法兰节点胶装损伤对复合绝缘子动力特性影响分析

邸悦伦，曹枚根，周曙琛，张若愚

（1.电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室，长沙 410129；2.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；3.江苏神马电力股份有限公司，江苏 南通 226599；4.上海大学 力学与工程科学学院，上海 201900）

0 引言

近十几年，超、特高压电网发展迅速，同时也对绝缘子等电气设备的机械性能提出了更高的要求［1］。复合材料绝缘子由于本身具备老化变形速度慢、抗污闪强的特性、较强的电磁环境适应能力和良好的抗震防灾能力，正逐步替代传统的瓷质材料绝缘子，成为目前中国超高、特高压电力设备外绝缘的一个主要选择。目前国内的部分厂家已经掌握了300 mm及以上的大中口径复合材料绝缘子的研发和产品制备的核心技术，在地震多发区域上也已成功应用［2-4］。

由于超高压和特高压复合绝缘子电气设备的高柔结构特性，在强风荷载、地震冲击以及各种输入特性因素的共同作用与激励下，不可避免地会发生力学性能衰退、振动疲劳的破坏及损耗，从而严重威胁到超高、特高压电网的工作稳定［5-7］。瓷绝缘子与复合材料绝缘子之间最大的差异就是套筒和法兰形接头段的胶装工艺。瓷绝缘子法兰节点采用混凝土将陶瓷套与法兰胶装相连，由于胶装混凝土厚度较大，故可视为受力结构；而复合绝缘子法兰节点则由轻量化的粘接剂将结合套筒与法兰胶装相连，胶装厚度极小。这就直接造成了两种绝缘子的法兰节点受力情况和破坏方式的不同。实验结果表明［8-10］，复合电气设备的主要损伤是由法兰结点在弯曲荷载影响下引起的粘结滑移损伤或套筒和法兰之间脱粘，而复合套管自身则基本不会损伤。所以，在复合支柱绝缘子的多种力学特性中，法兰胶装结点在弯曲荷载下的承受能力和强度都是很重要的力学参数，也直接决定了绝缘子结构的振动特性，如自振周期、结构振型等。

基于动力特性的结构损伤分析方法在建筑结构中广泛运用，但是仅有少量学者对电气设备开展类似研究。曹枚根［11］等通过对三支同型号的支架绝缘子振动疲劳测试，采用多阶模态拟合识别法定性描述了高压支架绝缘子的损坏，并精确地鉴定出了损坏部位和严重程度。张玥［12］等对复合绝缘子进行了多次静力侧推试验和动力特性测试，得到法兰胶状高度与套管侧移刚度的关系，法兰节点损伤对动力特性影响较大。马艳枝［13］对瓷质绝缘子的胶装水泥节点开展预设损伤模拟，较好地模拟了瓷绝缘子动力特性随损伤的变化，并发现节点损伤形式对动力特性改变有较大的影响。

针对复合材料绝缘子目前还没有建立胶体的损伤与整体结构动力特性的变化关系。为此，本文构建了复合绝缘子套管法兰节点精细化的有限元模型，并进行动态特征研究，通过预设胶体在沿法兰高度方向和转角方向损伤来模拟胶体破坏，得到前三阶弯曲频率和扭转频率与胶体损伤的关系。研究分析典型复合绝缘子法兰胶装节点主要胶体损伤模式与绝缘子振动频率的关系，可为复合绝缘子法兰胶装节点的快速损伤评估提供理论支撑。

1 复合绝缘子胶装节点振动特性

1.1 有限元模型

为深入研究法兰节点的胶体本身损伤及其对绝缘子损伤的影响，以±800 kV 单节或复合绝缘子为研究对象，在ANSYS中构建了绝缘子的有限元模型，并在其上方施加了1 t的平衡物，然后再进行动力特性计算。该配重用于模拟支柱绝缘子的工作情况，因为在实际工作时支柱绝缘子自振动频率较低，所以单节点的弯曲振动响应也较无配重的明显。单节绝缘子几何尺寸和重要材料属性如图1和表1所示。

图1 单节复合绝缘子几何尺寸

表1 复合绝缘子材料主要力学参数

在有限元模拟中，顶部配重、上下金属法兰节点、复合绝缘子的粘结剂全部采用20 节点的实体模块Solid95单元进行；为保证计算结果的准确性，实体模块全部通过正六面体模块进行网格分割，并对金属法兰节点和复合悬式绝缘子连接处进行了局部网格密封，胶状的结构厚度约为1 mm。网格分割后，分别在金属法兰内壁和粘结剂的外界面之间、粘结剂内界面和复合套管外侧表面之间置入了三维界面单元Inter204，用于模拟粘结面的胶体粘附和受力脱粘情况；在置入粘结单位时确定金属法兰壁与粘贴剂、粘接剂和套管山的接触位置，在界面不进行划分时处于正常传力的接触，分离时界限法向和切向应力作为胶体开裂应力，本文取40 MPa。套筒底面与法兰盘表层形成紧密接触对，并采取面-面对接方法，使刚性较大的法兰盘上表层成为目标面，采用了Targe170单元；套管下部为接触面，并采用了Conta174 单元，而接触算法则采用增强的拉格朗日法如图2所示。

图2 配重复合绝缘子有限元模型

1.2 整体结构动力特性分析

复合绝缘子的模态分析使用了随机子空间法，分析结果显示，前二阶振型均为弯曲振型，基本频率为3.33 Hz，后三阶模态均为扭转。由于复合绝缘子的法兰节点都是薄弱环节，因此在随机振动过程中产生的节点损坏分析应该同时兼顾低频与高频的情况，比如地震输入下的低频振动作用，卓越频段一般为1～10 Hz；脉动风的荷载成分较多，可视为准静力风、低频风、高频风的组合输入，可以选择0～50 Hz 荷载频段，因为风荷载在此频段的出现几率比较高。

1.3 法兰节点局部振动特性分析

为研究下法兰胶装节点的振动特征，分别给出节点处法兰、胶状材料、复合材料套管的主振型变化，并考虑三者相对变化情况。在考虑顶部配重比下下法兰变化更大，得出下法兰节点各部分的变化。复合绝缘子结构是典型的悬臂构件，因其一阶模态对振动变形的贡献很大。但同时，因为扭转模态也在所选取的荷载频率之间，故也应分析其变化情况。

针对绝缘子的一阶模态，可以选择上法兰和下法兰节作为主要研究对象，根据图3和图4，并将法兰节点局部放大即可发现：上部法兰节处于最顶部位置，因此虽然复合绝缘子的整体振动方式以弯曲变形为主，但由于上法兰节是金属悬臂结构的自由端，在振动过程中上法兰节点的运动模式也可作为平动，从而使得上法兰、上部胶体结构与上部复合套管的位置一致；而由于复合悬臂式绝缘子底部是刚接，因此金属法兰的弯曲刚度变化很大。但是由于复合材料弹性模量系数较低，强度小，金属法兰节和复合悬臂式绝缘子之间的几何形状的不均匀而导致产生了错位，所以也可能会导致在两端产生微变形。研究可发现，复合绝缘子在屈曲及摆动两个阶段中，下端法兰胶体材料对弯曲振动荷载的变化都比较迅速灵敏，由于振动所形成的相对变化也较大。

图3 配重复合绝缘子模态分析

图4 一阶弯曲振型下法兰节点水平向变形

2 胶体损伤因子分析

复合绝缘子的法兰形胶装节点破坏类型有静力影响下胶状直接断裂所引起的缓慢滑动损坏，此类型是在静力影响下或拟静力特点加载后的损坏，负载型式和节点的损坏型式都与复合绝缘子的动力特点无关；而由随机振动或简谐振动等动态荷载（或相互作用）输入方式导致的振动损伤的模型较多，且与复合绝缘子的动力特性有直接联系。同时，振动荷载（或相互作用）的输入频率或频段也会导致复合绝缘子产生不同形式的振动损伤。

无论是静力荷载或者振动负荷，其在对复合绝缘子的法兰节点产生破坏后，绝缘子的动力特征都会出现变化。所以可以对胶体设置预破坏，并进行动力特征分析。而通过研究胶体破坏程度和部位对绝缘子动力特征的影响程度，可反推对绝缘子节点的破坏程度。本文方法和传统的设定伤害有所不同，传统设定损伤或损坏的方法是指利用对已知材料弹性模量、构件断面的等效折减等方法降低构件结构强度或刚度，来对构件进行破坏。但因为没有实际损伤程度和结构强度之间的相对关系，所以采用传统预设损伤的动力特性计算结果可信度较低。

因为复合绝缘子的主要节点是胶装节点，在不同振动负荷影响下胶状的损坏形式、破坏部位等特性均有差异且随机性较高，对结构动力特性的影响也有所不同。因此，可以首先假定胶体损坏的规则形状（四边形），并设定受损胶体的高度、转角两个参数，在所指定的坐标系下，经过对比损伤前后动力特性计算结果，可以大致判断胶体的破坏情况以及损坏形状的参数组成。

图5是胶体形状损伤因子的示意图，含有转角面积因子Sθ和高程因子H，其中Sθ是由角度θ决定的胶体破坏面积及位置，而H则确定了胶体破坏在的高度。

图5 胶体形状损伤因子

由于在预设损伤时，转角损伤是按照顺时针方向进行的，如果直接进行模态分析，则得到的第一阶弯曲振动的方向一定在刚度最小的方向，即胶体损伤最大方向。而实际工程中的振动荷载方向未知，这样无法甄别损伤位置对振动荷载的敏感程度。为此，每个损伤工况在进行模态计算时，不采用直接计算的方法，而是在绝缘子底部输入白噪声时程，方向固定为X 向（对称结构X、Y效果相同），通过频谱变化就可以得到非振动方向胶体的损伤对结构自振频率变化的影响程度。白噪声峰值为0.1 g，g为重力加速度，图6为白噪声时程。

图6 白噪声时程

2.1 高度损伤因子H

高度损伤因子H代表了发生在法兰高度方向上或在给定的法兰截面方向上产生的一种胶体损伤，而胶体对高度方向的横向损伤则为由法兰上端至底部的正角度，即胶体自上而下的损伤。基于此，可以由上至下定义一个预设损伤，越向下损伤越严重。为减少影响因素，可假设胶体在周向没有预设损伤。本文中法兰宽度的适用范围为200 mm，并以胶体破裂前高度范围的每20 mm为一单元逐层递减，破坏后的胶体高度的适用宽度范围为20～200 mm，从而可得到H的宽度范围为0～1，其中0 代表胶体完全无损伤，而1 则代表90%的胶体发生了破坏。表2 为高度损伤对应表和不同高度损伤指标对应的胶体有限元模拟。

根据表2开展高度损伤影响因子对复合支柱绝缘子自振频率变化的损伤影响的分析估算方法，并据此选取了其前两个三阶模态和扭曲模态为目标模态，做出了损伤影响分析曲线，由图7（a）可得出结果：当高度损伤因子H值小于0～0.5 时，绝缘子的各运行阶段中自振频率降低的程度随着高度损伤因子量的相对增加也并不明显，基本都呈现线性指数变化；但当绝缘子的高度损伤因子H值取大于0.6时，自振频率的下降随H值的相对增加也会愈加显著，下降段的倾斜度也随之上升，并逐步呈现线性指数变化；而随着振动模态阶次数的进一步增大，则自振频率值降低得更显著。

表2 高度损伤对应

图7 不同高度损伤因子对复合绝缘子频率影响曲线

选择本文比较关注的1阶弯曲频率下降曲线进行分析研究，并拟合下降曲线，从图7（b）可以得出：当原法兰节点胶体沿高度方向开裂，或当胶体高度损伤低于原法兰高度50%时，复合绝缘子的基本频率变动不大，并呈现线性下滑走势；当胶体高度损伤程度超过总法兰高度的50%时，复合绝缘子的基本频率突变现象尤为突出。

2.2 转角损伤因子Sθ

转角损伤因子Sθ表示在给定转角的胶体高度条件下法兰节点在转角周界向上的胶体面积损伤，复合绝缘子法兰节点无论其在任何一个给定旋转半径方面上被破坏也都会同时受到转角弯曲的荷载作用，从而在任何方面均可能形成破坏，损伤的随机性较大。因此，当预先设计转角位置的胶体破坏后，可选择胶体圆环的任何一个为预设破坏开始位置，根据破坏位置的不同设定胶体的面积破坏，为减小干扰因子，考虑胶体在整个法兰长度上的破坏。

胶体转角损伤因子以36°为一单元依次递增，假定胶体转角损伤因子的区域面积为0°～360°，则可以得到对应的胶体转角损伤因子Sθ范围为0～1，0代表该胶体无明显破损，而1代表破坏与其他胶体的连接。表3是胶体转角损伤对应表式及针对不同胶体转角及损伤影响因素进行的胶体转角有限元模拟。

表3 转角损伤对应

同高度损伤因子一样，可以取配重绝缘子的前三阶模态和扭转模态为目标模态，并分别作出损伤影响曲线，由图8（a）中给出的影响曲线可以得出：当转角损伤因子范围在0.2～0.3和0.7～0.8时，高压支柱绝缘子自振频率降低并随转角损伤因子的增加较为显著；但当位于其他范围内时，绝缘子自振频率随转角损伤因子的增加不显著。

选择本文比较关注的1阶弯曲频率下降曲线进行分析研究，并得出拟合的下降曲线，由图8（b）可以得出：当法兰节点胶体沿周向断裂，并且当胶体破裂部位越接近振动输入的方向时，自振频率的降低速度就越大。观察如图9所示的第1阶振型的变形云图也可以看出：法兰节点变化最大的部位就是振动方向的胶体，而且胶体在往复振荡时会首先产生破损。

图8 不同转角损伤因子对复合绝缘子频率影响曲线

图9 胶体在振动方向的变形

对比现有研究［11-13］，复合绝缘子由于节点胶体损伤导致的整体结构自振频率下降较瓷质绝缘子更加明显，这是由于瓷质绝缘子节点的胶装水泥有一定厚度，受损时只是部分脱落，依然可以具有一定刚度。但是复合绝缘子节点的胶体损伤后会直接附着在套管上，套管和法兰之间失去连接，从而刚度会大幅度下降，即复合绝缘子节点损伤对整体结构动力特性的影响更大。

3 结论

本文以复合绝缘子为研究对象，开展胶体损伤因子变化对其结构动力特性产生的影响分析，得到了以下结论：

1）复合绝缘子法兰节点处胶装层结构中存在的界面性开裂情况往往会引起其整体结构刚度的显著降低，导致绝缘子整体结构自振频率降低，并可能会大幅度降低复合绝缘子法兰节点部分截面的抗弯曲刚度。

2）胶体的开裂特点主要集中表现于沿法兰高度方向的开裂和沿法兰转角方向的开裂，法兰节点弯曲和刚度的变化都与该胶体的开裂点高度呈非线性关系，即该胶体通常会先从法兰节点的上部开始向下慢慢开裂，法兰刚度将随之下降且速度越来越快。

3）胶体转角方向开裂面积与法兰节点的弯曲刚度的下降幅值之间呈线性关系，振动方向的胶体损坏对法兰刚度影响最大。