吳昱怡，王承玉，陳 允，崔博源

（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

盆式絕緣子力學(xué)性能測試及分析

吳昱怡，王承玉，陳 允，崔博源

（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

為研究252 kV盆式絕緣子的力學(xué)性能，對盆式絕緣子進(jìn)行重復(fù)水壓試驗(yàn)和水壓破壞試驗(yàn)，利用電阻應(yīng)變測量技術(shù)實(shí)測其變形情況。研究發(fā)現(xiàn)，重復(fù)加載的壓力值在3.0 MPa以內(nèi)，盆式絕緣子的應(yīng)變變化與受到的外力呈線性，且卸載后盆式絕緣子可恢復(fù)到初始狀態(tài)；根據(jù)實(shí)測結(jié)果分析盆式絕緣子凹面受到壓力作用時凸面的應(yīng)力分布規(guī)律，弧線段末端為應(yīng)力集中區(qū)域；盆式絕緣子的應(yīng)變是外加載荷和內(nèi)應(yīng)力的共同作用，內(nèi)應(yīng)力過大對盆式絕緣子整體的強(qiáng)度有一定影響。

盆式絕緣子；力學(xué)性能；應(yīng)力應(yīng)變；水壓試驗(yàn)

0 引言

盆式絕緣子是GIS重要的絕緣件，連接著設(shè)備不同電位的元件使其相互絕緣并為各元件提供強(qiáng)有力的支撐，有時還擔(dān)負(fù)著隔離各個氣室的安全屏障作用[1-4]。盆式絕緣子在GIS中用量很大，近年來，因力學(xué)性能欠佳造成的破裂故障時有發(fā)生，嚴(yán)重影響GIS的整體運(yùn)行[5-9]。

盆式絕緣子安裝于中心導(dǎo)體和殼體之間，承受著部分金屬導(dǎo)體重量；同時承受著高壓SF6氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)；安裝、檢修等工況下盆式絕緣子可能僅單面受壓，其兩邊的氣體壓力差遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時的壓力；各種復(fù)雜的受力情況加之制造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，多種因素的共同作用容易導(dǎo)致盆式絕緣子變形甚至破裂。盆式絕緣子結(jié)構(gòu)不同于常見的簡單構(gòu)件，受力時內(nèi)部應(yīng)力也較復(fù)雜，研究盆式絕緣子上的應(yīng)力分布規(guī)律有利于找出結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱部位，為盆式絕緣子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供思路。

國內(nèi)外對盆式絕緣子的研究多集中在電學(xué)性能，只有少量文獻(xiàn)分析了影響盆式絕緣子水壓強(qiáng)度的因素及水壓試驗(yàn)破裂趨勢[10-11]，盆式絕緣子上的應(yīng)力分布規(guī)律更是鮮有研究。本文利用動靜態(tài)測試系統(tǒng)對水壓試驗(yàn)過程中盆式絕緣子上不同部位的應(yīng)變變化進(jìn)行實(shí)時觀測，得到盆式絕緣子承受壓力時應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。從提高機(jī)械強(qiáng)度的角度為盆式絕緣子的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 測試系統(tǒng)

1.1 水壓試驗(yàn)

一般通過水壓試驗(yàn)來研究盆式絕緣子的力學(xué)性能。采用如圖1所示的工裝，選用252 kV電壓等級的盆式絕緣子，安裝時盆式絕緣子凹面向下，外法蘭固定在工裝上。盆式絕緣子凹面及工裝底座內(nèi)部注滿水，采用加壓裝置以不超過400 kPa/min的速率均勻升壓。盆式絕緣子設(shè)計壓力為0.75 MPa，例行水壓試驗(yàn)中，用水泵加壓至設(shè)計壓力的兩倍（1.5 MPa）并保壓一段時間，合格的盆式絕緣子應(yīng)保持不破。水壓破壞試驗(yàn)中，對盆式絕緣子勻速緩慢升壓直至破壞，破壞瞬間水泵頂端水壓表的讀數(shù)即為盆式絕緣子的破壞強(qiáng)度。

圖1 盆式絕緣子及水壓試驗(yàn)工裝Fig.1 Basin-type insulator and water pressure test device

水壓試驗(yàn)過程中，盆式絕緣子凸面為正常大氣壓力狀態(tài)，凹面承受著不斷上升的水壓。材料受到外力作用整體不能產(chǎn)生位移時，其幾何形狀及尺寸被迫發(fā)生變化，這種形變稱為應(yīng)變（Strain）。發(fā)生形變時材料內(nèi)部產(chǎn)生了與外力大小相等但方向相反的反作用力，內(nèi)力在一點(diǎn)的集中度為該點(diǎn)的應(yīng)力（Stress）。材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取決于材料本身的性質(zhì)[12]。

隨著水壓增加，盆式絕緣子表面不同部位所承受的外力大小并不相同，我們通過測量不同部位產(chǎn)生的形變，根據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系換算出該部位承受的相應(yīng)應(yīng)力[13-14]，可得盆式絕緣子承受壓力時凸面的切向應(yīng)力分布規(guī)律。

1.2 應(yīng)變測量方法

盆式絕緣子的表面應(yīng)變測量采用電阻應(yīng)變計法，電阻應(yīng)變片變形時，其阻值將會發(fā)生變化，應(yīng)用電阻應(yīng)變儀可測定電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值[15-17]。試驗(yàn)用到BX120-5AA型號的單向電阻應(yīng)變片及BX120-5BA型號的直角雙向電阻應(yīng)變片，初始電阻值均為120 Ω。試驗(yàn)所用應(yīng)變儀為TST3827動靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，最高采樣頻率200 Hz，最大測量范圍30 000 με，滿足試驗(yàn)要求，配備有應(yīng)變信號采集分析軟件。

水壓試驗(yàn)前預(yù)先在盆式絕緣子表面（凸面）粘貼應(yīng)變片，將應(yīng)變測試導(dǎo)線接入應(yīng)變測試分析系統(tǒng)。應(yīng)變測試分析系統(tǒng)可以實(shí)時測量并記錄水壓增大過程中盆式絕緣子表面的應(yīng)變值變化。

2 水壓試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 盆式絕緣子重復(fù)水壓試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)過程

對盆式絕緣子進(jìn)行重復(fù)加壓，并逐漸增加每次試驗(yàn)的最大水壓值，用單向應(yīng)變片測量各部位的徑向應(yīng)變，找到盆式絕緣子拉伸時的彈性范圍。

應(yīng)變測試布點(diǎn)如圖2所示，1～12為測點(diǎn)位置編號；3-4、4-4等為該測點(diǎn)所占用的儀器通道號，即部分測點(diǎn)設(shè)有兩組測量通道，第二組通道對應(yīng)的應(yīng)變片晚于第一組通道粘貼，將兩組通道測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，排除應(yīng)變片本身誤差。

圖2 重復(fù)試驗(yàn)應(yīng)變測試布點(diǎn)示意圖Fig.2 Measure point of repeated water pressure test

安裝盆式絕緣子后，通過水泵均勻緩慢升壓。第一次試驗(yàn)水壓加壓過程為：0→0.75 MPa→1.5 MPa，水壓增加到1.5 MPa并保壓一段時間后，卸載壓力；進(jìn)行第二次加壓過程：0→0.75 MPa→1.5 MPa→2.0 MPa，為測試盆式絕緣子的彈性拉伸范圍，每次重復(fù)試驗(yàn)最大水壓值增大0.5 MPa。如此循環(huán)，直到盆式絕緣子破裂或應(yīng)力應(yīng)變趨勢出現(xiàn)明顯變化。

2.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

應(yīng)變測試分析采集了試驗(yàn)過程中盆式絕緣子表面各測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。選擇測點(diǎn)6的數(shù)據(jù)，對水壓重復(fù)試驗(yàn)的測試結(jié)果進(jìn)行分析。表1列出了盆式絕緣子七次重復(fù)試驗(yàn)中，水壓值緩慢增大時測點(diǎn)6的位置徑向應(yīng)變值。

利用表1中的數(shù)據(jù)作圖，反映出各次試驗(yàn)中不同水壓下測點(diǎn)6應(yīng)變測量值的分布，如圖3所示。

表1 測點(diǎn)6位置測量所得應(yīng)變值Table 1 Strain value of point 6

圖3 測點(diǎn)6應(yīng)變值Fig.3 Strain value of point 6

由圖3可見，前四次試驗(yàn)中同一水壓強(qiáng)度下測點(diǎn)6位置的應(yīng)變值非常接近，第五次試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離前四次的測量值較遠(yuǎn)。第四次最大水壓為3.0 MPa，水壓強(qiáng)度為0～3.0 MPa的范圍內(nèi)，同一位置同一水壓強(qiáng)度時應(yīng)力值基本相同。盆式絕緣子凹面施加的外加載荷在較低的范圍內(nèi)，凸面不同部位的應(yīng)力分布情況保持不變，且在外界作用消除時盆式絕緣子能恢復(fù)未受壓的原始狀態(tài)，具有較好的彈性。

求取同一水壓強(qiáng)度下前四次試驗(yàn)結(jié)果平均值并連線，得到圖4所示結(jié)果。應(yīng)變平均值變化成線性，隨著水壓的增大測點(diǎn)6位置的應(yīng)變值均勻地增加，其應(yīng)變變化與水壓強(qiáng)度成正比例關(guān)系。其余測點(diǎn)的應(yīng)變也與水壓成線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，盆式絕緣子對外界載荷具有較好的線性響應(yīng)。

圖4 測點(diǎn)6前四次應(yīng)變平均值Fig.4 Strain average value of point 6

綜合以上分析，當(dāng)盆式絕緣子承受的外界載荷較小時，盆式絕緣子具有線彈性特征：水壓重復(fù)增大過程中，各局部區(qū)域受力的分布規(guī)律不變；高分子環(huán)氧樹脂材料的線性彈性體特征在盆式絕緣子中得以體現(xiàn)。

圖5為第五至七次試驗(yàn)測點(diǎn)6的應(yīng)變值隨水壓變化曲線。當(dāng)水壓值增大到3.0 MPa以后，第七次試驗(yàn)應(yīng)變曲線明顯向上彎曲，水壓每增加0.5 MPa，應(yīng)變值增大量明顯增多，盆式絕緣子的變形不再具有線性特征。第六次和第七次的應(yīng)變變化曲線出現(xiàn)明顯交叉，盆式絕緣子未能恢復(fù)初始狀態(tài)。

圖5 測點(diǎn)5、6應(yīng)變值比較Fig.5 Strain value of point 5&6

為了進(jìn)一步分析盆式絕緣子力學(xué)性能變化的原因，比較第五至七次試驗(yàn)中測點(diǎn)6及其鄰近測點(diǎn)5的應(yīng)變值。測點(diǎn)5所在區(qū)域的應(yīng)變值遠(yuǎn)小于測點(diǎn)6區(qū)域，環(huán)氧樹脂材料處于彈性拉伸范圍，水壓大于3.0 MPa時，測點(diǎn)5的應(yīng)變變化曲線也出現(xiàn)了向上彎曲的現(xiàn)象，水壓—應(yīng)變曲線不再是斜率不變的直線，水壓較大時盆式絕緣子上受力分布規(guī)律發(fā)生了變化。

應(yīng)力是材料單位面積上受力的集中體現(xiàn)，包括內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力：外應(yīng)力指外加載荷引起的力，與水壓值及構(gòu)件形狀有關(guān)；內(nèi)應(yīng)力指無外界作用時物體內(nèi)部仍保留的力，它在物體內(nèi)形成一個平衡的力系，使物體保持一定的形狀，一般由材料本身引起。物體受靜載時可以將內(nèi)應(yīng)力作為一個疊加在外力作用上的預(yù)加載荷分析。構(gòu)件變形是外部作用力與殘余內(nèi)應(yīng)力交互作用的結(jié)果[18-19]。當(dāng)疊加應(yīng)力接近材料彈性極限時，殘余內(nèi)應(yīng)力開始松弛，構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力分布會發(fā)生變化。

盆式絕緣子的內(nèi)應(yīng)力主要是在環(huán)氧樹脂體系經(jīng)高溫固化和冷卻至室溫的過程中，由于體積收縮等原因產(chǎn)生的。在粘貼電阻應(yīng)變片之前，盆式絕緣子就有一定的內(nèi)應(yīng)力，電阻應(yīng)變片的測量值是水壓的加載造成的應(yīng)變變化。在水壓較小時，內(nèi)應(yīng)力保持不變，盆式絕緣子應(yīng)變變化和水壓變化是成正比的。水壓超過3.0 MPa后，外加水壓仍均勻上升，應(yīng)力集中部位的內(nèi)應(yīng)力和水壓載荷作用之和接近彈性極限，內(nèi)應(yīng)力分布變化，整體看來盆式絕緣子應(yīng)變變化和水壓之間的線性關(guān)系發(fā)生了變化。

2.2 盆式絕緣子水壓破壞試驗(yàn)分析

2.2.1 試驗(yàn)過程

為測量盆式絕緣子整體應(yīng)力分布情況及破裂時的極限情況，對盆式絕緣子進(jìn)行水壓破壞試驗(yàn)。

試驗(yàn)中共布置了10個測點(diǎn)，如圖6所示，盆式絕緣子為軸對稱結(jié)構(gòu)，將測點(diǎn)1-4和測點(diǎn)2-8沿兩條半徑等距分布，測點(diǎn)9、10與測點(diǎn)4、8距離圓心距離相等。本次試驗(yàn)中使用的是直角雙向應(yīng)變片，可同時測量測點(diǎn)位置的周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。

圖6 水壓破壞試驗(yàn)應(yīng)變測試布點(diǎn)示意圖Fig.6 Measure point of failure water pressure test

安裝盆式絕緣子后，用水泵對其加壓。當(dāng)壓力達(dá)到盆式絕緣子設(shè)計壓力的整數(shù)倍（0.75、1.5、2.25……MPa）時，保壓一段時間。采集此期間盆式絕緣子表面應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用線彈性力學(xué)分析環(huán)氧樹脂材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)虎克定律，應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(guān)系為：

式中：E為拉伸彈性模量（tensile elastic modulus）。

高分子復(fù)合材料的彈性模量十分復(fù)雜，除了聚合物和填料本身性質(zhì)外，填料的大小、形狀、分布等因素也會影響彈性模量的大小。根據(jù)試樣的拉伸試驗(yàn)，盆式絕緣子材料的彈性模量約為8 500 MPa，泊松比一般為0.33。

雙向應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變，可以采用下列公式[20-21]換算成主應(yīng)力：

式中：εr和 εθ是測點(diǎn)的徑向、 周向應(yīng)變；σr和 σθ分別為徑向、周向主應(yīng)力。

水壓均勻的施加于盆式絕緣子表面，和內(nèi)應(yīng)力的合力作用造成了切向方向的形變，計算造成該形變的力即可得到該點(diǎn)所受的應(yīng)力。將計算得出的主應(yīng)力按照從大到小排列為 σ1、σ2、σ3，換算為馮·米塞斯應(yīng)力：

計算得出不同水壓下各測點(diǎn)的等效應(yīng)力值整理如表2。

表2 等效應(yīng)力值Table 2 Equivalent stress value （MPa）

按照測試方案中的測點(diǎn)位置，選擇沿同一條半徑布置的測點(diǎn)1—4，繪出不同載荷下此半徑上各測點(diǎn)的應(yīng)力曲線圖，如圖7所示。

沿著盆式絕緣子凸面，各測點(diǎn)位置形變值隨水壓增加而增大，與實(shí)際情況相符。由圖7可知：較靠近中心嵌件的測點(diǎn)1、2應(yīng)力值均較小，這些測點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)弧線段的前半段，水壓增加它們的應(yīng)力值增大不多；從測點(diǎn)2至測點(diǎn)3段，應(yīng)力值迅速增大，該段盆式絕緣子形狀的弧度較大，應(yīng)力變化明顯?；【€段末端測點(diǎn)4應(yīng)力值最大，隨著水壓增加，該區(qū)域受到的應(yīng)力迅速增大。

圖7 沿半徑方向各測點(diǎn)等效應(yīng)力分布圖Fig.7 Equivalent stress value variation trend along radius

圖8 盆式絕緣子軸截面示意圖Fig.8 Section view of basin-type insulator

2.1.3 水壓破壞試驗(yàn)測試結(jié)果分析

外界載荷作用時，結(jié)構(gòu)中應(yīng)力值最大的區(qū)域往往最先達(dá)到材料強(qiáng)度極限，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。水壓破壞試驗(yàn)中盆式絕緣子破壞時水壓強(qiáng)度為4.0 MPa，破壞形態(tài)如圖9所示，盆式絕緣子已分成兩部分，應(yīng)力值最大區(qū)域弧線段末端完全斷裂。

圖9 盆式絕緣子的破壞形態(tài)Fig.9 Failure shape of basin-type insulator

結(jié)構(gòu)曲面變化最大點(diǎn)一般為應(yīng)力較集中的區(qū)域，彎曲程度越大，應(yīng)力越集中。承受同樣的壓力時，弧度大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更不均勻，應(yīng)力集中區(qū)域更易斷裂。材料強(qiáng)度一定時，整體較平緩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高。

構(gòu)件強(qiáng)度不足引發(fā)的失效大體分為兩種，脆性斷裂和塑性斷裂。盆式絕緣子破壞時無明顯的塑性變形，斷面粗糙不平，且發(fā)生在垂直于最大正應(yīng)力的截面上，具有脆性斷裂的特征。當(dāng)材料三個主應(yīng)力中至少有一個為正拉應(yīng)力時，最大的一個主應(yīng)力稱為最大拉應(yīng)力，脆性材料的破壞多發(fā)生在最大拉應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時[22]。

盆式絕緣子大部分測點(diǎn)徑向應(yīng)變遠(yuǎn)大于周向應(yīng)變，最大拉應(yīng)力在徑向。盆式絕緣子破壞是由應(yīng)力集中區(qū)域受到的徑向拉應(yīng)力達(dá)到了環(huán)氧樹脂材料的拉伸強(qiáng)度導(dǎo)致。徑向拉應(yīng)力是外加載荷和內(nèi)應(yīng)力的疊加作用，當(dāng)接近彈性極限時，在應(yīng)力集中區(qū)域因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力分布發(fā)生變化，載荷、局部應(yīng)力、局部應(yīng)變之間三者存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系。

根據(jù)表7中應(yīng)力集中區(qū)域測點(diǎn)4、8、9和10的應(yīng)力值，盆式絕緣子破裂時該區(qū)域電阻應(yīng)變片測量到的最大應(yīng)力值約為55.23 MPa，主要體現(xiàn)了外在載荷的作用。內(nèi)應(yīng)力的存在會影響盆式絕緣子本身的強(qiáng)度，影響環(huán)氧樹脂體系內(nèi)應(yīng)力的因素包括其自身結(jié)構(gòu)和其他因素：如玻璃化溫度、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、交聯(lián)固化過程等[23]。

3 結(jié)論

對盆式絕緣子的機(jī)械力學(xué)特性進(jìn)行了研究，利用動靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)采集水壓試驗(yàn)過程中的應(yīng)變，分析了盆式絕緣子在水壓試驗(yàn)過程的力學(xué)特性，得到以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)表明，在水壓較小時，盆式絕緣子整體具有較好的線性彈性，在3.0 MPa以下，盆式絕緣子可重復(fù)進(jìn)行水壓試驗(yàn)；超過3.0 MPa，盆式絕緣子的變形與外加載荷不再成正比，且卸載后因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力分布的變化，盆式絕緣子的應(yīng)變變化不再具有可重復(fù)性。因此，在出廠試驗(yàn)中應(yīng)合理考慮盆式絕緣子的例行水壓試驗(yàn)強(qiáng)度值，252 kV盆式絕緣子采用2倍設(shè)計壓力（1.5 MPa）留出了一定裕度。

2）盆式絕緣子凹面受壓時，沿盆式絕緣子凸面，離嵌件近的部位受到的應(yīng)力小，而離嵌件的距離越遠(yuǎn)，受到的應(yīng)力越大。結(jié)構(gòu)曲面變化最大點(diǎn)，弧線段末端處應(yīng)力集中程度最高，此區(qū)域最易發(fā)生脆性斷裂導(dǎo)致盆式絕緣子破壞。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)避免曲度過大，中心嵌件附近的厚度可以適當(dāng)降低。

3）當(dāng)水壓較大，盆式絕緣子局部區(qū)域受到的徑向拉應(yīng)力超過環(huán)氧樹脂材料的拉伸強(qiáng)度時，盆式絕緣子發(fā)生脆性斷裂；拉應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力和外加載荷的共同作用，過大的內(nèi)應(yīng)力將使盆式絕緣子整體的強(qiáng)度下降。

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Test and Analysis on Mechanical Properties of 252 kV Basin-Type Insulator

WU Yuyi，WANG Chengyu，CHEN Yun，CUI Boyuan
（China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

In order to study the mechanical properties of basin-type insulator，the repeated water pressure test and failure water pressure test on 252 kV basin-type insulator are performed，the deformation of the basin-type insulators is measured based on resistance strain measuring technology.It′s found that when the pressure is under 3.0 MPa，the strain of basin-type insulator is linear with pressure value，and basin-type insulator can restore to its original state when un-loading；it′s also summarized the stress distribution rule of basin-type insulator′s convex surface when its concave surface under pressure，the ends of arc segment is stress maximum area；the strain of basin-type insulator is co-action of applied loads and internal stress，when the internal stress is too large，it will have a certain impact on the overall strength of the basin-type insulator.

basin-type insulator；mechanical properties；stress strain；water pressure test

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.025

2016-04-12

吳昱怡 （1991—），女，碩士，主要從事高壓開關(guān)設(shè)備絕緣件性能及試驗(yàn)的研究。

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目GY71-15-066，±200 kV直流開關(guān)設(shè)備用盆式絕緣子關(guān)鍵技術(shù)研究。