复合材料杆塔及材料多因子老化特性研究_吴雄

1.3 测试方法 树脂、脂基/玻纤复合材料、不同工艺下复合材 料样品放入加速多因子老化室，老化室按表参数运 行。根据 GB/T3857—2005 的规定计算每组试样在 试验条件下经历不同时间后，样品弯曲模量保留率 为 R。 假设经历时间 t， 每组样品平均模量值为 X ，
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横担周期性振动动力，由横担传递到复合材料杆塔， 引起杆身摆动。通过 Bragg 应力光纤光栅，实时监 测杆塔及横担的应变 t 、 监测拉力机提供的应力 Ft ， 由此换算出塔身和横担的实时弹性模量 Et 。假设忽 略加速老化试验过程复合材料制品的截面积 S 变 化，则实时杆塔和横担样品的弹性模量为
Aging Properties Analysis of Composite MaterialPole and Its Materials UnderMulti-factor Environment
WU Xiong, HU Qian, PAN Jilin,PENGJiashun, KERui, HEChanglin
网络出版时间：2016-04-01 16:22:30 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1239.TM.20160401.1622.034.html 高电压技术 High Voltage Engineering
（WuHan NARI Limited Liability Company, State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China）
Abstract: In order to explore the aging properties resistant to environmental for the composite material applying in power, basing on the multi-factor experimental box, we simulated the operating natural environment of the composite poles,observed the changes of material modulus andfiber bragg grating(FBG) strain on the surface of composite material poles and cross-arms under accelerated aging conditions,found out the aging properties of polyurethane(PU)/glass fiber composite material and corresponding composite material poles. After 4000h multi-factoraccelerated agingtest, the retention flexural modulus of PU and PU composite material’s sampleswere higher than 90%; especially for the samples under pultrusion process, its flexural modulus was up to 95.8%. The FBG strains of PU composite poles and cross-arms products located on maximum displacement were less than 2 ‰, and the strain of poles was lower than that of the cross-arms. The results showed that PU composite pole and cross-arm kept good resistance to environmental aging. Keywords: multi-factor;aging;composite materials pole; modified polyurethane; fiber grating; cross-arm
化行为研究，能更接近复合材料杆塔实际运行环境， 其评估结果将对选取的复合材料杆塔和横担材料 的运行安全性及运行寿命预测具有重大意义。
1 试验原料、测试及设备
针对 Nari 改性聚氨酯复合材料杆塔、 相应树脂 基体系、 树脂基/玻纤复合材料体系及不同加工工艺 下复合材料的多因子耐老化能力进行研究，探索不 同体系的树脂、 树脂基/玻纤复合材料及生产工艺复 合材料的耐老化特性，探讨树脂基体、树脂基/玻纤 复合材料和加工工艺等因素对复合材料耐老化性 能的影响，提出复合材料杆塔及横担考核方法，评 估复合材料杆塔及横担户外运行寿命。 1.1 样品制备 1）样条样品：将改性聚氨酯树脂（PU）添加质 量分数为 1%的异辛酸钴溶液促进剂混合均匀，再 添加 2%过氧化甲乙酮固化剂混合均匀，浇注 12 根 120mm×15mm×4mm 标准样条，室温凝胶，80℃后 固化 2~3h；复合材料样条通过手糊铺放制备一块 120mm×400mm、 厚度 4mm 的 PU/EWR-400 方格布 复合材料板，树脂凝胶后，80℃下后固化 2~3h，再 通过雕刻机制备 12 根 120mm×15mm×4mm 标准样 条；拉挤、缠绕工艺样条分别从拉挤方管及缠绕杆 塔 制 品 上 裁 剪 下 样 品 ， 并 切 制 12 根 尺 寸 120mm×15mm×6mm 样条。 2）复合材料杆塔和横担制品：根据多因子老化 试验装置内部的空间， 加工 1 根高 1.4m、 直径 20cm 的聚氨酯复合材料杆塔，2 根 130mm×90mm×9mm 聚氨酯复合材料横担，填充聚氨酯泡沫。试验前， 在制备好的复合材料杆塔及横担表面植入应变光 纤光栅，串联应变光纤光栅，如图 1(a)所示，杆身 和横担上的细直线代表光纤，细线上的矩形点为应 变光栅。应变光栅及光纤定位后，表面用树脂固封 保护，其组装实物图如图 1 所示。 树脂及复合材料样品采用悬挂方式，定期挪动 各悬挂样条位置，保证样条所经历老化的环境尽量 相同。 1.2 试验设备 自制多因子老化箱尺寸 2.0m×2.0m×2.0m，主 要技术参数如下： 1） 精确湿度控制。 相对湿度范围： 30%～98%， 湿度应在 20min 内到达相对湿度 98%， 相对湿度精 度：2%～–3%； 2） 试验室温度控制。 温度控制范围： –30～60℃、 控制精度为±0.5℃，闭环控制。 3）多因子老化箱试验条件设置：通过电动机 拉动的曲柄连杆做 0.6Hz 低频摆动，模拟塔身和横 担在架线下摆动情况，同时实现淋雨（淋雨流速 1.2L/h） 、喷酸碱盐雾（喷烟雾密度 7kg/m3） 、高温 （50℃） 、高湿（相对湿度 95%） 、低温（–30℃） 、 2 紫外光照（310nm 波长紫外光，辐照度 100w/m ） 、 额定高电压（10kV）电磁场的条件，提供的摆动推 动力大约为 1200N，绝缘子下端导线重量以拉伸弹 簧 提 供 ， 其 载 荷 是 根 据 常 规 50m 档 距 10kV JKLYJ–10/50 型号导线确定，该挡距导线载荷约 15kg，而试验设计为 25kg(见图 2(右))。 试验条件参考 GB/T19519—2004《标称电压高 于 1000V 的交流架空线路用复合绝缘子—定义、 试 验方法及验收准则》 （IEC61109:1992）复合材料绝 缘子测试标准。试验时间为 4000 h，整个复合材料 杆塔及横担多因子老化系统的基本构成见错误！未 找到引用源。 ，试验循环条件如表 1 所示。
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(a) 应变光纤光栅分布 (b)3 维模型
图 1PU 复合材料杆塔和横担制品 3 维图 Fig. 1 3D-maps and real product of PU composite pole and cross-arm products
0 引言
户外复合材料电力设备的使用必须经过全面 的耐老化性能和使用寿命评估，才能保证运行的安 全性。复合材料杆塔及横担长期经受自然环境下各 种因素的侵蚀和破坏，尤其是大气环境下高湿气、 高低温交替、紫外线照射、雨水和酸雨等条件的侵 蚀老化； 并且随着时间的增加， 老化程度持续增加。 风 偏 和 导 线 的 舞 动 ， 也 会 置 塔 身 和
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监测，需要对复合材料杆塔样品的塔身及横担植入 光纤光栅来实时监测杆塔及横担的应变。因此开展 复合材料杆塔及横担材料在多种外界条件下的老
基金资助项目：国家电网公司 2012 年科技项目(编号略)。 Project Supported by Science and Technology Project of SGCC .
横担长期处在无规律的应力振动及摆动中，引起应 力疲劳老化。同时，负载的高压电磁场会引起材料 极性基团产生极化趋势，而影响到材料性能，导致
复合材料强电磁场下老化。 目前，国内外针对电力复合材料杆塔的材料老 化特性研究，主要关注单一外界条件下老化行为， 而实际杆塔运行面临的是多种条件共同作用环境 下的老化， 其老化速度更快[1-4]。 各种老化因子影响 着复合材料杆塔寿命，但每个因子所起的作用重要 性不同。通常热老化会致使复合材料出现层间离层、 龟裂、变形现象[2,7]，电老化会导致材料表面出现放 电腐蚀、 灼痕[8-12]； 机械老化出现材料分层、 磨损、 [2] 开裂 ；日光老化，会作用于复合材料，使材料表 面粉化，然后导致开裂、色变[13-14]；环境老化会出 现上述不同老化现象，且老化速度更快和破坏程度 更严重[16-20]。 为了对 10kV 老化试验复合材料杆塔进行应变
而每组样品Байду номын сангаас始模量平标准值为 X 0 ， 则经历该段时 间，样品模量保留率计算式为
R X i （1） X0
Et Ft / t S （2）
通过实时监测杆身和横担的实时应变，换算成 监测复合材料杆塔及横担的实时弹性模量变化，由 于杆塔及横担的模量与相应的应变成反比，绘制杆 塔及横担制品的应变变化曲线，同样也能间接反映 出杆塔及横担的模量值变化趋势。通过光纤光栅及 信号调制解调器，记录复合材料杆塔及横担在此老 化过程应变变化趋势，间接反映杆塔及横担模量变 化趋势和杆塔及横担的老化趋势。
DOI：10.13336/j.1003‐6520.hve.20160308026
复合材料杆塔及材料多因子老化特性研究
吴雄，胡虔，潘吉林，彭家顺，柯锐，何昌林
(国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074)
摘要：为了探索电力用复合材料的耐环境老化特性，借助多因子老化箱模拟自然环境下复合材料杆塔运行环境， 观察杆塔材料模量变化和杆塔、横担表面光纤光栅应变变化，表征加速老化条件下改性聚氨酯（PU）/玻纤复合 材料和相应杆塔耐老化特性。经历 4000h 多因子加速老化，PU 和相应复合材料弯曲模量保留率都＞90%，拉挤工 艺的 PU 复合材料样品弯曲模量可高达 95.8%；PU 复合材料杆塔及横担制品最大位移处应变＜2‰，且杆塔应变 低于横担应变。实验结果表明 PU 复合材料杆塔及横担具备良好的抗环境老化性。 关键词：多因子；老化；复合材料杆塔；改性聚氨酯；光纤光栅；横担