复合绝缘子交界面非线性粘弹本构模型与弱粘接缺陷无损识别方法

The adhesion defect in the interface is most common failure mode of the composite insulators, and threatens the running safety of EHV and UHV transmission systems applied with massive composite insulators. The current non-destructive detection technology (NDT) only focus on the serious debonding in the interface with apparent voids, but is unable to discover the weak adhesion defect which is a more frequent type of the adhesion defect. Based on the adhesion mechanism of the interface, firstly we construct an equivalent model which take the hydrogen bond in the interface as a macroscopic spring and build up a non-linear elastic constitutive model in the non-metallic interface according to the relationship between the potential energy of diatomic group and the length of chemical bond. This model is aimed to disclose the mechanism of non-linear characteristics of interfacial wave in the weakly adhesive non-metallic interface and calculate the distortion parameters of interfacial wave. Secondly, we plan to study the non-linear acoustic method applied to non-metallic interface and measure the distortion of the interfacial wave and revise the previous model accordingly. At last, on the premise of the results above, we intend to discover the most sensitive stress wave factors in relation to adhesive strength and propose a non-destructive detection technology for weak adhesion defects of composite insulators.

交界面粘接失效是复合绝缘子主要的故障形式，严重威胁着大量使用复合绝缘子的超、特高压输电系统的运行安全。现有的无损检测方法仅针对界面存在空隙的严重脱粘缺陷，但对最主要的粘接失效形式-弱粘接缺陷无能为力。本课题拟从交界面的粘接机理出发，首先将硅橡胶与芯棒之间通过偶联剂形成的氢键等效为宏观弹簧模型，并基于双原子分子间势能与化学键长度之间关系，建立非金属交界面非线性粘弹本构模型，以揭示界面波在弱粘接非金属交界面出现非线性畸变的机理，同时实现对非线性行为的数值计算；然后基于现有金属基交界面的试验经验，研究适用于非金属基交界面的非线性声学试验方法，并测量界面波在交界面的非线性行为，验证并完善所得到的本构模型；最后基于非线性试验特性，研究对粘接强度最为敏感的应力波因子，并最终提出一种可以识别复合绝缘子弱粘接缺陷的无损检测方法。

界面粘接缺陷是目前运行复合绝缘子所面临的最主要问题，为保证架空线路，特别是大量采用复合绝缘子的超特高压输电线路的安全，合适的界面缺陷无损检测方法尤为关键。由于复合绝缘子使用硅橡胶材料的强伸缩性，及其圆柱形结构，当交界面粘接失效时，外部硅橡胶材料仍将紧贴内部环氧芯棒材料，气隙尺寸低于毫米级，且保留微弱的粘接性，现有的利用电磁波、机械波在不同界面的折反射规律进行缺陷测量的方法，从机理上不再适用。. 为解决“复合绝缘子弱粘接缺陷无损识别”这一技术问题，本项目基于非线性声学方法，建立界面非线性本构数值模型以及测量复合绝缘交界面的非线性声学特性，解决了“非金属基交界面非线性粘弹本构关系”关键科学问题；基于非线性声学试验结果以及粘接强度与非线性超声系数的关系，提出了弱粘接缺陷的无损识别方法，解决了复合绝缘子弱粘接缺陷无损检测的技术问题。取得的主要成果有：.（1）进行了复合绝缘子交界面弱粘接缺陷的微观表征，结合3D-X光扫描、激光共聚焦与金相显微镜成像结果，弱粘接缺陷被定义为“一种存在于复合绝缘交界面的早期脱粘缺陷，其特征是交界面出现厚度在微米级且尚未形成连续分布的气隙，硅橡胶层与环氧层仍保持粘弹性接触”；.（2）对于平板结构的复合绝缘设备，结合迟滞摩擦理论与一维非线性超声波动模型，解释了弱粘接缺陷导致的高能声波畸变现象；.（3）对于更广泛应用的圆柱结构的复合绝缘设备，进一步优化理论模型，引入粘弹性接触理论描述有机材料圆柱交界面的应力-应变非线性关系，建立了非线性超声折反射传播模型，根据二阶超声非线性系数提取了无损检测指标，在实际试验中取得了较好的应用效果。. 本研究提出检测方法的可重复性高，识别区分度大，具有较强的工程应用前景。研究成果为复合绝缘子、复合套管等包含非金属粘接交界面的电力设备提供一种可行的无损检测思路，降低复合绝缘交界面粘接故障的发生率，从而为我国特高压工程的建设与维护提供有力保障。