电力复合绝缘子的力学性能研究

      复合绝缘子重量轻、防污性能好、防人为破坏性能强等优点，日益得到用户的欢迎，在城农网改造工程中成为绝缘子行业的主力军。作为绝缘子主要应具备两项根本的要求，即外绝缘性能和稳定的力学性能，二者同样重要，缺一不可，因而研究复合绝缘子的力学性能是我们进一步拓展复合绝缘子市场的重要一环。复合绝缘子的外绝缘由硅橡胶来提供，其机械负荷主要由内部的玻璃纤维引拔棒提供，同时涉及到金具与玻璃纤维引拔棒的连接。因此对复合绝缘子力学性能的研究分析，是安全运行的关键。
　　1 端部金具连接结构与芯棒利用率
　　复合绝缘子主要靠单向玻璃纤维增强的树脂引拔棒(俗称芯棒)来承担机械负荷。玻璃钢引拔棒最突出的性能特点即很高的拉伸强度和比强度。引拔棒中的玻璃纤维沿轴向承载方向的顺向排列，使其具有很高的轴向拉伸强度，一般可达1000 MPa以上。因而直径仅18 mm的引拔棒，其拉伸破坏强度即可达到250 kN以上。又由于引拔棒的密度一般只为2.0 g/cm3,因而其比强度(拉伸强度与重量之比)为优质碳素结构钢的5～6倍。引拔棒的高强度、高比强度的特点，正是复合绝缘子强度高、重量轻、杆径细的基础。
　　虽然复合绝缘子完全依靠玻璃纤维引拔棒来承担机械负荷，然而芯棒的强度并不等于复合绝缘子的强度，这是因为芯棒必须通过绝缘子的端部附件传递负荷，才能与输电线路的杆塔及导线相连接。而端部连接处必然是机械应力最集中的地方，不同的连接结构也会导致不同的应力集中程度，因此复合绝缘子的机械强度实际上更多地不是取决于芯棒的机械强度，而是其端部连接的机械强度，也就是芯棒的利用强度。采用同样芯棒而不同连接结构的复合绝缘子，其机械强度是不同的，因此对芯棒的利用强度是不同的。
　　国内外复合绝缘子按照连接结构划分，主要有楔接式和压接式两类，目前以压接式为主要采用形式。压接式生产自动化程度高，外形尺寸小，简洁美观，无论是金具加工还是压接配合都较简单、清晰。我公司采用该种连接结构已有4年了，从试验效果和运行后的抽检可以看出，连接效果很好。压接式连接区对芯棒和金具的尺寸精度、压接时芯棒损伤程度的探测、金具镀锌层质量等都有很高的要求。压接式属于非自锁性结构，必须完全靠预压力产生的金具塑性变形来抵御运行中可能出现的任何滑移，而且由于芯棒与金具的热膨胀系数有较大差异，低温时芯棒尺寸的收缩比金具大，从而要求在压接生产过程中施加足够的预压缩力，以保证在低温环境下金具中仍有足够的压缩量。高温时芯棒尺寸的膨胀又比金具大，从而加大了内应力，为解决这个问题，我们采用国内外最先进的声发射探测的压接工艺，效果良好。
　　楔接式连接结构有内楔和外楔之分，都是利用自锁原理。外楔式接头由于运行效果不好，在运行中抽查发现了机械负荷明显下降的现象，从而被国内电力部门及生产厂家所遗弃。内楔式是在尾端开口的金具上采用正向打楔的装配工艺，同时控制压楔的位移量与压楔力，可以避免连接区在预拉伸负荷下的位移，实现较好的端部密封。而且内楔式属于自锁紧式结构，在长期的运行中，一旦遇到较大的冲击负荷或严重的低温等意外情况，芯棒产生微小的滑移时，自锁紧式结构可以保证芯棒重新夹紧。国内数十万只复合绝缘子采用这种结构形式，运行效果较好。但是由于该工艺破坏了芯棒，同时人为影响较大，生产成本高，工艺复杂，只有少数厂家采用。
　　2 复合绝缘子的机械强度与蠕变特性
　　瓷绝缘子的机械强度用机械破坏负荷一个参数就可以了，而复合绝缘子仅用额定机械负荷一个参数却不够，还需要加上机械强度的蠕变斜率来共同评价。
　　所谓机械强度的蠕变，就是当对复合绝缘子施加一个低于其短时破坏负荷的机械拉力时，复合绝缘子显然不会立即断开，但经过一定时间后，虽然该拉力一直恒定并未增加，但复合绝缘子却断了。施加的机械负荷越高，复合绝缘子所维持的时间就越短，施加的机械负荷越低，复合绝缘子所维持的时间就越长。比如在100 %的破坏负荷下，复合绝缘子在1 min左右就断了，在60 %的破坏负荷下，复合绝缘子至少能维持96 h以上才断，在40 %的破坏负荷下，复合绝缘子可以维持50年左右才断。这种机械强度随加载时间延长而下降的现象就是蠕变现象。
复合绝缘子存在机械强度的蠕变现象，是由于承担机械负荷的芯棒的复合结构造成的。在芯棒中所采用的无碱玻璃纤维直径约5～20 mm，而玻璃纤维所占体积达50 %～70 %甚至更高一些。因而在直径18 mm的芯棒中就有上百万根玻璃纤维，这上百万根玻璃纤维是不可能同时断裂的。首先因为在复合绝缘子的连接结构中，不可避免的存在着应力集中问题，即在芯棒内部各点所受到的机械应力不同，在芯棒内部这上百万根玻璃纤维的状态也不同。有的纤维弯有的纤维直，即使芯棒受到的是宏观上均匀的拉伸负荷，这些纤维的受力状态也必然很不相同。再说这上百万根玻璃纤维本身的破坏强度也不会完全相同，即使受到相同的拉力，这些纤维也不会同时被拉断。基于以上分析，我们可以看到在复合绝缘子上施加一个低于其短时破坏强度的机械负荷时，绝缘子虽没有立即断裂，但芯棒内部的某些纤维由于受到超过其本身强度的负荷已经断了。这些断了的纤维原先承担的负荷只好转移给周围的纤维，从而加大了周围纤维的平均应力。若周围的纤维能够承担这些附加的负荷，则芯棒的内部破坏过程就停止了，若周围的纤维承受不了这些附加的负荷，芯棒的的纤维就继续断裂，需要更大范围内的纤维来承担。从而表现出断裂纤维逐渐增多，剩余纤维平均受力逐渐加大，芯棒的整体强度逐渐下降的蠕变现象。
　　玻璃纤维引拔棒的蠕变现象并不可怕，因为在负荷低于一定的机械负荷之下没有或极少有纤维断裂，蠕变过程就停止了。而设计过程中已经留下了足够多的裕度，芯棒的破坏强度很高，运行中绝缘子的日常机械负荷又很低，一般不足以引起芯棒的蠕变破坏。
　　3 不同连接形式对复合绝缘子机械负荷的影响
　　从目前的研究分析可以发现，复合绝缘子机械负荷的控制关键，是金属附件与芯棒的连接区的控制，我们前面已经分析过存在的连接形式。外楔式连接形式与压接式采用的原理相同，都是给芯棒一个预应力，从而在二者之间产生静摩擦力实现机械负荷的传递。但外楔式的楔片在巨大的压力作用下与金具的内腔产生了较强的分子运动，由于是同一种材料，随着时间的延续，二者就成为了一个整体。又由于芯棒和金具有着不同的膨胀系数，在膨胀系数不一致的情况下，就发生了芯棒与金具的滑移。一旦出现滑移，其机械负荷就会进一步的降低，同时引起端部封口区的护套断裂，密封损坏又引起进水，给芯棒的水解创造了条件，导致芯棒进一步破坏，最后导致绝缘子在连接区的断裂。
　　内楔式连接结构采用自锁原理，其缺点是生产时要先对芯棒锯一个缝，其实也就降低了芯棒本身的机械强度。在锯开的缝中间打入一个楔片，对芯棒产生了一个很大的应力。另外在锯缝的时候其对称性不容易控制，不对称的芯棒所受的应力不均匀，更容易损坏。由于采用自锁式结构，因而一般不会出现抽芯现象，但不对称容易造成一半芯棒断裂。金具的加工要求高，装配的手工工序多而且严格，所以很少采用。
　　压接式是目前国内外共同认可的很受欢迎的连接形式，其原理是金具均匀的周边压力，使金具产生塑性变形，给芯棒一个预应力，从而在芯棒和金具之间产生静摩擦力，实现连接。由于金具内腔与芯棒是无锥度的配合，芯棒受到周围均匀的预压力，应力集中现象得到很好的控制。该工艺操作机械化程度高，金具小巧美观，生产成本低，得到了广泛应用。
　　4 复合绝缘子的芯棒脆断
　　玻璃属于典型的脆性材料，因而玻璃纤维引拔棒在受拉力断裂时与受力方向垂直且光滑平整的断口形态，被描述为脆性断裂或脆性破坏。玻璃纤维引拔棒这种纤维增强类复合材料的正常断裂形态，通常是增强玻璃纤维在芯棒中不同位置的断裂，并同时伴有大量的纤维与基体树脂的分离分层现象，断口粗糙，就好象折断的竹竿或甘蔗那样，被称为分层破坏。但是玻璃纤维引拔棒或复合绝缘子在一定条件下却可发生脆性断裂，断口平整而光滑，就好象没有任何纤维，断面垂直于芯棒轴向的受力方向。复合绝缘子的这种脆性断裂之所以格外受到关注，并不是一种独特的断裂形式，而主要是在完全意外的的情况下发生的。所谓意料之外，一方面是指脆性断裂的负荷远低于正常断裂负荷，比如在正常破坏负荷的30 %以下就可能发生脆性断裂;从另一方面说，脆性断裂的时间有不可预见性。根据运行经验，脆性断裂的时间无规律可寻，长的可以运行数年，短的也就是几个月就断裂了。
基于以上两点，对复合绝缘子的脆性断裂，从生产研究人员到广大的电力用户都很重视脆性断裂问题。根据多年的研究发现，基本认定是应力腐蚀造成的，在酸性溶液与机械负荷的共同作用下，酸性溶液腐蚀耐酸性能并不好的玻璃纤维，使纤维产生微小的裂纹。假若纤维已经存在微小的裂纹可以促使微小裂纹进一步加大，在并不高的外在平均机械应力作用下，纤维微小裂纹尖端的机械应力却可以大大增加，使纤维开始断裂，造成纤维裂纹的不断扩展，裂纹前端的应力腐蚀进一步加剧，从而使芯棒在很低的负荷下就发生了断裂。至于酸性溶液普遍认为是由于复合绝缘子的护套或端部密封失效，导致外界水分进入，水分在强电场作用下，或者在局部发生微弱的放电而产生的。
　　从以上的分析可以看出，提高复合绝缘子的耐应力腐蚀性能的途径有两种。其一是提高复合绝缘子的护套性能和端部密封水平，彻底防止水分的侵入;另一途径是提高复合绝缘子用玻璃纤维引拔棒的耐应力腐蚀性能，最好使用耐酸芯棒。
　　绝缘子的断裂会造成导线落地，脆性断裂的严重性不言而喻。但脆性断裂的发生概率极低，在国内运行的上百万只复合绝缘子中仅有几只断裂，因而复合绝缘子是可以值得信赖的产品，特别是目前生产厂家在芯棒的采用、护套的生产和端部的密封上都有了大幅度的提高，只要生产和使用部门协作一致，一定会对脆性断裂事故得到控制。
　　从以上分析可以得出采用先进的有运行经验的连接方式，严格的生产工艺管理，做好对芯棒的保护，采用耐酸性芯棒，复合绝缘子就会有可靠的机械性能。