关键词：复合空心绝缘子;缠绕角;应力;性能价格比分类号：TM216 文献标识码：A文章编号：1003-8337（2000）01-0003-04 1 引言 复合空心绝缘子与瓷空心绝缘子相比具有以下优点:重量轻（比同电压等级瓷质的轻1/3～4/5）、防爆性能好以及优良的电气性能,特别是可达到很高的污秽等级。目前,国外已开始在断路器、套管、互感器等多种电力设备上使用,是替代瓷空心绝缘子的新一代产品。由于不同电力设备对空心绝缘子的机械性能有不同的要求,如灭弧室对内压力要求高,支柱绝缘子和互感器承受弯曲负荷大,传统的瓷质绝缘子在252kV等级以上很难满足电力设备的高性能、特别是高强度的需求。为此,尽快开发高电气性能、高机械强度的复合空心绝缘子,开拓复合绝缘子市场是当务之急。复合空心绝缘子内层采用环氧玻璃纤维缠绕管,它承担了主要的机械负荷。因此要开发高电气性能和高强 度的复合空心绝缘子首先要解决满足电气性能要求且具有很高机械强度的缠绕管。 某500kV互感器用空心绝缘子要求额定弯曲负荷达到240kNm,内压力2.6MPa。目前国内材料弯曲破坏强度最高（高强度铝质瓷）不超过140MPa,且制造工艺复杂、费用高、重量重;同时由于大型瓷件存在一定分散性,用高铝瓷制成的大型空心瓷件弯曲破坏强度一般只能达到30MPa～50MPa。因此,若用瓷制造,瓷壁厚度就需50mm以上。 缠绕管材料弯曲强度一般都在200MPa～400MPa,其工艺简单、质量稳定,制品性能分散性小。经过十几年的配方和工艺改进,缠绕管的电气性能逐步稳定。已在有载分接开关、氧化锌避雷器的隔弧筒上得到应用。缠绕管的电气性能见表1。但其制成的大型空心管件能否满足复合空心绝缘子机械性能要求,即其破坏值能达到多少,尚未明确。为此对几种形式的缠绕管进行了机械性能测试,根据试验结果和进一步的分析说明缠绕管材料制品是可设计的,改变缠绕管的绕制角度可以相应的调节其机械性能,在不增加壁厚或减小壁厚时（费用不变或降低）还能满足复合空心绝缘子机械性能要求,达到确保质量,降低成本,从而提高性能价格比。2 试验情况与讨论 国内环氧玻璃纤维缠绕管都是采用湿法绕制工艺,即用不间断玻璃纤维（纱）先浸渍环氧树脂;再卷绕在钢制芯轴上,卷绕一定厚度后再通过高温固化成型。玻璃丝（纱）绕制方向与芯轴的夹角称为缠绕角。对A、B两厂同样规格,不同绕制角度的缠绕管进行了内压力试验和弯曲破坏试验,数据见表2。从表2可以看出,两厂同类型的缠绕管破坏强度值偏差不大,并且随缠绕角度减小弯曲强度增加,缠绕角度减少30°左右后,同规格缠绕管弯曲强度可以增加4倍～5倍,同时内压力也均通过试验,满足要求。 表1 某环氧玻璃纤维缠绕管电气性能参数 项 目 单 位 指 标 密 度 g/cm3 1.9～2 吸水率 % 0.02 耐热等级 级 B～F 介 损 0.02 体积电阻 Ωm 2.6×1012 垂直层向耐电压 kV ≥70 （30mm） 平行层向耐电压 kV ≥20 （3mm） 表2 不同缠绕角度的缠绕管机械性能测试结果 规 格 内压力 0.5MPa 弯曲破 坏力 kN 弯曲破 坏强度 MPa 缠绕角 A厂 170/150 ×800 均通过 7.232 30 75°～80° 7.13 29 34.67 143 40°～45° 32.72 140 B厂 170/150 ×1200 均通过 7.05 34 75°～80° 6.80 33 29.75 140 40°～45° 30.14 142 在CELLPARK公司缠绕管资料中耐内压力强度和弯曲强度简图（见图1）也表明了这一观点。看来这种现象不是偶然的。为此对复合空心绝缘子在悬臂弯曲和内压力试验中的受力状态进行了分析。3 缠绕管的受力状态分析3.1 悬臂弯曲受力分析 空心绝缘子弯曲强度与绝缘子材质、胶装比和结构参数有关。在胶装比合理的状况下,复合空心绝缘子弯曲负荷下的危险端面发生在下法兰与缠绕管交接处,根据弯曲强度计算公式,若缠绕筒的结构参数不变（指内外直径不变）,缠绕管的破坏强度就由缠绕管材质的弯曲破坏强度σmax决定。 弯曲强度计算公式FL=σmaxZ （1）式中,Z=π（D4-d4）/32D为危险断面弯曲断面模数图1 不同缠绕角度下,缠绕管内压力、弯曲强度变化示意图 截取危险端进行受力分析。危险端面上任意点的正应力是以中性轴为界,一侧为拉应力,另一侧为压应力,见图2,破坏应力出现在管的最外侧,因此悬臂弯曲强度主要与材料在轴向方向的应力分布有关。从试验中发现缠绕管均首先在拉应力侧出现破坏,若能加强管轴向方向拉应力,也就可以增大管悬臂弯曲破坏强度。3.2 内压力应力分析 瓷制空心绝缘子的壁厚/内径一般都大于1/10,所以内压力计算公式是根据厚壁圆筒内压力应力分布情况而确定的,最大应力出现在圆筒内表面,而复合空心绝缘子采用的缠绕管的壁厚/内径一般都小于1/10。在图2 危险截面应力分布示意图内压力状态下缠绕管与端部附件是连成一体的,见图3。内压力产生的轴向拉应力也由缠绕管承担。薄壁管在内压力作用下,轴线方向和径向方向的伸长变形可认为是均匀的［3］,管壁上任意一点受力情况都是一样的,见图4。由此可以推出以下公式: 由πd2P/4=πdTσz （2）推出轴向应力σz=Pd/4T （3） 式中P为内压力;D为管内径;T为壁厚。图3 圆筒受力分析示意图4 缠绕管径向、轴向应力分布示意图由Pd/4=σj（2T） （4）推出轴向应力σj=Pd/2T （5）由公式（3）与公式（5）可推出σj=2σz （6）公式（6）表明在内压力状态下所受的径向应力是轴向应力的两倍。 通过上面的受力分析以及试验结果,说明缠绕管的弯曲强度与缠绕管轴向应力有关。瓷、金属等材料各方向的σmax均一样,制成绝缘子的σz和σj为同一值。但作为缠绕管骨架材料的玻璃纤维（纱）是按一定顺序排列缠绕在一起,σz和σj有一定的分布特性。玻璃纤维有很高的拉伸强度,在环氧树脂强度一定情况下,缠绕管的σz和σj的大小由玻璃纤维径向、轴向分量的大小决定。也就是随缠绕管缠绕角度的变化而变化。表3是文献［2］中给出的不同缠绕角下径向和轴向强度关系,进一步可以看出缠绕角度的大小对缠绕管的弯曲强度有影响,缠绕角度减小,缠绕管的轴向应力大大增加。 表3 不同缠绕角下径向和轴向强度关系 缠绕角 54.73° 63.43° 67.79° 70.53° 径向拉伸强度 0.666σ 0.8σ 0.857σ 0.888σ 轴向拉伸强度 0.333σ 0.2σ 0.143σ 0.111σ 径向/轴向 2/1 4/1 6/1 8/1 注:此表中σ为纯径向缠绕时的径向拉伸强度。 根据这种结构形式特点,我们在研制500kV互感器上复合空心绝缘子时就选用一定角度的缠绕管,比最初设计的壁厚减少近1/3,缠绕管费用减少1/4。最终产品与同等级瓷空心绝缘子相比,壁厚减少60%,重量减轻70%。机械性能均超过其规定的额定负荷的要求。其性能价格比相对提高。 目前国内一些缠绕管制造厂家已逐步使用计算机辅助进行排丝缠绕,使缠绕角度设计成为可能;若要提高缠绕管的弯曲强度,则在缠绕管绕制过程中,应尽量让玻璃丝缠绕方向尽量沿轴线方向进行绕制,即减少缠绕角度,使玻璃丝拉伸强度分量尽量沿轴向分布,从而改善缠绕管的轴向应力,提高缠绕管的弯曲强度;若仅对缠绕管的内压力性能要求,则缠绕角度为54.73°最为合适。 减小缠绕角度时应在绕制过程中注意工艺方法,减少绕制缺陷,满足缠绕管设计绕制要求,提高缠绕管的机械性能。4 结论 （1）在一定工艺水平下,复合空心绝缘子用缠绕管的缠绕角度对复合空心绝缘子的机械性能有直接的影响。同样壁厚的缠绕管随缠绕角度减小悬臂弯曲强度增加,内压力强度减小。 （2）对于机械性能主要要求内压力的复合空心绝缘子可以选择缠绕角为54.37°的缠绕管;而以悬臂弯曲强度为主要负荷复合空心绝缘子,在工艺条件允许的范围内（不影响其他性能）,减小缠绕角。这样在满足高强度复合空心绝缘子机械性能要求的同时还可达到降低成本,提高经济效益的目的。 （3）缠绕管生产厂家应与复合空心绝缘子制造厂进一步密切合作,确定不同缠绕角度下缠绕管机械强度的许用应力,对不同用途的复合空心绝缘子提供不同要求的缠绕管,进一步开拓缠绕管在电力行业的市场。5 致谢 周法湘高级工程师对本文提出了许多宝贵的修改意见,在此表示衷心感谢。■作者单位：江讯（西安电瓷研究所,陕西 西安 710077）参考文献：［1］丘志贤.高压绝缘子的设计与试验［M］.1996.［2］林柏生.缠绕玻璃钢管道轴向强度设计［J］.玻璃钢/复合材料,1991,（1）.［3］工程力学（下）［M］.三十八所院校联合编写组,1978.
