复合绝缘子微风振动载荷特点及结构力分析

复合绝缘子微风振动载荷特点及结构力分析Characteristic of Gen tle B reeze V ib rati on L oad and A nalysis

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保定电力修造厂(河北保定071062) 常丰文　张福林

摘　要:线路运行过程中,由架空导线传递给复合绝缘子的风振动,在复合绝缘子芯棒与金具交接最关键部位所形成的应力,是由芯棒与金具连接的预应力,架空导线所产生的静应力及振动出现的变弯曲应力迭加而成的。分析表明,当复合绝缘子由于承担架空导线极限静载荷而出现最大振动角的振动时,芯棒与金具连接预应力最集中部位形成的最大应力对复合绝缘子机械性能影响不大。

关键词:复合绝缘子;微风振动;结构力

中图分类号:TM85

文献标识码:A

文章编号:100329171(2003)0120006203

复合绝缘子是新型绝缘结构的线路绝缘子。通过十几年研制和挂网运行的验证,它特有的防污性能和显而易见的众多优越性,打破了瓷绝缘子在线路上近百年的统治地位,已成为电力系统使用量较多的绝缘子产品,发挥着明显的经济效益和社会效益。复合绝缘子是线路上悬挂架空导线的绝缘部件,其机械性能十分重要,如果复合绝缘子出现机械故障,它所造成的直接经济损失相当严重,间接经济损失无法估量。复合绝缘子在运行过程中,它除了承担导线自重及自然环境因素使得导线产生的静载荷外,还经常承受空气流动对导线的作用(动载荷)。目前,国内外研究机构和试验单位都比较重视复合绝缘子的静态机械性能,对此有大量的研究分析技术资料,也有较为齐全的技术规定;但对于复合绝缘子动态机械性能技术方面的分析研究,虽有过报导,但只是简单的介绍,没有形成系统的阐述和有章可查的技术要求。为此,本文将根据复合绝缘子结构特点,结合线路上复合绝缘子悬挂架空导线所产生静动载荷的具体状况,找出复合绝缘子运行过程中关键的受力部位,确定其静动载荷所产生的结构应力的稳定性。 1　复合绝缘子运行过程中承受的动载荷线路杆塔上悬挂导线的绝缘子,除了以悬垂方式固定导线外,还必须在整个线路长度上分段以耐张方式固定拉紧导线。线路上所有悬挂导线的绝缘子,将因其导线的自重、表面偶尔复冰以及自然环境因素变化而产生附加重量,使得绝缘子承担一定程度的静态拉伸载荷。除此之外,线路使用过程中,杆塔间架空导线时刻受到自然环境下空气流动所形成的随机性变化风速的作用。当很小的随机风速吹过导线时,在导线的背风面所形成的气流旋涡,不足以使导线发生位置的改变;若风速过大,在导线背风面理应产生较强气流旋涡来促使导线出现较大的位置移动,但由于大风速的气流通过架空地线时,因其与地面的摩擦而产生的紊流,破坏了架空导线背风面气流旋涡的出现,导线必然不会出现位置的变化;如果适当范围风速稳定微风吹过架空导线时,在导线背风面很容易产生上下交替变化的气流旋涡,它的依次出现和脱离使导线受到上下交变的脉冲力作用,当这个脉冲力的频率与架空导线某一自振频率相近时,架空导线将产生振动(导线的振动是属于波节不动,波腹上下交替变化的正弦波形的驻波振动),该振动必然传递到悬挂架空导线的绝缘子上。假如杆塔所悬挂的绝缘子是瓷绝缘子串时,则因瓷绝缘子串是由多个盘式瓷质绝缘子串接而成,在整个瓷绝缘子串上,将有多个活动交接的消振部位,使得架空导线振动的脉冲力对瓷质绝缘子整体机械性能影响不大。如果杆塔上所悬挂架空导线的绝缘子是复合绝缘子,架空导线的风振动对复合绝缘子将会起作用,这是因为复合绝缘子属于不击穿细长型全绝缘结构,而沿复合绝缘子长度起着支撑和承拉作用的复合绝缘结构的芯棒虽然是刚性体,但与线路上已承受拉力的架空导线相比,其质量及刚度没有太大的差异,线路上架空导线所产生的风振动必然很容易传递给复合

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绝缘子,促使复合绝缘子产生与架空导线相同频率的正弦波形驻波振动。复合绝缘子运行过程中由所悬挂架空导线传递过来的振动,必然在复合绝缘子已承担的架空导线的全部静载荷上又迭加了有一定频率的动载荷。

2　复合绝缘子运行过程中振动的关键部位受力状况

复合绝缘子是由外套粘伞套的芯棒及其两端固定的金具所组成的。复合绝缘子在线路运行中所出现的振动,除了沿复合绝缘子长度上所形成的正弦驻波的波腹点出现较大应力外,在复合绝缘子芯棒与金具交接部位还产生相当大的弯曲应力(芯棒的质量和刚度与金具的质量和刚度相比有较大的差异,是其交接部位的质量和刚度发生突变引起的)。复合绝缘子振动形成的应力值(沿着其长度所形成的正弦驻波的波腹点处的应力值)将远低于芯棒与金具交接部位的弯曲应力值,所以复合绝缘子芯棒与金具交接的部位是分析复合绝缘子振动性能最关键的部位,必须确定芯棒与金具交接部位的弯曲应力的稳定性。复合绝缘子运行过程中的振动,使复合绝缘子芯棒与金具交接部位出现应力,该应力是由芯棒与金具机械连接的预应力、导线产生的全部静应力和振动出现交替变化产生的最大弯曲应力迭加而成的。211　芯棒与金具交接部位的机械连接最大预应力的确定

复合绝缘子芯棒与金具交接部位的机械连接的预应力,因芯棒与金具连接界面的结构方式的差别有所不同。复合绝缘子芯棒与金具连接采用内楔界面结构,内楔撑开两半芯棒端部,靠与锥形金具内腔配合面的摩擦力进行连接,利用内楔摩擦角的自锁作用加大配合面正压力,以保证内楔界面结构的机械连接性能[1]。复合绝缘子芯棒与金具连接采用通常没有技术改进的内楔界面结构,在内楔撑开的两半芯棒的根部外侧表面将存在着最大应力集中部位,其值约为芯棒拉应力的1195倍[2]。如果复合绝缘子芯棒与金具连接采用压接界面结构(筒状内腔金具套压在芯棒的端部),则是靠金具塑性变形使芯棒产生的弹性变形(产生正压力)及金具内腔粗糙表面与芯棒的相互作用进行连接的[3]。压接界面结构,芯棒的弹性变形量绝大部分由玻璃纤维圆柱体间环氧树脂层来承担,压接界面结构内芯棒上承拉的玻璃纤维上不存在结构拉力,但在金具内腔口过渡部位的芯棒表面将有结构拉应力的存在,其值一般为芯棒拉应力的1175倍[4]。

212　芯棒与金具交接部位承担最大静载荷应力的选择

复合绝缘子运行过程中,采用悬垂串悬挂导线的复合绝缘子所承担的静载荷,是垂直挡导线的自重、表面复冰层的冰重及风载荷的合力;而采用耐张串悬挂导线的复合绝缘子所承受的静载荷,包括导线水平张力、导线的自重、导线外圆表面复冰的冰重和复冰后的风荷载。如果线路上耐张串使用复合绝缘子,在通常情况下导线的自重、冰重、风载荷以及水平张力,都是根据线路上耐张架空导线的实际状况,按线路运行技术规定的参数和要求进行分析求出的。对于线路上以地形地貌确定的各不同耐张段来说,其所悬挂的复合绝缘子的静载荷必然随线路耐张段的改变而变化,因此在确定耐张复合绝缘子的最大静载荷时,要以耐张复合绝缘子所悬挂架空导线的最大使用应力为准,在任何情况下都要小于导线的许用应力[4]。此外,耐张复合绝缘子所悬挂导线的风载荷,还应以架空导线能产生最大振动的稳定风速进行确定。

213　芯棒与金具交接部位上下交变最大弯曲应力的选取

复合绝缘子运行过程中的振动,是波节不动,波腹上下交替变化的正弦波形的驻波振动。复合绝缘子振动时,其芯棒与金具交接部位产生交替变化的最大弯曲应力。复合绝缘子所采用的芯棒是由直径为Λm级的玻璃纤维制成的圆柱体(浸渍环氧树脂)经拉挤固化而成的。这种材质构成的芯棒及其特殊的拉挤成型工艺,使得芯棒的外圆周表面层的玻璃纤维圆柱体,以正六角阵形紧密排列,因此在验证其上下对称最大弯曲处应力的稳定性时,应以玻璃纤维拉伸极限强度为依据。复合绝缘子振动过程中,在确定复合绝缘子芯棒与金具交接部位所产生的最大弯曲处的应力值时,还需考虑线路上复合绝缘子悬挂的架空导线,在实际运行过程中可能出现最大振动的振幅。架空导线振动的振幅一般用高度来衡量,但从振动对架空导线受力的影响来看,用架空导线悬点处的曲折度振动角表示更为直观。目前,在已建成的线路上,除了线路遇到特殊地形、地貌的极少数大跨越档距外,所有线路的架空导线的风振动的最大

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