空心復(fù)合絕緣子膠裝結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能研究

李 婷，銀 樵

(1.西安西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200;2.四川省水電投資經(jīng)營(yíng)集團(tuán)有限公司，成都 611130)

0 引言

隨著復(fù)合材料在電力電氣領(lǐng)域的發(fā)展[1-2]，復(fù)合絕緣子技術(shù)也經(jīng)歷了近50年的探索、研究,取得了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合絕緣子作為瓷絕緣子的替代品，其各項(xiàng)優(yōu)越性逐步得到了廣大用戶的認(rèn)可[3-6]。而空心復(fù)合絕緣子是20世紀(jì)80年代，主要為了解決SF6電氣設(shè)備外絕緣的污閃和爆炸事故而應(yīng)運(yùn)開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)已有20多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，已覆蓋各類電壓等級(jí)的交直流變電設(shè)備[7-9]。

空心復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)3大部件：緊固裝置、絕緣管、傘套。緊固裝置即連接法蘭，傳遞機(jī)械負(fù)荷，絕緣管為玻璃絲(或布)浸漬環(huán)氧纏繞成型，是產(chǎn)品的內(nèi)絕緣部件，也是機(jī)械負(fù)荷的主要承力主體[10-11]。法蘭和絕緣管采用膠裝結(jié)構(gòu)連接[12]，連接區(qū)起著管和法蘭之間負(fù)荷的傳遞作用，因此空心復(fù)合絕緣子機(jī)械強(qiáng)度除了取決于各部分材料本身的強(qiáng)度和管壁厚外，還與膠裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系[13-16]。目前國(guó)內(nèi)空心復(fù)合絕緣子膠裝結(jié)構(gòu)沿襲了20世紀(jì)90年代的設(shè)計(jì)理念，膠裝時(shí)采用高溫環(huán)氧膠合劑。隨著近年來(lái)新工藝、新技術(shù)的不斷發(fā)展，以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的環(huán)境下，如何發(fā)揮絕緣子機(jī)械強(qiáng)度最大化，研究膠裝結(jié)構(gòu)，即復(fù)合材料和金屬材料的粘接強(qiáng)度則成為重要的工作。

復(fù)合材料和金屬材料粘接強(qiáng)度主要體現(xiàn)在產(chǎn)品彎曲受力和內(nèi)壓力引起的軸向拉伸受力過(guò)程，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定內(nèi)壓力不超過(guò)4 MPa，規(guī)定內(nèi)壓力作用下的軸向拉伸應(yīng)力一般小于15 MPa，而內(nèi)壓許用應(yīng)力一般為70 MPa,故本次研究，僅考慮彎曲受力且著重考核不同膠裝間隙、不同膠裝比下試品的機(jī)械性能，為優(yōu)化膠裝結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品性價(jià)比提供依據(jù)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 試品準(zhǔn)備

本次研究選用的絕緣管為環(huán)氧玻璃絲纏繞管，緊固裝置為ZL101A法蘭，與生產(chǎn)線產(chǎn)品選材無(wú)異。確定了兩種規(guī)格試品(內(nèi)徑/外徑×長(zhǎng)度)：φ200/φ224×1 200，φ150/φ170×1 200。為了排除絕緣管材料本身的影響，試驗(yàn)研究的試品同規(guī)格按批進(jìn)行。

影響空心復(fù)合絕緣子機(jī)械性能的膠裝結(jié)構(gòu)因素主要有膠裝間隙和膠裝比[17]，對(duì)同一結(jié)構(gòu)高度，同一外形尺寸的同一批絕緣管，設(shè)定不同膠裝間隙：0 mm、0.8 mm、1.5 mm、3 mm；設(shè)定不同膠裝比：0.22～0.58，對(duì)試品試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2 試驗(yàn)條件及受力分析：

采用700 kN·m立式彎扭試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，試品垂直安裝，下法蘭牢固地固定，彎曲力施加于上法蘭頂部，如圖1所示。

圖1 彎曲試驗(yàn)受力圖Fig.1 Bending test stress diagram

空心復(fù)合絕緣子彎曲負(fù)荷下的危險(xiǎn)斷面為下法蘭上端面與絕緣管交接處，即圖1的A、B部位。頂桿傳遞負(fù)荷F1于法蘭上端部時(shí)，同時(shí)在C部位會(huì)產(chǎn)生作用力F2，使絕緣管在A部位承受軸向拉應(yīng)力σ1，F(xiàn)1和F2共同作用，使絕緣管在B部位承受力F，B部位的絕緣管內(nèi)部不僅承受軸向擠壓應(yīng)力σ2，同時(shí)承受F力作用下的環(huán)向剪應(yīng)力。所以A部位和B部位是最可能發(fā)生破壞的部位。

若絕緣管的纏繞角(玻璃纖維的纏繞方向與軸向的夾角)越小，軸向拉伸應(yīng)力就越大，環(huán)向擠壓應(yīng)力就越小，即B部位先于A部位發(fā)生破壞，反之纏繞角越大，環(huán)向擠壓應(yīng)力越高，軸向拉伸應(yīng)力越低，則A部位先于B部位發(fā)生破壞。

本次研究?jī)H考慮不同結(jié)構(gòu)因素對(duì)彎曲破壞負(fù)荷的影響趨勢(shì)，不過(guò)分細(xì)究試樣中絕緣管損傷的可逆與否，數(shù)據(jù)采集為設(shè)備直接輸出，判斷依據(jù)為肉眼、聽(tīng)力和曲線分析。

試驗(yàn)分析曲線選取“力—時(shí)間”曲線進(jìn)行分析。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段固定膠裝比，針對(duì)不同膠裝間隙對(duì)產(chǎn)品機(jī)械性能的影響進(jìn)行研究，分別對(duì)0 mm、0.8 mm、1.5 mm、3 mm 4種間隙進(jìn)行分析，每組試品3只。第二階段是根據(jù)第一階段的試驗(yàn)結(jié)果而確定合理的膠裝間隙后，再對(duì)不同膠裝比與機(jī)械性能的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，設(shè)定最小膠裝比0.22，最大膠裝比0.58。

試驗(yàn)參數(shù)確定：彎曲強(qiáng)度計(jì)算[18]公式：

(1)

式中，M管為彎曲力矩，F(xiàn)為彎曲破壞負(fù)荷，l為彎曲力臂(懸臂長(zhǎng))，d、D分別為絕緣管內(nèi)、外徑(見(jiàn)圖1)，[σ]為彎曲許用應(yīng)力。

由式(1)可計(jì)算在某一機(jī)械負(fù)荷下的彎曲應(yīng)力值σ：

σ=32D×F×l/π(D4-d4)

(2)

試驗(yàn)初值擬定，考慮生產(chǎn)差異性，取許用彎曲應(yīng)力50 MPa，代入式(1)，計(jì)算出彎曲破壞負(fù)荷初值F,根據(jù)試品初步擬定值,進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，從而確定每類絕緣管的規(guī)定彎曲破壞負(fù)荷。

試驗(yàn)過(guò)程對(duì)試品最終的彎曲破壞負(fù)荷值和產(chǎn)品破壞前的曲線異常負(fù)荷進(jìn)行記錄，并將負(fù)荷值帶入式(2)，計(jì)算每一負(fù)荷對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)力，作為試驗(yàn)結(jié)果分析的依據(jù)。

考慮絕緣管和法蘭的材料特性，其彎曲破壞應(yīng)力均大于100 MPa,而膠裝彎曲許用應(yīng)力一般為75 MPa，因此將75 MPa作為膠裝區(qū)破壞應(yīng)力的參考值。

2 試 驗(yàn)

2.1 “力-時(shí)間”曲線分析

本次試驗(yàn)研究曲線 “力-時(shí)間”曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為力值，曲線表明施加機(jī)械力隨時(shí)間變化的情況。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的力值曲線統(tǒng)計(jì)如下：

1)平滑曲線，無(wú)波動(dòng)、無(wú)突變等異常，且曲線斜率一致，見(jiàn)圖2(a)所示。

2)異常曲線(見(jiàn)圖2(b)～(d))，存在波動(dòng)、微小突變或明顯突變，甚至曲線斜率呈分段由高變低趨勢(shì)。

圖2 “力—時(shí)間”曲線Fig.2 The stress-time curve

膠裝結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧膠合劑作為復(fù)合材料和金屬材料的粘合劑，其破壞應(yīng)力較其他兩種材料更低，在施加彎曲力過(guò)程中，為首先破壞點(diǎn)。其破壞形式表現(xiàn)為分層、潰裂，導(dǎo)致粘接失效或絕緣管拔脫?！傲Α獣r(shí)間”曲線出現(xiàn)波動(dòng)或微小突變，是環(huán)氧層的微小異常而導(dǎo)致的施力頂桿的微跳動(dòng)，盡管曲線斜率一致，但粘接環(huán)氧已出現(xiàn)了疑似破壞?！傲Α獣r(shí)間”曲線出現(xiàn)明顯突變或曲線斜率明顯由高變低時(shí)，粘接層已破壞或絕緣管已損傷。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 第一階段

1)試品參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

試品D=224 mm，d=200 mm，l=1 090 mm，膠裝比0.4，確定規(guī)定彎曲破壞負(fù)荷為40 kN。試驗(yàn)過(guò)程中全程觀察試品的外觀變化，尤其危險(xiǎn)斷面處，關(guān)注過(guò)程中有無(wú)異響并結(jié)合力值曲線變化，判斷試品破壞狀態(tài)。

試品分類、破壞及曲線變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 不同膠裝間隙的試品分類及破壞情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Classification and damage statistics of test sampls with different binding clearances

續(xù)表1

2)結(jié)果分析

破壞狀態(tài)分析：所有試品破壞現(xiàn)象一致，見(jiàn)圖3所示。破壞位置均在下法蘭上端面(圖1中A、B部位)附近±10 mm范圍內(nèi)，與頂桿方位同側(cè)(即圖1中A部位側(cè))，受軸向拉應(yīng)力而破壞，說(shuō)明該批絕緣管的纏繞角度過(guò)大，軸向拉應(yīng)力小于環(huán)向剪應(yīng)力，結(jié)果符合1.2受力分析。

圖3 試品破壞圖片F(xiàn)ig.3 Sample damage pictures

破壞數(shù)據(jù)分析，見(jiàn)圖4～圖6：

圖4 不同間隙時(shí)絕緣管彎曲破壞應(yīng)力Fig.4 Bending failure stress of tube with different clearances

圖5 不同間隙時(shí)粘接區(qū)彎曲破壞應(yīng)力Fig.5 Bending failure stress in bonding zone at different clearances

圖6 不同間隙時(shí)不同部位平均彎曲破壞應(yīng)力曲線Fig.6 Average bending failure stress curve of different parts at different clearances

則:

①間隙越大，不同部位彎曲應(yīng)力均有下降趨勢(shì)，而粘接區(qū)強(qiáng)度下降最為顯著；

②間隙大于1.5 mm,粘接強(qiáng)度小于75 MPa，不符合要求；

③間隙為0 mm～0.8 mm，可得到最大彎曲應(yīng)力，且應(yīng)力值比較穩(wěn)定。

2.2.2 第二階段

1)試品參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第一階段試驗(yàn)結(jié)果，第二階段試品設(shè)計(jì)膠裝間隙為0 mm，為了豐富試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用兩種規(guī)格(φ200和φ150內(nèi)徑)試品進(jìn)行研究，對(duì)于A類試品D=224 mm，d=200 mm，設(shè)定規(guī)定彎曲破壞負(fù)荷為40 kN。對(duì)于B類試品D=170 mm，d=150 mm，預(yù)測(cè)量試品破壞負(fù)荷大于20 kN，設(shè)定規(guī)定彎曲破壞負(fù)荷為30 kN。試驗(yàn)過(guò)程中全程觀察試品的外觀變化，尤其危險(xiǎn)斷面處，關(guān)注過(guò)程中有無(wú)異響并結(jié)合力值曲線變化，判斷試品破壞狀態(tài)。

試品分類、破壞及曲線變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 不同膠裝比的試品分類及破壞情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Classification and damage statistics of samples with different binding ratio

2)結(jié)果分析

破壞狀態(tài)分析：所有試品破壞現(xiàn)象一致，破壞狀態(tài)同圖3，即破壞位置均在下法蘭上端面和與絕緣管交接處±10 mm范圍，與頂桿方向同側(cè)(即圖1中A部位側(cè))，受軸向拉應(yīng)力而破壞。說(shuō)明該批絕緣管的纏繞角度過(guò)大，軸向拉應(yīng)力小于環(huán)向剪應(yīng)力，結(jié)果符合1.2受力分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：

從圖7、圖8和圖9可以看出：

圖7 不同膠裝比時(shí)絕緣管彎曲破壞應(yīng)力Fig.7 Bending failure stress of tube with different binding ratio

圖8 不同膠裝比時(shí)粘接區(qū)彎曲破壞應(yīng)力Fig.8 Bending failure stress in adhesive zone with different binding ratio

圖9 不同膠裝比時(shí)不同部位平均彎曲破壞應(yīng)力變化曲線Fig.9 Average bending failure stress curve of different parts with different binding ratio

1)絕緣管彎曲強(qiáng)度隨膠裝比增加而增加，而粘接區(qū)強(qiáng)度最高值僅穩(wěn)定在中間某一比值段；

2)膠裝比低于0.32，大于等于0.5時(shí)，粘接區(qū)強(qiáng)度均小于75 MPa，不符合要求。

3 結(jié) 論

1)空心復(fù)合絕緣子彎曲試驗(yàn)過(guò)程中總是膠裝粘接區(qū)首先破壞，膠裝粘接區(qū)的強(qiáng)度大小是影響產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度的主要因素。

2)影響膠裝強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，膠裝間隙宜取0 mm～0.8 mm，膠裝比宜設(shè)定為0.32～0.41，且兩者應(yīng)同時(shí)兼顧，才能發(fā)揮空心復(fù)合絕緣子機(jī)械性能的最大優(yōu)勢(shì)。