b)絕緣子模型整體流線分布如圖8所示。在絕緣子側(cè)風(fēng)面及背風(fēng)面，流線順傘裙表面流過(guò)，與其表面及邊緣不會(huì)形成正面沖擊，使得傘裙參數(shù)變化對(duì)背風(fēng)面及側(cè)風(fēng)面的形變影響較小；在迎風(fēng)面，傘裙下表面由平順的流線貫通，而傘裙上表面及邊緣由于傘裙參數(shù)不同及絕緣子自身結(jié)構(gòu)的原因，受來(lái)風(fēng)沖擊的大小不同，此外，傘裙根部與表面交界處易形成局部真空區(qū)，需不斷涌入氣流對(duì)此區(qū)域進(jìn)行填補(bǔ)，進(jìn)而引起漩渦，多因素共同作用使得絕緣子傘裙在迎風(fēng)面區(qū)域形變更為明顯，這與圖5(b)中的仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖8 絕緣子整體流線圖Fig.8 Insulator overall streamline diagram

現(xiàn)以傘裙參數(shù)不同的絕緣子1號(hào)為例，分析傘裙參數(shù)對(duì)其形變的影響?？紤]到同一位置平面上渦旋大小過(guò)于密集無(wú)法區(qū)分比對(duì)，因此選取圖9(a)所示的空間二維平面，對(duì)比傘裙參數(shù)變化對(duì)其上表面渦旋大小的影響；同時(shí)，選取圖9(b)所示的相同位置空間三維邊，對(duì)比漩渦大小不同引起的傘裙上下表面壓力的不同，進(jìn)而得知傘裙參數(shù)變化對(duì)形變的影響，圖9(b)中三維邊所在的上平面經(jīng)過(guò)漩渦區(qū)，且上下平面到傘面距離相同?；诖?，獲取不同傘裙參數(shù)下的渦旋分布及三維邊壓力比對(duì)圖如圖10所示。

圖10 不同傘裙參數(shù)下的渦旋分布及三維邊壓力比對(duì)圖Fig.10 Vortex distribution and three-dimensional edge pressure comparison diagram under different sheath parameters

由圖10 整體可見(jiàn)，傘裙直徑、根部厚度及上傾角的改變對(duì)傘裙下表面壓力的變化趨勢(shì)及數(shù)值大小影響較小，對(duì)上表面的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)影響較大，且傘裙上下表面壓力差值與渦旋大小具有正相關(guān)性。從面1提取的渦旋大小變化及三維邊壓力圖可看出，傘裙直徑減小，上表面渦旋區(qū)域減小，上下表面正負(fù)壓差值減小，形變減?。慌c直徑變化類(lèi)似，從面2提取的渦旋大小變化及三維邊壓力圖可看出，傘裙根部厚度增加，上表面渦旋區(qū)域減小，上下表面正負(fù)壓差值減小，形變減??；而從面3 提取的渦旋大小變化及三維邊壓力圖可看出，傘裙上傾角的變化，也會(huì)引起傘裙上表面渦旋大小、上下表面正負(fù)壓差值及形變的變化，但沒(méi)有明顯的線性關(guān)系；此外，從上下表面壓差圖可見(jiàn)，傘裙根部厚度及直徑的改變對(duì)傘裙形變大小的影響較傘裙傾角的改變更為顯著。綜上可知，傘裙參數(shù)的變化會(huì)影響絕緣子傘裙形變的大小，因此，下述建立不同傘裙參數(shù)絕緣子模型，仿真獲取不同傘裙參數(shù)組合下的形變特性，最終得出抗偏折性最優(yōu)的傘裙參數(shù)組合。

3 傘裙結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)形變影響的正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響絕緣子傘裙形變的主要因素包括傘裙直徑、根部厚度、上下傾角等。由于影響因素較多，引入正交試驗(yàn)法，以部分試驗(yàn)代替全體試驗(yàn)，獲得各因素水平最佳組合。為保持傘間距不變，本文不改變傘裙根部厚度，將傘裙直徑(SD)、傘裙上傾角(Sα)、傘裙下傾角(Sβ)分別作為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的A，B及C參數(shù)，各參數(shù)水平選擇依據(jù)如下：

1)據(jù)TB/T 3077—2017 標(biāo)準(zhǔn)，絕緣子傘伸出與已試用絕緣子相差不超過(guò)±10%，選擇新型絕緣子傘裙直徑仿真數(shù)值分別為190，200，210 及220 mm。

2) 結(jié)合文獻(xiàn)[20-21]，綜合考慮抗風(fēng)型絕緣子的抗覆冰性能及防積污性能，選擇傘裙上傾角仿真數(shù)值分別為4°，6°，8°及10°，傘裙下傾角仿真數(shù)值分別為0°，2°，4°及6°。

綜上，根據(jù)正交試驗(yàn)法，得出三因素四水平正交表L16(43)，如表4。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及水平Table 4 Orthogonal experimental design factors and levels

3.1.1 直觀分析法

極差R指各列水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)平均值的最大值和最小值之差，計(jì)算式為

式中：i，k?(1,n)，n為因素的水平數(shù)，Ri代表第i列因素的極差；Kij為第i列(因素)，第j位級(jí)(水平)的考核指標(biāo)平均值；Kik為第i列(因素)，第k位級(jí)(水平)的考核指標(biāo)平均值。因素極差越大則對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。直觀分析法即通過(guò)比較極差的大小，得出各因素之間的主次，并給出最優(yōu)的搭配結(jié)果。

3.1.2 方差分析法

方差分析法即求出各因素的離差平方和，后求出F值進(jìn)行顯著性計(jì)算，得出各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果是否顯著，強(qiáng)調(diào)每個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所起的作用。Si為第i列的離差平方和或其所在因素的離差平方和，計(jì)算式為

式中：m為第i列上水平號(hào)j出現(xiàn)的次數(shù)；n為試驗(yàn)總次數(shù)；yi為第i次試驗(yàn)考核指標(biāo)值。

Fi為第i列所在因素的F值，計(jì)算式為

式中：Si為第i列的離差平方和；fi為各因素列自由度；Se為誤差列的平方和；fe為誤差列自由度。

對(duì)于給定的顯著性水平α，檢驗(yàn)第i列所在因素是否顯著的法則為：若Fi≥F1-α(fi,fe)，則第i列所在因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響是顯著的；若Fi

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

本文為得出抗傘裙偏折的最佳參數(shù)組合，現(xiàn)以傘裙最大形變量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并用Y 表示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行極差與方差分析，其結(jié)果如表6與表7所示。

表6 傘裙最大形變量的直觀分析表Table 6 Visual analysis table of the largest shape variables of the sheath

表7 傘裙最大形變量的方差分析表Table 7 Analysis of variance table for the largest shape variable of the sheath

通過(guò)直觀分析可見(jiàn)，傘裙直徑對(duì)傘裙形變影響最大，傘裙下傾角次之，上傾角最小。對(duì)于本文研究的抗風(fēng)硅橡膠復(fù)合絕緣子最優(yōu)傘裙參數(shù)組合為：傘裙直徑190 mm，下傾角0°，上傾角8°。

通過(guò)方差分析可以得出，顯著性水平為0.1時(shí)，在本文選擇正交參數(shù)范圍內(nèi)，傘裙直徑對(duì)傘裙形變的影響是顯著的，傘裙上下傘傾角對(duì)絕緣子傘裙形變的影響不顯著，這與2.3 節(jié)及直觀分析的結(jié)果一致。

4 討論與分析

基于第3 節(jié)分析結(jié)果及TB/T 3077—2017 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合表8，在絕緣子爬電距離不小于原絕緣子1 330 mm 時(shí)，確定偏折硅橡膠復(fù)合絕緣子的傘裙結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)高度固定為400 mm，大小傘裙交替排列，共計(jì)9 片，大傘直徑為210 mm，小傘直徑為170 mm，傘裙上傾角為8°，下傾角為0°，芯棒直徑60 mm，傘裙爬電距離約為1 388 mm。此外，在最優(yōu)傘裙參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步減小形變，對(duì)優(yōu)化模型加裝圖11 所示的傘骨，傘骨傾角與傘裙傾角保持一致，大傘傘骨直徑為160 mm，根部厚度10 mm，小傘傘骨直徑為120 mm，根部厚度6.5 mm。絕緣子加工時(shí)，傘骨與芯棒為同種材質(zhì)，通過(guò)一體化加工而成；傘骨加工完成后，絕緣子其他部分的加工方式與不帶傘骨時(shí)的傳統(tǒng)絕緣子加工方式基本一致，也是在傘骨外面注射一個(gè)硅膠絕緣子；但注射時(shí)值得注意的是，需要調(diào)整注膠口以免注膠壓力對(duì)傘骨造成影響。由于帶傘骨芯棒加工時(shí)的特殊性，也導(dǎo)致帶傘骨絕緣子的加工成本較傳統(tǒng)絕緣子加工成本增加了1倍多。

圖11 傘骨加裝示意圖Fig.11 Schematic diagram of the installation of the sheath bone

表8 絕緣子大傘直徑與爬電距離對(duì)應(yīng)表(上傾角8°，下傾角0°)Table 8 Insulator large umbrella diameter and creepage distance correspondence table

4.1 抗偏折性能仿真分析

基于參數(shù)最優(yōu)組合模型，獲取圖3(a)中各絕緣子形變仿真結(jié)果如圖12(a)和12(b)所示。由圖可見(jiàn)，傘裙參數(shù)最優(yōu)組合模型整體抗偏折能力明顯增強(qiáng)，相比原始絕緣子形變量(Y=2.26 mm)最少下降44%；參數(shù)最優(yōu)組合模型基礎(chǔ)上添加傘骨后，對(duì)傘裙抗偏折性能進(jìn)一步增強(qiáng)，最大形變量不超過(guò)0.18 mm。

圖12 參數(shù)最優(yōu)組合及加裝傘骨模型形變比對(duì)圖Fig.12 Optimal combination of parameters and the deformation comparison diagram of the sheath bone model are installed

4.2 抗偏折性能試驗(yàn)分析

4.2.1 試驗(yàn)平臺(tái)、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

依照4.1 最終優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的帶傘骨抗風(fēng)硅橡膠絕緣子實(shí)物試驗(yàn)試品如圖13(a)所示。

圖13 試品及平臺(tái)Fig.13 Samples and platforms

針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的抗風(fēng)硅橡膠復(fù)合絕緣子，為檢測(cè)其實(shí)際運(yùn)行工況下的傘裙形變性能，委托中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所開(kāi)展硬質(zhì)硅橡膠絕緣子的形變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)裝置為FL-14低速風(fēng)洞，如圖13(b)所示，試驗(yàn)段最高風(fēng)速可達(dá)116 m/s。試品安裝固定按照如圖13(c)所示的車(chē)頂受電弓支柱絕緣子的三角形安裝方式，試驗(yàn)中使用支撐裝置為3 根長(zhǎng)為1.8 m 的立柱，立柱用壓條固定于試驗(yàn)平臺(tái)上，立柱頂端裝有10 mm 厚的長(zhǎng)方形鐵板，用螺栓將絕緣子模型固定于鐵板，安裝時(shí)使絕緣子處于風(fēng)洞試驗(yàn)段中心。

試驗(yàn)采用OptiTrack 高精度光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)測(cè)量絕緣子傘裙形變，選擇1 號(hào)、3 號(hào)和5 號(hào)傘裙迎風(fēng)面為研究對(duì)象，在迎風(fēng)側(cè)傘裙邊緣中心位置粘貼反光貼片作為標(biāo)識(shí)點(diǎn)，分別標(biāo)記為U1，U2和U3，反光貼片為0.5×0.5 英寸的正方形，反光貼片與模型表面顏色具有較高的對(duì)比度，圖像容易捕捉。粘貼圖14(a)所示標(biāo)識(shí)點(diǎn)后，調(diào)整攝像頭位置角度，校準(zhǔn)壓力，調(diào)整采集系統(tǒng)，開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容是分別在70，80，90，100，105 和110 m/s等風(fēng)速下測(cè)量絕緣子傘裙形變量，采集每個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)不少于20 s，且在最高風(fēng)速下持續(xù)吹風(fēng)5 min 后開(kāi)始采樣。采集過(guò)程中獲取標(biāo)識(shí)點(diǎn)隨時(shí)間變化的空間三維坐標(biāo)值，經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理即可計(jì)算出絕緣子傘裙的形變量。

圖14 標(biāo)識(shí)點(diǎn)粘貼及形變示意圖Fig.14 Schematic diagram of identification point pasting and deformation

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

絕緣子形變發(fā)生在三維空間，形變示意圖如圖14(b)所示。試驗(yàn)前，即t0時(shí)刻標(biāo)識(shí)點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(x0,y0,z0)，試驗(yàn)后標(biāo)識(shí)點(diǎn)在t時(shí)刻的空間坐標(biāo)為(xt,yt,zt)，則標(biāo)識(shí)點(diǎn)在OXY平面、OYZ平面、OXZ平面的形變量分別為Δx，Δy和Δz，標(biāo)識(shí)點(diǎn)在三維空間的位移為d，具體計(jì)算公式如式(8)所示。

試驗(yàn)結(jié)束后分別計(jì)算1，2 和3 號(hào)絕緣子的U1，U2和U3共計(jì)9處標(biāo)識(shí)點(diǎn)的形變量，篩選采樣時(shí)間內(nèi)的最大差量值并記錄，以1 號(hào)絕緣子為例，U1，U2和U33處標(biāo)記點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 1號(hào)絕緣子形變?cè)囼?yàn)結(jié)果Table 9 Deformation test results of sheath 1th

試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于同一位置的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，1～3 號(hào)絕緣子對(duì)應(yīng)的形變量基本相同；對(duì)于同一絕緣子，U1標(biāo)識(shí)點(diǎn)的形變量遠(yuǎn)大于標(biāo)識(shí)點(diǎn)U2，U3的形變量，3 處標(biāo)識(shí)點(diǎn)在風(fēng)速0～110 m/s 下的形變量均小于0.5 mm；試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)絕緣子進(jìn)行檢查，絕緣子狀況良好，傘裙及護(hù)套未出現(xiàn)撕裂、裂紋現(xiàn)象。

4.3 外絕緣性能試驗(yàn)分析

本文使用文獻(xiàn)[4]第2章節(jié)的試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)方法，開(kāi)展了原始絕緣子及添加傘骨的優(yōu)化絕緣子模型污閃電壓對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10。由表10 可知，優(yōu)化后絕緣子模型與原始絕緣子在閃絡(luò)電壓上差異較小，數(shù)值變化在允許范圍之內(nèi)。此外，基于上述試驗(yàn)平臺(tái)及方法，對(duì)帶傘骨的優(yōu)化絕緣子進(jìn)行了恒壓耐受試驗(yàn)，并規(guī)定耐受時(shí)間為3 min，若施加電壓后耐受時(shí)間超過(guò)3 min不發(fā)生閃絡(luò)，則判定該電壓值下耐受通過(guò)，反之則為未通過(guò)[22]。硬質(zhì)硅橡膠復(fù)合絕緣子不同電壓和電導(dǎo)率下的淋雨試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表10 均勻污穢平均鹽密0.1 mg/cm2時(shí)原始絕緣子與添加傘骨優(yōu)化絕緣子模型污閃電壓比對(duì)Table 10 Average salt density of uniform contamination is 0.1 mg/cm2,the original insulator is compared with the model of optimized insulator with sheath bone

表11 硬質(zhì)硅橡膠絕緣子的淋雨耐受試驗(yàn)Table 11 Rain resistance test of hard silicone rubber insulators

由表11 可知，大雨和暴雨工況下，試驗(yàn)用水電導(dǎo)率為476，1 000 和2 000 μS/cm 時(shí)，硬質(zhì)硅橡膠絕緣子高壓端施加32，36 和40 kV 電壓的淋雨耐受試驗(yàn)均通過(guò)，未發(fā)生閃絡(luò)；電導(dǎo)率為3 000 μS/cm 時(shí)，大雨工況下高壓端施加32，36 和40 kV 電壓的淋雨耐受試驗(yàn)均通過(guò)；暴雨工況下，高壓側(cè)施加32 kV 電壓的淋雨耐受試驗(yàn)均通過(guò)，高壓端施加36 kV 和40 kV 電壓時(shí)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。自然界雨水電導(dǎo)率變化范圍一般在30～500 μS/cm之間[3]，故硬質(zhì)硅橡膠絕緣子能夠滿足自然降雨工況下安全正常運(yùn)行的要求。由上述仿真及試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，新型抗偏折硅橡膠復(fù)合絕緣子的抗偏折性能及外絕緣特性均對(duì)后續(xù)車(chē)頂絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定參考價(jià)值。

5 結(jié)論

1) 絕緣子傘裙產(chǎn)生形變的主要原因是上下表面所受壓力大小的不同；傘裙直徑、根部厚度及上下傾角的改變均會(huì)影響傘裙形變量的大小，且以傘裙直徑的影響最為顯著。

2) 為提高絕緣子抗偏折性能，應(yīng)采取的優(yōu)化方法包括：適當(dāng)選擇絕緣子傘裙直徑、增加上傾角、減小下傾角并加裝傘骨，建議選擇的傘裙直徑為210 mm，上傾角為8°，下傾角為0°。

3) 新型抗偏折硅橡膠復(fù)合絕緣子，在0～110 m/s 各級(jí)風(fēng)速試驗(yàn)下的傘裙形變量均小于0.5 mm，且能夠滿足大雨和暴雨工況下安全運(yùn)行的要求，此研究可為后續(xù)車(chē)頂絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。