井 谦，张长征，彭 静，刘于新，刘志强，何远华

基于动态应变表征220 kV空心复合绝缘子机械特性的研究

井 谦，张长征，彭 静，刘于新，刘志强，何远华

（西安高压电器研究院有限责任公司，西安710077）

以220 kV空心复合绝缘子作为试样，利用动态电阻应变仪研究空心复合绝缘子不同位置区域的最大应变和残余应变规律。试验结果表明弯曲负荷下空心复合绝缘子缠绕管受拉侧和受压侧最大应变区域都出现在离下端部附件上边缘距离45 mm处附近，这与GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中应变片的粘贴位置一般推荐在离其距离30 mm稍有不同，且下端部附件对试样底部区域的影响也不尽相同，随着离下端部附件上边缘距离的增加，受拉侧受端部附件影响依次从强到弱，而受压侧依次为弱-强-弱，两侧都在距离其约45 mm处影响最小。在弯曲负荷4.5×MML（最大机械负荷）之前，不同粘贴位置区域的残余应变与最大应变百分比都小于2.5%，处在可逆的弹性阶段；空心复合绝缘子缠绕管受拉侧和受压侧的弯曲负荷与应变曲线尾部走势略有不同，具体表现在受拉侧曲线斜率逐渐增加，而受压侧曲线斜率逐渐减小，以致最后管壁两侧断裂损坏现象也不尽相同。

空心复合绝缘子；应力；应变；残余应变；机械特性；最大机械负荷

0 引言

与传统空心瓷绝缘子相比，空心复合绝缘子具有优良的防污闪性能、机械性能稳定、优异的抗震性能、重量轻、免维护及不存在瓷绝缘子粉碎性爆炸引发二次事故问题等优势[1-3]。近年来，随着复合绝缘子的快速发展，电站设备用空心复合绝缘子也逐渐得到越来越多的推广应用，现已广泛应用于（110～750）kV变电设备上[4-6]。空心复合绝缘子由保护作用的弹性伞套和承受机械负荷的绝缘管构成，机械负荷由金属端部附件传递到绝缘管[7]。

GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中指出：“空心复合绝缘子的机械特性与空心瓷绝缘子不同，在机械应力影响下，为了确定空心复合绝缘子机械劣化的原因，本标准中引入了应变仪测量。确定劣化原因的其他方法还在研究中（例如声发射测量），但在现阶段还没有更好的方法可采用[7]。”从其描述可以看出目前还没有更合适的方法来确定空心复合绝缘子机械劣化的原因，即使采用应变仪测量方法，无论是在GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中的相关规定，还是在行业的检验上，都对这种表征方法存在不少争议，对其研究以及应用，还处在探索阶段。虽然存在一定的问题，但目前应变测量法仍然是GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中空心复合绝缘子的型式试验项目，是开展空心复合绝缘子检验的重要方法。

基于上述背景，本项目主要是利用动态电阻应变仪，参照标准GB/T 21429-2008（IEC 61462:1998，MOD），深入研究空心复合绝缘子的最大应变区域和残余应变，了解空心复合绝缘子的机械特性，探索应变测量法的内在规律，积累相关试验数据，期望为空心复合绝缘子的应变检验提供依据，并为相关标准的修订工作提供一定的参考。

1 动态应变测试方法

1.1 试验设备

动态电阻应变仪：设备型号为DH8302，量程±100 000 με，电压示值误差为 0.05%F.S，温漂小于0.05 με/℃，时漂小于1 με/天，16通道。采用1/4桥测量，设置采样频率为100 Hz，应变片电阻120.1±0.1 Ω，灵敏系数K=2.14±1%。

大型弯扭试验机：型号为WNW-200，精度等级为1.0级。

1.2 测量系统原理

电阻应变仪设备测量的原理是将粘贴在被测试件上的电阻应变片的电阻变化率△R/R转换成电压变化输出，再经放大电路放大，然后经电信号采集系统收集，利用成套软件可以实时显示波形，并可以进行相关数据处理。

由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压的变化，因此需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用惠斯通电桥，其有四个桥臂R1、R2、R3、R4按顺序接在A、B、C、D之间，如图1所示。

图1 惠斯通电桥示意图Fig.1 The schematic diagram of Wheastone bridge

电桥的对角点AC接电源E，另一对角BD为电桥的输出端，其输出电压UBD经计算输出电压为

当R1×R2=R3×R4时，UBD=0，这是电桥平衡的条件。

在实际测试中，随着被测试件的变形，四个桥臂上的电阻应变片都会发生微小变量，各电阻应变片的电阻变化为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，各电阻应变片所感受的应变量分别为ε1、ε2、ε3、ε4，通过理论推导计算，可以得出UBD的变化量：

当电桥中只有一个桥臂参与机械变形时，由公式（2）可以得知，即电阻应变片的应变量正比于输出电压ΔUBD，通过测量电压信号即可计算出被测试件的应变量。

1.3 试验样品及测量方法

笔者选用的空心复合绝缘子样品高度2 400 mm，弯曲强度最大机械负荷（MML）=4 kN，根据GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中第8.3条以及日常检验经验，电阻应变片的粘贴位置应布置在垂直于弯曲力平面的最大竖截面的缠绕管轴线处，应变片1和6紧邻下端部附件上边缘处，相邻电阻应变片间距离为15 mm，即同一侧的应变片距下端部附件上边缘的距离依次为0、15 mm、30 mm、45 mm、60 mm，其粘贴位置及连接通道示意图如图2所示。由理论分析可知，应变片1～5和应变片6～10主要分别受压应力和拉应力影响。

图2 应变片粘贴位置及连接通道示意图Fig.2 The schematic diagram of strain gauges with different sticking position and connecting channel

根 据 GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中第8.4.2条对空心复合绝缘子进行弯曲试验，先需进行三个阶段试验。当第一阶段试验结束后，在第二阶段试验过程中势必要重复前一阶段试验过程，类似地，再进行第三阶段试验时，要重复进行前两个阶段试验过程。为考察空心复合绝缘子在重复进行弯曲试验时，在弹性阶段范围内最大应变是否不同，因此弯曲负荷加载过程如下：

1）第一阶段：在MML（最大机械负荷）下试验，保持60 s，该时间与标准中规定的保持30 s略微不同；

2）第二阶段：在MML、1.5×MML下试验，各保持60s，弯曲负荷连续不间断；

3）第三阶段：在MML、1.5×MML、2.5×MML下试验，各保持60 s，弯曲负荷连续不间断。

在前面三个弯曲试验阶段后，对样品再依次进行3.5×MML、4.5×MML、5.5×MML…下弯曲负荷试验，直至样品出现断裂损坏现象，记录在各个弯曲负荷下样品的最大应变和残余应变值。为减少前一次弯曲负荷下残余应变对后一次测量的影响，每次测量残余应变的时候都对前一次的残余应变进行清零。

2 实验结果与分析

2.1 不同弯曲负荷状况下不同粘贴位置区域的空心复合绝缘子应变分析

图3为不同弯曲负荷状况下空心复合绝缘子应变曲线。从图中可以看出，无论是在MML、1.5×MML、还是在2.5×MML下，拉应力状态下应变从大到小依次为：9通道应变＞10通道应变＞8通道应变＞7通道应变＞6通道应变，压应力状态应变从大到小依次为：4通道应变＞5通道应变＞3通道应变＞1通道应变＞2通道应变，表明在不同的弯曲负荷状况下，样品在拉应力状态和压应力状态下的最大应变通道都分别为9通道和4通道，即最大应变区域出现在距下端部附件上边缘45 mm附近，这与GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中应变片的粘贴位置一般推荐在离下端部附件上边缘30 mm稍有不同。在拉应力状态下，虽然9通道应变大于10通道应变，但在MML下和在1.5×MML下，两者的数值相差并不大，应变曲线几乎重合，只是随着弯曲负荷的增加，直至在2.5×MML下，两者的应变数值差才逐渐增大，这时应变曲线才表现出一定的区别。在压应力状态下，5通道与3通道的应变也有类似的情形。

从应变曲线的数据统计还可以看出，当进行后续阶段试验过程中，与前一阶段相重复的试验过程部分，两者的最大应变值有细微差别，但差值不大，两者偏差百分比在2%左右，推测这可能与电阻应变片的机械滞后效应有关，虽然此时应变片仍然工作在弹性阶段范围内，但在反复加载-卸载-加载过程中，同一弯曲负荷下应变值仍有差别。为减少应变片机械滞后效应带来的测量结果误差，可对粘贴应变片的试样在弹性范围内加载几次[8]。

图4为不同弯曲负荷下不同应变片粘贴位置的最大应变曲线。由于应变的正负只是拉应力和压应力的表现状态，因此将压应力下的负应变前的负号作去除处理，以便直观分析，以下相同，不再作说明。从图中可以看出在拉应力区域，在不同的弯曲负荷作用下，随着离下端部附件上边缘距离的增加，最大应变值都先逐渐增加，直至在距离45 mm处应变值达到最大值，然后呈减小趋势。按照理论计算6通道应变值，即距下端部附件最近处的应变片受到的应力应该是最大的，其应变数值也应该最大，反而其应变值表现最小，这说明在拉应力状态下距下端部附件边缘的应变片受到端部附件的影响最大。相反地，在压应力区域，不同弯曲负荷作用下，随着离下端部附件上边缘距离的增加，最大应变值都先逐渐减小，直至在距离15 mm处应变值达到最小值，然后再继续增加，直至在距离45 mm处应变值达到最大值，最后呈减小趋势。在压应力区域，2通道应变值最小，即距下端部附件上边缘15 mm处，这与拉应力区域下的表现状态不同，表明在压应力的作用下，受到下端部附件影响最大的不是紧邻其边缘的区域，而是距下端部附件上边缘有一定距离的区域。距离其45 mm处的4通道应变值最大，这与拉应力状态下出现最大应变的位置区域相一致。

图3 不同弯曲负荷状况下空心复合绝缘子应变曲线Fig.3 The strain curves of the composite hollow insulator under different bending loads

上述的应变模拟曲线是根据由应变片在不同粘贴位置测量的数据点，利用样条插值方法得到的控制弯曲程度的顺滑自由曲线，即Spline样条曲线拟合而成。可以大致判断出拉应力和压应力状态下，端部附件对其上边缘附近位置区域的影响是不同的，具体表现在拉应力状态下，随着离端部附件上边缘的距离增加，端部附件对试样底部区域的影响依次从强到弱，直至在距离约45 mm处影响最小，若距离继续增加，由于受到的拉应力逐渐减少，其应变值也相应降低，符合一般电阻应变效应规律。而在压应力状态下，随着离端部附件上边缘的距离增加，端部附件对试样底部区域的影响依次为弱-强-弱，直至在距离约45 mm处影响最小。

还需要提及的是，无论是在拉应力状态还是在压应力状态下，真实的最大应变值和最小应变值都可能不会出现在粘贴位置的某一点处。由于应变片也有一定长度，以及粘贴空间的需要，相邻应变片的间距不可能无限小，所以不太可能在现场试验上得到最大应变或最小应变的位置区域。即使存在这样的问题，但由Spline样条插值法拟合而成的曲线还是可以推断出上述结论。

图4 不同弯曲负荷下不同应变片粘贴位置的最大应变曲线Fig.4 The maximum strain curves of strain gauges with different pasting position under different bending loads

2.2 不同弯曲负荷状况下空心复合绝缘子残余应变与最大应变百分比分析

图5为不同弯曲负荷下不同应变片粘贴位置的残余应变与最大应变百分比曲线。从图5中可以看出，无论是在拉应力还是在压应力状态下下，随着弯曲负荷的增加，无论在弯曲负荷MML、1.5×MML、还是2.5×MML下，甚至在4.5×MML负荷下，应变片不同粘贴位置的残余应变与最大应变百分比都呈平缓变化，无相应规律，但都小于±2.5%，最后只是在弯曲负荷21.7 kN时，样品下端部附件处缠绕筒出现损坏断裂，其残余应变与最大应变百分比出现剧烈增加，都约为20%，但此时的残余应变已无参考意义。

对220 kV空心复合绝缘子样品来说，虽然在试验中发现最大应变位置区域没有出现在国标GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）推荐的粘贴位置，即距下端部附件上边缘30mm处，但其残余应变与最大应变的百分比曲线表明，即使试验前无法确定最大应变区域位置，应变片没有粘贴在最大应变区域，若在已经考虑减少下端部附件对其测量影响的前提下，两者的百分比在一定程度上也能表征空心复合绝缘子的机械特性，因此单纯地一味追求寻找最大应变区域位置并无多大意义，残余应变与最大应变百分比的准确性才是试验的最终目的。

图5 不同弯曲负荷下不同应变片粘贴位置的残余应变与最大应变百分比曲线Fig.5 The percentage curves of residual strain divided by maximum strain maximum of strain gauges with different pasting position under different bending loads

由于轻度的可见损伤并不明显可见，若只是以肉眼观察，很难区分可逆的弹性状态与不可逆的塑性状态两者间的界限，所以标准GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中第8.4.2条中给出了界限推荐值，即残余应变占最大应变的±5%。在弯曲负荷1.5×MML下时，负荷施加前和施加后，缠绕筒的应变相同，即残余应变在最大应变的±5%以内，即为可逆的弹性阶段，表明缠绕管没有出现损伤。而在弯曲负荷2.5×MML下，残余应变允许超过最大应变的±5%，即为不可逆的塑性阶段。

空心复合绝缘子的缠绕筒是由玻璃纤维增强树脂材料复合而成，其应力-应变曲线受玻璃纤维含量不同而略有变化，但有文献[9]表明同一种工艺条件制成其材料的应力-应变曲线是一定的，且其重复性较好。图6为距下端部附件上边缘45 mm处应变片的弯曲负荷与应变曲线，从图中可以看出在弯曲负荷4.5×MML之前，缠绕管受拉侧和受压侧的应变与弯曲负荷呈正比，基本处在可逆的弹性阶段范围内，但在4.5×MML之后，应变曲线尾部走势表现不同，受拉侧下曲线斜率逐渐增加表明受到的应力迅速增大而应变变化缓慢，受压侧下曲线斜率逐渐减小表明应变迅速增大而应力增加速度减小，最终导致缠绕筒在受拉侧明显出现断裂损坏，而受压侧的管壁损坏现象并不明显，这与试验现场结果的表现状态相一致。

图6 距下端部附件45 mm处应变片的弯曲负荷与应变曲线Fig.6 The strain curves between bending load and strain of the strain gauge pasted at the point 45 mm from the lower end fitting

结合残余应变与最大应变百分比曲线和弯曲负荷与应变曲线综合分析，可以判断在弯曲负荷4.5×MML之前，缠绕筒处在可逆的弹性阶段，弯曲负荷4.5×MML至21.7 kN这一过程中，缠绕筒处在不可逆的塑性阶段，直至最后出现管壁断裂损坏，此塑性阶段过程较短暂。缠绕筒的可逆弹性阶段和不可逆的塑性阶段界限分明，无屈服阶段，变形量很小，基本属于脆性材料范畴，表明若一旦缠绕筒管壁出现新的裂纹、缺陷或损伤，其很快将发生断裂损坏。而在国家标准中规定弯曲负荷2.5×MML（该值一般小于或等于SML（规定机械负荷））下，残余应变允许超过最大应变的±5%，但应保证没有出现可见的损伤。假若试验时超过规定值±5%，表明缠绕筒管壁极可能有不可见损伤等现象发生，并很快可能发生断裂损坏，甚至在还未到达SML时就已经损坏严重，此外根据日常检验其它各种型号的空心复合绝缘子经验，在2.5×MML弯曲负荷下，残余应变与最大应变的百分比也都常常小于±5%，因此针对这一规定值得分析研究和讨论。

标准中指出数值±5%是作为指导给出，将来积累了经验后它可能会被修改。因为本文仅初步对220 kV空心复合绝缘子进行了最大应变和残余应变的研究，样本单一，且应变法表征空心复合绝缘子机械特性时，影响试验结果的因素较多，一方面是外在条件，如试验设备的零漂温漂和测量误差、应变片的精度、应变片的粘贴位方法和位置、电气接触不良等；另一方面是被试空心复合绝缘子的固有特性，如样品的端部附件胶装高度、缠绕筒的内径和壁厚等，所以目前所做的工作还不能够对此充分讨论，现阶段只是积累应变测量法数据经验，对应变法测量空心复合绝缘子的应用提供一定的参考指导。下一步工作的重点将是研究不同型号的空心复合绝缘子的端部附件胶装高度、缠绕筒的内径和壁厚对最大应变区域位置和残余应变的影响规律，期望将来有足够多的数据统计，以对界限值±5%是否准确合理提供参考意见。

3 结论

选用220 kV空心复合绝缘子作为试样，参照标准GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD），利用动态电阻应变仪研究空心复合绝缘子不同位置区域的最大应变和残余应变规律，得出了以下结论：

1）空心复合绝缘子缠绕管受拉侧和受压侧最大应变区域都出现在离下端部附件上边缘距离45 mm处附近，这与GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD）中应变片的粘贴位置一般推荐在离下端部附件上边缘30 mm稍有不同；

2）弯曲负荷作用下，随着离下端部附件上边缘距离的增加，空心复合绝缘子缠绕管受拉侧受端部附件对试样底部区域的影响依次从强到弱，而在受压侧，对试样底部区域的影响依次为弱-强-弱，两侧都是在距离其约45 mm处影响最小；

3）在弯曲负荷4.5×MML之前，不同粘贴位置应变片的残余应变与最大应变百分比都小于2.5%，处在可逆的弹性阶段；

4）空心复合绝缘子缠绕管受拉侧和受压侧的弯曲负荷与应变曲线尾部走势略有不同，具体表现在受拉侧曲线斜率逐渐增加，受压侧曲线斜率逐渐减小，以致最后管壁两侧断裂损坏现象也不尽相同。

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Study on Mechanical Characteristic of 220 kV Composite Hollow Insulator Based on Dynamic Strain

JING Qian，ZHANG Changzheng，PENG Jing，LIU Yuxin，LIU Zhiqiang，HE Yuanhua
（Xi′an High Voltage Apparatus Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an ，China 710077）

With the use of the 220 kV composite hollow insulator，the maximum strain and residual strain exerted on the different positions of the composite hollow insulator are studied by dynamic strain in⁃dicator.The experimental results show that under bending moments the maximum strain of tension and compression sides of the composite hollow insulator is measured at the point about 45 mm from the lower end fitting，which is slightly different from the recommended 30 mm by GB/T 21429—2008（IEC 61462:1998，MOD），and that the strain exerted by the lower end fitting on the bottom area of the sam⁃ples is not exactly the same.With the increase of the distance to the top edge of lower end fitting，the ef⁃fect on tension side is from strong to weak and the effect on compression side is from weak to strong，then strong to weak.Both of them have the weakest effect measured at the point about 45 mm from the lower end fitting.Before the bending load reached 4.5× MML（maximum mechanical load），the percentages of residual strain divided by maximum strain of the different pasting positions are both less than 2.5%，indi⁃cating the elastic phase.There are different trends of the tail curve between bending load and strain on the tension and compression side of the composite hollow insulator，which is reflected in the gradually in⁃creased slope of tension curve and decreased slope of the compression side curve，resulting in the differ⁃ent fracture phenomenon on both sides of the pipes.

composite hollow insulator；stress；strain；residual strain；mechanical characteristic；maximum mechanical load

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.034

2017-05-08

井谦（1984—），男，硕士，工程师，现从事绝缘子检测和论证工作。