玻璃绝缘子耐振动疲劳性能的测试及产品运行概况

玻璃绝缘子耐振动疲劳性能的测试及产品运行概况

向孟宇 ,顾洪连

南京电气绝缘子有限公司 （南京  210046）

摘要：玻璃绝缘子在输电线路上裸露的运行过程中，除承受导线荷载外，还要承受风力和不可预测的外力（如雷击、污闪、冰害和导线舞动）作用，尤其是跨江、跨海等大跨越的风力袭击，这些作用力常以振动波传递给绝缘子，常年累月的微振或剧振对绝缘子的损伤是严厉的。由于绝缘子玻璃件有钢化内应力的保护层，提高了产品耐振动疲劳性能，对确保输电线路安全运行的可靠性创造了有利条件。

关键词：输电线路  机电性能  钢化内应力  振动疲劳  高频振动

引言：上世纪七十年代为筹建220kV南京大跨越线路和我国第一条500kV试验线路（元宝山至锦州、辽阳、海城），要求绝缘子提供耐振动疲劳试验报告。南京电气（原南京电瓷厂）为满足电力部的急需，在LXP-160、LXP-210两个玻璃产品研制成功后，立即对两个产品的耐振动疲劳性能开展了研究和测试，并在多条输电线路的大档距、大跨越上投入电力运行，均取得较好的运行业绩，现将该系列产品耐振动疲劳性能的测试及线路运行情况作一概述。

1、160kN绝缘子耐振动疲劳性能的测试及玻璃产品的运行

1.1 试验目的及160kN绝缘子的结构尺寸和机电性能

为筹建220kV南京长江大跨越输电线路，华东电管局提出160kN绝缘子必须提供耐导线振动疲劳性能的试验报告。主要考核绝缘子在导线振动作用下的性能变化和LXP-160（玻璃）、XP-160（瓷）两种绝缘子耐受振动疲劳性能的能力。两种绝缘子的结构尺寸和机电性能列在表1.

表1.耐振动疲劳性能测试绝缘子的结构尺寸和机电性能

说明：LXZY-840直流玻璃绝缘子是南京电气集团技术引进生产线的产品。

1.2 试验装置（图1）、振动波形（图2、图3），振动参数（表2）、产品机电强度测试结果（表3）

图1  绝缘子耐振动疲劳试验装置

A-B 为陪试导线总长26m           t1 为施加的静负荷（43kN）

B-D 为试验导线总长59m                       （力臂比1:4）

B-C 为试验导线有效长度18.5m      t2 为防止陪试导线振动的负载锤

    （其中包括绝缘子12m）

图2 绝缘子耐振动疲劳示意图

图3 绝缘子耐振动疲劳试验波形图

表2 绝缘子耐振动疲劳试验参数和试验情况

表3. 160kN绝缘子经耐振动疲劳试验后机电破坏强度测试结果（kN）

说明：按国标规定160kN绝缘子机电破坏强度测试时需加60kV电压。

表中为试品平均机械破坏值，S为标准偏差，Q为质量指数，-3S为试品的质量保证值，M- 铁帽坏，J- 钢脚延长，H- 电击穿， P- 玻璃破碎

1.3 测试结果分析

LXP-160玻璃绝缘子经受1500万次振动疲劳试验后机电破坏强度基本无变化，在同等试验条件下XP-160瓷绝缘子机电破坏强度明显下降，有3片电击穿产品未达到160kN水平。

通过试验验证，LXP-160玻璃绝缘子耐振动疲劳性能优于XP-160瓷绝缘子，据此，220kV南京长江大跨越输电线路决定采用LXP-160玻璃绝缘子。

1.4  LXP-160玻璃绝缘子在南京长江大跨越的运行及产品性能的测试

220kV南京长江大跨越输电线路是由南京热电厂（江北）至燕子矶（江南）变电站双回线路，全长13.5km，两次跨越长江，档距之大（主航道1933m）、钢管塔之高（193.5m），在当年多条长江大跨越线路中名列前茅。全线采用玻璃绝缘子9805片，4基塔跨江高塔（含2基锚塔）安装LXP-160产品3160片，1976年9月投运至今已有45年（锚塔）。为验证玻璃绝缘子长期运行的机电性能，对该大跨越运行10年9月、15年、26年、30年的LXP-160产品四次取样按国标进行机电性能验证测试，四次测试值均达到产品出厂标准规定值（见表4），机电性能稳定，大跨越线路运行情况良好。

表4.长期运行后 LXP-160玻璃绝缘子的机电破坏强度（

kN）

注：1、表2中试品铁帽损坏较多，原因是所用铁帽等级为126kN，1974年经特殊的热处理升级为160kN等级的。

表中为试品平均机械破坏值，S为标准偏差，Q为质量指数，-3S为试品的质量保证值，M- 铁帽坏，J- 钢脚延长，H- 电击穿， P- 玻璃破碎

2、21吨级绝缘子高频振动疲劳性能的测试及玻璃产品的运行

2.1  试验目的及21吨级绝缘子高频振动试验参数

为提高我国第一条元、锦、辽、海500kV试验线路运行的可靠性和贯彻1981年原水电部、机械部科技协调会（在西安召开）会议纪要的决定，21吨级绝缘子需提供耐振动疲劳性能的试验报告，由西安电瓷研究所负责实施。

采用西安交通大学的瑞士造10吨级高频振动疲劳试验机，频率为11000~12000次/分，交变负荷为4.2~7.0吨，负荷精度±1%，21吨级瓷和玻璃绝缘子经受2×106次（20万次）高频振动。

2.2  21吨级瓷和玻璃绝缘子振动疲劳对比试验结果

参加本次试验有醴陵电瓷厂、西安电瓷厂的21吨级瓷绝缘子和南京电瓷厂的21吨级玻璃绝缘子，产品结构尺寸和机电性能见表1。试验结果列在表5.

表5.     21吨级绝缘子高频振动疲劳试验结果（吨）

注：表中为试品平均机械破坏值，S为标准偏差，Q为质量指数，-3S为试品的质量保证值。

2.3 测试结果分析

在交变荷载的高频率（20万次）振动疲劳测试对21吨级玻璃绝缘子的机电强度无影响，而在同等试验条件下，21吨级瓷绝缘子有一定影响，在振后进行机电破坏负荷试验过程中瓷件损坏率较高，同时出现了瓷件电击穿现象（见表5），醴瓷厂21吨级产品的保证值未达到规定值。原因是瓷件为烧结体，其显微结构由多晶体、玻璃相和气孔组成，它属于一种多晶体的非均质材料。玻璃是熔融体，它经高温（约1500℃）熔化后，冷凝形成结构致密和质地均匀的材料，玻璃件经热处理（760℃~780℃）获得均匀分布的钢化内应力，尤其玻璃表面层的压应力，具有耐受机械冲击和抗振动疲劳的特性。

2.4   LXP-210玻璃绝缘子在500kV锦辽试验线路上的运行概况

由元宝山至锦州、辽阳、海城试验线路（简称锦辽线）全套采用国产输变电设备。绝缘子项目采用国产XP-160、XP-210瓷和LXP-210玻璃绝缘子。不巧的是1982年南瓷厂玻璃熔窑处在大修期，无法满足大批量订货，仅采用玻研室试制工场手工生产2000片LXP-210，专供锦州、辽阳、海城三基耐张塔（每基336片），该产品铁帽首次采用球墨铸铁材料，1986年12月发现铁帽有隐裂，原因是球铁球化衰减所致，遭到原机械部电工局的批评，1987年南瓷厂采用可锻铸铁帽赶制400片LXP-210产品，确保海城（属鞍山电业局管辖）一基耐张塔应用，锦州、辽阳两基耐张塔改用XP-210瓷绝缘子。1997年7月南瓷厂质访组走访鞍山电业局，据该局反映，锦辽线路投运10多年来，LXP-210玻璃绝缘子未发生自破，产品运行情况良好。

3、LXZY-840 玻璃绝缘子高频振动疲劳性能测试及产品运行概况

3.1 试验目的及LXZY-840产品高频振动试验参数

测试LXZY-840产品在高频振动疲劳（大于20万次）下的性能变化和在±1100kV昌古输电线路（大风区段）耐受导线振动疲劳的能力。

LXZY-840直流玻璃绝缘子的结构尺寸和机电性能见表1。其试验参数为：

振动载荷为绝缘子额定载荷的30%±7.5%

最大静态试验力为±500kN，最大动态试验力为±400kN。

振动频率为6.7HZ正弦波振动。

振动疲劳试验的有效振动次数≥20万次，上限为200万次。

判断依据：振动疲劳试验过程中，绝缘子玻璃件、胶装水泥、铁帽、钢脚等部件均不能出现劣化或破坏现象。

3.2   LXZY-840产品高频振动疲劳试验结果及结论

12片LXZY-840试品，每4片为一组，共分三组经受高频振动疲劳试验，振动力值的波形如图4所示，整个试验过程中振动力值的偏差不超过0.1kN。

图4.时间—试验力波形

表6.    LXZY-840直流玻璃绝缘子高频振动疲劳试验结果

LXZY-840产品通过30.31~39.14万次（大于20万次）振动疲劳试验后，玻璃绝缘子完好无损，按国标进行机电性能测试，其测试值（这里从略）均达到产品出厂标准规定值，LXZY-840产品高频振动疲劳试验合格。

3.3   LXZY-840产品在±1100kV昌古线路运行简况

昌吉（新）至古泉（皖）±1100kV直流特高压输电工程，是目前世界上运行电压最高、输送容量最大、线路距离最长、技术水平最先进的直流输电工程，刷新了世界电网技术的新高度，对全球能源互联网的发展具有重大的示范作用，同时推动新疆能源基地的火电、风电、太阳能发电打捆外送，对拉动该自治区经济增长具有十分重要的作用。南京电气在该输电工程中标38. 9253万片玻璃绝缘子，其中LXZY-840产品首次启用，全部用在新疆线段上。

昌古直流线路起于新疆昌吉州，终点为安徽省皖南的古泉换流站，途经新、甘、宁、陕、豫、皖六省，线路总长3319.3km。这条线路地形、地貌比较复杂，海拔高度在10m至2400m之间，沿线地处戈壁沙滩、黄土高原、紫外线辐射和冻土地带，给玻璃绝缘子带来苛刻的运行条件。昌古线路于2019年9月建成送电，2020年10月，南京电气质量访问组对新疆线段的玻璃绝缘子进行质量调查，LXZY1-550（36.7106万片）和LXZY-840（2.2147万片）两产品运行情况正常，经受了苛刻运行条件的考验。

4、结束语

玻璃绝缘子是建国初期反技术封锁产品之一，由南京电气（原南京电瓷厂）于上世纪1958年研制成功并大批量生产，截止2020年12月，12个系列产品（70 kN ~840kN）在输电线路上运行总数达1.0809亿片，产品运行中遭受自然灾害（雷击、污闪）尤其是导线覆冰舞动、风灾等袭击屡见不鲜，由于绝缘子玻璃件具有钢化内应力（是一种永久应力）的保护层，提高了产品耐机械冲击强度，具有抵御导线振动疲劳的能力，并保持产品机电性能不会衰减，对提高输电线路安全运行的可靠性提供了必备条件。

参考文献：

1、水电部科研所、华东电力设计院、南京供电局、南京电瓷厂  LXP-160、XP-160（瓷）耐导线振动疲劳及机电性能对比试验报告【R】，1975年5月

2、李万龙、顾洪连  LXP-160产品在南京220kV长江大跨越运行后的性能测试【J】电瓷避雷器2011年第3期，第34-37页

3、西安交通大学材料试验室  21吨级悬式绝缘子高频振动疲劳试验报告【R】，1981年2月

4、南京电瓷厂质量访问组  LXP-210在500kV锦辽试验线路上运行情况的调查报告【R】，1997年7月

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