力场-电场-腐蚀介质联合作用下复合绝缘子的损伤机理与寿命评估

As a key component of the transmission line, the composite insulator is mainly composed of the core rod, the umbrella covers and end hardware fitting. And the load is supported by the bonding or crimp contact from all interfaces in the internal of insulator. Due to combined action of dynamic load caused by the wire vibration, the non-uniform electric field, and the increasingly serious environment corrosive medium, there are fretting and corrosive wear between internal all assembly connectors and surface degradation, which will cause insulator mechanical strength and insulation performance degradation or even fracture. These will directly affect the safety of the power grid. To study the damage mechanism of composite insulator in service environment, a torsional vibration load simulation test system is set up in this project, and the performance of composite insulator is tested under combined action of the mechanical loading, electric field and corrosive medium by this system. The damage process information in experiment such as insulator surface temperature distribution, the electric field distortion, stress and strain, noise etc. can be obtained. The final state damage information including mechanical mechanics, electrotechnics, surface microstructure and material physical and chemical properties for composite insulator structure, interfaces and surfaces can be also obtained after experiment. Combine the above information with the change of the performance parameters of insulator material obtained through equivalent environment simulation test, the degradation process, modes and mechanisms of composite insulator in real service state will be researched. Based on the degradation model of composite insulator in a complex environment, the life assessment will be achieved finally.

作为输电线路关键部件的复合绝缘子，主要由芯棒、伞裙护套及端部金具组成，通过各界面间的粘接或压接进行载荷传递。由于受导线振动引起的动载荷、不均匀电场、环境污秽腐蚀介质等联合作用，不可避免出现内部连接间发生微动与腐蚀磨损，外表面劣化等现象，导致绝缘子机械强度与绝缘性能退化，甚至断裂等直接影响整条线路的安全。本项目以复合绝缘子服役环境为背景建立扭振动载模拟试验平台，对其在力场-电场-腐蚀介质作用下的性能进行系统测试。基于试验中测得的绝缘子表面温度分布、电场畸变、应力应变、噪声等损伤过程信息，和试验后绝缘子结构、界面与表面的机械力学信息、电工学信息、微观结构组织以及材料理化性能等损伤终态信息，再结合绝缘子材料于等效环境模拟试验条件下获得的上述性能参数的变化，研究绝缘子在真实服役环境中的损伤模式、失效机理。在此基础上建立复合绝缘子在复杂环境下的失效模型，并实现对其的寿命评估。

复合绝缘子作为输电线路的关键部件，其工作性能直接影响整条线路的安全，由于受导线振动引起的动载荷及日益严重环境污秽腐蚀介质等联合作用，其内部连接件间易产生界面损伤与腐蚀，表面易劣化，导致绝缘子机械强度与绝缘性能退化。项目以110kV架空输电线路常用的FXBW4-110/70复合绝缘子为研究对象，对其在力场-电场-腐蚀介质作用下的性能进行系统测试及分析。主要工作包括：（1）从理论计算上对复合绝缘子在不同极端工况下的受力及应变进行分析，通过有限元模型分析复合绝缘子在极端位置时的应力分布规律，并通过理论计算对复合绝缘子疲劳断裂发生的位置进行分析。根据分析结果设计开发了绝缘子扭振动载模拟试验平台。（2）通过自制复合绝缘子模拟试验装置及环境模拟试验进行了复合绝缘子在不同工况下的运动模拟试验，通过复合绝缘子芯棒断口特性分析研究了摆幅、扭转角及腐蚀等试验参数对复合绝缘子疲劳寿命的影响，并采用分形维数进行表征。（3）通过复合绝缘子伞裙老化试验及粗糙度模拟试验研究外部环境因素对伞裙表面损伤特性的影响，采用表面形貌，憎水性，泄漏电流这三种表征方式来评判其损伤程度，建立了腐蚀试验参数与代表绝缘性能的泄漏电流的量化表征关系。（4）对动载疲劳试验后的绝缘子芯棒试样进行顶出试验，进而分析试验参数对伞裙护套与芯棒、芯棒内部纤维界面损伤特性的影响规律。通过理论分析和剥离试验相结合的方法对不同疲劳条件下芯棒-护套粘结界面剥离过程进行分析，并结合单位面积分离功和剥离时长定量的描述了疲劳试验后界面剩余粘结强度。通过比较各部位载荷-位移曲线，分析各部位的芯棒内部纤维界面损伤程度。（5）制备了5种超疏水涂层应用于复合绝缘子表面，通过分析涂层表面形貌特征及抗腐蚀、自清洁、耐机械摩擦等性能测试，确认5种涂层都具有良好的综合特性。采用激光雕刻法对复合绝缘子表面进行不同织构设计，分析织构参数对疏水疏冰性能的影响，得到棱柱形织构是最佳表面织构。