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1、碩士研究生選題報(bào)告及論文工作計(jì)劃研究生姓名 謝占山 學(xué) 號(hào)1092241040 院(系、所)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院學(xué)科、專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)教師(學(xué)校)王璋奇專業(yè)技術(shù)職務(wù) 教授 指導(dǎo)教師(企業(yè)) 陳原 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 高工 入學(xué)日期 2009.09.01 2010年 10 月 27日擬選論文題目:500Kv復(fù)合絕緣子V串機(jī)械疲勞試驗(yàn)研究選題報(bào)告會(huì)地點(diǎn): 選題報(bào)告會(huì)日期: 年 月 日 文獻(xiàn)綜述與選題報(bào)告要求:1. 查閱并閱讀一定數(shù)量的文獻(xiàn)資料,其中,選題報(bào)告中引用的外文文獻(xiàn)不少于10篇,寫出文獻(xiàn)綜述與選題書面報(bào)告,要求在3000字以上(不含圖表);2. 書面報(bào)告內(nèi)容應(yīng)包括:選題背景及其意義,國(guó)內(nèi)
2、外研究動(dòng)態(tài),本論文的主要研究工作、課題研究?jī)?nèi)容,預(yù)期成果和可能的創(chuàng)新點(diǎn)等;3. 填好“選題報(bào)告及論文工作計(jì)劃”表,連同書面報(bào)告一起交院(系),由院(系)交研究生院(籌)備案;4. 詳細(xì)要求參見研究生培養(yǎng)方案和華北電力大學(xué)碩士研究生必修環(huán)節(jié)實(shí)施細(xì)則;5. 書面報(bào)告的格式見附件。 閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)情況: 國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)約 24 篇,國(guó)外文獻(xiàn)約 11 篇 導(dǎo)師對(duì)選題報(bào)告的評(píng)語(就研究生對(duì)該研究領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的了解情況、研究方法、研究手段、預(yù)期成果予以評(píng)價(jià)):導(dǎo)師簽名: 年 月 日評(píng)審小組對(duì)選題的意見(是否同意選定該課題、是否同意選題報(bào)告通過、以及對(duì)下一階段研究工作的建議;其他建議,如限期重作選題報(bào)告、終
3、止培養(yǎng)建議等):評(píng)審小組成員簽名: 年 月 日論 文 工 作 計(jì) 劃論文工作的總體時(shí)間安排:1、2010.8-2010.09:資料調(diào)研,找到研究切入點(diǎn);2、2010.9-2010.10:整理開題報(bào)告,完成論文開題;3、2010.11-2011.04:查閱設(shè)計(jì)資料,完成疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法的編制:申請(qǐng)專利一項(xiàng);4、2011.5-2011.08:調(diào)試試驗(yàn)設(shè)備,開展復(fù)合絕緣子的疲勞試驗(yàn),并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。制定復(fù)合絕緣絕緣子在拉-壓/彎循環(huán)交變應(yīng)力作用下疲勞實(shí)驗(yàn)方法編寫。5、2011.9-2012.03:撰寫學(xué)位論文。論文實(shí)際工作預(yù)計(jì)完成日期: 2011.年12月 工作條件(圖書資料、實(shí)驗(yàn)設(shè)備
4、、經(jīng)費(fèi)及其他條件)落實(shí)情況:華北電力科學(xué)研究院提供經(jīng)費(fèi),試驗(yàn)設(shè)備正在研制。論文選題來源、項(xiàng)目所屬類別(國(guó)家重點(diǎn)、部委、省(市)、企事業(yè)委托、校重點(diǎn)、自選等)及經(jīng)費(fèi)來源情況:華北電力科學(xué)研究院根據(jù)實(shí)際情況的選擇的研究課題,經(jīng)費(fèi)由該研究院提供。論文類型基礎(chǔ)(理論)研究 應(yīng)用基礎(chǔ)(理論)研究 應(yīng)用研究 開發(fā)研究 其它院系審核: 審核人: 年 月 日(公章)附件線路復(fù)合絕緣子v串的機(jī)械疲勞試驗(yàn)研究一、選題背景及意義線路絕緣子是用來支持和懸掛導(dǎo)線,它同金具組合將導(dǎo)線固定在桿塔上,并使導(dǎo)線和橫擔(dān)、桿塔有足夠的絕緣。它在運(yùn)行中應(yīng)能承受導(dǎo)線垂直方向的荷重和水平方向的拉力。它還經(jīng)受著日曬、雨淋、氣候變化及化學(xué)物
5、質(zhì)的腐蝕。因此,絕緣子既要有良好的電氣性能,又要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,以適應(yīng)周圍大氣的變化。絕緣子的好壞對(duì)線路的安全運(yùn)行是十分重要的。傳統(tǒng)線路所用的絕緣子為瓷質(zhì)和玻璃材質(zhì)的絕緣子。瓷質(zhì)材質(zhì)絕緣子在使用中存在:定期清污,成本高(涂刷硅油);重量大,安裝檢修不便(隱式零值自破);燒結(jié)過程中也出現(xiàn)裂紋,易發(fā)生掉串等弱點(diǎn)。玻璃材質(zhì)的絕緣子表面積污后發(fā)生局部放電;重量大,安裝檢修不便;零值自破(玻璃中的雜質(zhì)和結(jié)瘤)等弱點(diǎn)。復(fù)合絕緣子以絕緣強(qiáng)度高、體積小、重量輕、耐污穢和清掃維護(hù)方便等優(yōu)良特性大改善高壓絕緣設(shè)備表面受污、受潮后絕緣度降低的狀況,有效地提高用電安全性,其自潔性好,減少了維護(hù)清掃費(fèi)用。復(fù)合絕緣子為
6、整體結(jié)構(gòu)增大了爬距,增強(qiáng)了絕緣距離,復(fù)合絕緣子質(zhì)量輕,可以減輕桿塔荷重,縮小線路間距和走廊寬度,促成城市架空電力線路向小型化發(fā)展1-8。隨著材料的不斷進(jìn)步,復(fù)合絕緣子的性能不斷提高,其在線路中越來越廣泛的應(yīng)用。然而,以復(fù)合絕緣子芯棒為代表的復(fù)合材料產(chǎn)品其強(qiáng)度高主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度上,其抗壓抗彎強(qiáng)度往往比較薄弱,但近年來,硅橡膠有機(jī)復(fù)合絕緣子開始大量用于承受壓、彎應(yīng)力的場(chǎng)合,包括V串復(fù)合絕緣子,緊湊型線路相間間隔棒,以及近年來出現(xiàn)的防風(fēng)偏絕緣子,此外有機(jī)復(fù)合絕緣桿塔塔材、電站復(fù)合支柱絕緣子、復(fù)合套管等均屬于承受壓、彎應(yīng)力的情況,但對(duì)于上述以玻璃纖維和環(huán)氧樹脂為基本材料的復(fù)合絕緣子承受壓、彎應(yīng)力的性
7、能研究很少,并無權(quán)威性結(jié)論。近期,華北電網(wǎng)首次發(fā)生了在長(zhǎng)期運(yùn)行中承受拉-壓/彎循環(huán)交變應(yīng)力(cyclic stress)或循環(huán)應(yīng)變(cyclic strain)作用,由于固體內(nèi)部微觀組織中位錯(cuò)的存在,在外部交變載荷作用下,裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展,在結(jié)構(gòu)中某些部位逐漸產(chǎn)生局部的永久結(jié)構(gòu)變化,并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂縫或繼續(xù)擴(kuò)展直到導(dǎo)致疲勞斷裂,疲勞損傷的產(chǎn)生、擴(kuò)展與積累會(huì)加劇材料的環(huán)境與應(yīng)力腐蝕,加速材料的老化,造成材料耐環(huán)境性能嚴(yán)重下降和強(qiáng)度與剛度的急劇損失,大大降低材料的使用壽命,甚至?xí)斐蔀?zāi)難性后果。擴(kuò)大緊湊型線路V串復(fù)合絕緣子的抽檢表明:與故障絕緣子同批次的V串復(fù)合絕緣子也出現(xiàn)了極其近似的疲
8、勞破壞現(xiàn)象,即這種疲勞損傷可能具有共性而不僅僅是個(gè)例,這是首次有記錄的復(fù)合絕緣子疲勞斷裂故障形式,與玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂芯棒耐拉而不耐壓/彎的機(jī)械性能直接相關(guān),于以往復(fù)合絕緣子承受拉力時(shí)發(fā)生的脆斷故障形式完全不同。因此,開展復(fù)合絕緣子在受到拉壓(彎)交變應(yīng)力的情況下疲勞特性研究是極為重要的。尤其針對(duì)已經(jīng)掛網(wǎng)或即將應(yīng)用的產(chǎn)品類型(如復(fù)合絕緣子、復(fù)合相間間隔棒、防風(fēng)偏絕緣子等)的耐疲勞性能評(píng)估具有很大的指導(dǎo)意義,亦可以為運(yùn)行維護(hù)以及后續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)和應(yīng)用提供技術(shù)支持。1、復(fù)合絕緣子在線路中使用美國(guó)是最先使用合成絕緣子的國(guó)家。為防止人為破壞絕緣子以避免影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行,合成絕緣子在各電壓等級(jí)的線路上
9、得到大量的使用。由于其國(guó)內(nèi)合成絕緣子缺乏足夠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),且其可靠性是否高于瓷、玻璃絕緣子未得到證實(shí)。加拿大各電力公司對(duì)合成絕緣子的使用也持持謹(jǐn)慎態(tài)度,不愿意在高壓輸電線路上廣泛使用合成絕緣子。歐洲的很多用戶也對(duì)合成絕緣子的使用持謹(jǐn)慎態(tài)度,仍對(duì)合成絕緣子的長(zhǎng)期性能進(jìn)行研究9。我國(guó)電網(wǎng)于20世紀(jì)80年代初開始使用復(fù)合絕緣子。80年代末,先后完成了硅橡膠復(fù)合絕緣子的開發(fā)、成果轉(zhuǎn)讓與工業(yè)化生產(chǎn)的工作。90 年代初,我國(guó)華東、華北、東北等污閃多發(fā)地區(qū)的大面積污閃事故,為遏制污閃事故發(fā)生,復(fù)合絕緣子被大量引入電網(wǎng)。1994年底,掛網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)合絕緣子已達(dá)5萬支。從此,我國(guó)電網(wǎng)使用復(fù)合絕緣子的數(shù)量迅速增加:1
10、995年為10萬支,1996年為20萬支,1998年為46萬支,1999年為84萬支,到2001年已達(dá)160萬支,2006年已達(dá)200萬支。國(guó)內(nèi)復(fù)合絕緣子損壞多發(fā)生于早期產(chǎn)品,主要原因包括選材不當(dāng)及工藝不成熟等。復(fù)合絕緣子的年損壞率約為 0.005,優(yōu)于世界其它國(guó)家的平均水平。芯棒脆斷已成為當(dāng)前復(fù)合絕緣子所發(fā)生的最嚴(yán)重的事故,占絕緣子損壞的40%左右。這種現(xiàn)象在超高壓線路中尤為突出10-14。 “脆斷”本質(zhì)指復(fù)合絕緣子在循環(huán)交變應(yīng)力作用的情況下,加之在鋼錨與芯棒的連接處存在EI與M突變,出現(xiàn)了應(yīng)力集中,導(dǎo)致絕緣子薄弱部位開裂,外界酸液從開裂部位進(jìn)入絕緣子芯棒,玻璃纖維受到侵蝕,在很低的載荷作用
11、下芯棒纖維逐漸斷裂,最終整支芯棒發(fā)生斷裂。脆斷的一個(gè)明顯特征就是斷口較整齊、平滑15-18。2、線路復(fù)合絕緣子的受力導(dǎo)線在風(fēng)力的作用下,導(dǎo)線的舞動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng),導(dǎo)致復(fù)合絕緣子承受壓彎組合力。2007年源霸二線舞動(dòng)跳閘故障,發(fā)現(xiàn)129#130#間隔棒球頭受力彎曲變形較大,也印證了相間間隔棒在運(yùn)行過程中受到了彎曲應(yīng)力。導(dǎo)線多處于山埡口、山溝位置,常年受大風(fēng)影響,分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)發(fā)生概率較高。(如下圖所示),圖發(fā)生彎曲的相間間隔棒鋼腳2010年4月-5月,大同超高壓供電公司負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)的源霸二線129#138#發(fā)生多起相間間隔棒鋼腳斷裂故障。 懸掛著的故障相間間隔棒 相間間隔棒鋼腳斷口2010
12、年5月5日沽太線柔性間隔棒安裝過程中,也觀察到導(dǎo)線在風(fēng)力作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。圖2008年4月500kV海萬線舞動(dòng)事故后導(dǎo)線扭絞情況圖 2010年5月500kV神保線導(dǎo)線扭絞情況相間間隔棒鋼腳的斷裂和支架的斷裂,很可能是在受到拉力的同時(shí)受到彎矩所致。相間間隔棒鋼腳和支架之間為球頭球窩連接,雖然具有一定的活動(dòng)范圍,但是活動(dòng)范圍相對(duì)有限,在分裂導(dǎo)線發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)且具備一定振幅的情況下,相間間隔棒鋼腳部位很容易出現(xiàn)彎曲應(yīng)力集中,導(dǎo)致鋼腳在運(yùn)行過程中不僅承受拉力,同時(shí)還承受交變彎曲應(yīng)力,很可能正是這種交變彎曲應(yīng)力造成了鋼腳、支架的斷裂故障。運(yùn)行過程中各相分裂導(dǎo)線存在扭轉(zhuǎn)振動(dòng),即以分裂中心為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)。圖
13、相間間隔棒端部受力分析而線路復(fù)合絕緣子v串的受力情況如下圖所示: 線路v串示意圖 線路v串在風(fēng)力作用下受力示意圖 絕緣子v串在風(fēng)力的作用下串受力圖及可能導(dǎo)致彎曲圖19其中wv為導(dǎo)線的自重,PH為導(dǎo)線受到的風(fēng)載荷,p1為p在左絕緣子串所受分力,p2為p在右絕緣子串所受分力,p為導(dǎo)線為所受外力的合力,a為導(dǎo)線的最大風(fēng)偏角,為絕緣子夾角之半。導(dǎo)線在風(fēng)力的作用下,由于會(huì)在導(dǎo)線的背風(fēng)向形成渦流,導(dǎo)線將發(fā)生的舞動(dòng)、振動(dòng),分裂式導(dǎo)線也可能扭絞在一起。大風(fēng)作用在導(dǎo)線上的橫向力將帶動(dòng)導(dǎo)線金具以及絕緣子在水平方向做加速度運(yùn)動(dòng),由于絕緣子成三角排列,限制了絕緣子水平運(yùn)動(dòng),迎風(fēng)側(cè)絕緣子受到的拉力增大,背風(fēng)側(cè)絕緣子受到
14、的拉力減少甚至變成受壓。復(fù)合絕緣子只有彎曲變形并對(duì)金具形成反彈力,大風(fēng)形成的能量由金具間相互摩擦消耗一部分能量,導(dǎo)線與金具重量消耗一部分能量,另一部分能量靠復(fù)合絕緣子變形消耗掉。在上述圖中風(fēng)向的作用下,絕緣子所受的脈動(dòng)力隨導(dǎo)線背部渦流的變化而變化。由于復(fù)合絕緣子桿徑小,芯棒受彎曲、壓縮等不大的負(fù)荷時(shí)彈性變形較大,長(zhǎng)期處于此環(huán)境下絕緣子的強(qiáng)度會(huì)大大降低,最終會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞19-23。為絕緣子破壞的情形如下圖所示: 500kV緊湊型線路復(fù)合絕緣子斷裂 500kV緊湊型線路復(fù)合絕緣子斷裂 500kV緊湊型線路復(fù)合絕緣子斷裂據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)發(fā)生的復(fù)合絕緣子斷裂事故已達(dá)20起。這些復(fù)合絕緣子的斷裂本質(zhì)
15、上是受到循環(huán)應(yīng)力作用,在一定的循環(huán)次數(shù)下,導(dǎo)致絕緣子疲勞開裂,外界的酸性物質(zhì)從裂縫進(jìn)入芯棒加速了絕緣子的脆斷。二、復(fù)合絕緣子疲勞性能研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外關(guān)于線路絕緣子串的方面,研究較少,更缺乏系統(tǒng)的深入研究。日本和印度等國(guó)家在超高壓輸變電工程中對(duì)絕緣子的選擇和驗(yàn)收時(shí)要求進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),評(píng)價(jià)其耐振強(qiáng)度。目前,關(guān)于絕緣子串和導(dǎo)線的振動(dòng)疲勞試驗(yàn),國(guó)際上還沒有科學(xué)統(tǒng)一的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),日本和印度等國(guó)家在其超高壓輸變電工程的標(biāo)書中對(duì)絕緣子串振動(dòng)試驗(yàn)要求。試驗(yàn)完成后對(duì)絕緣子及金具的外觀檢查、絕緣子的機(jī)械性能試驗(yàn)和擊穿試驗(yàn)等24。2002年武高所與華科開發(fā)振動(dòng)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)參數(shù)參考20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)、日本在此方
16、面經(jīng)驗(yàn)與參數(shù)。該試驗(yàn)雖能篩選出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,也能使設(shè)計(jì)和工藝控制不佳的絕緣子串不能通過該項(xiàng)試驗(yàn),然而,實(shí)際運(yùn)行中的合成絕緣子所受到的是包括拉伸 扭轉(zhuǎn) 彎曲等的復(fù)合動(dòng)載。其實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)際必然存在較大的差距。2002年孫昌富、梁曦東等開發(fā)了動(dòng)載試驗(yàn)機(jī)。能基本的模擬內(nèi)楔式復(fù)合絕緣子串在實(shí)際工況下所受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等的復(fù)合動(dòng)載25-26。只對(duì)內(nèi)楔式合成絕緣子的芯棒動(dòng)載試驗(yàn),尚未對(duì)其他復(fù)合絕緣子進(jìn)行研究,也未對(duì)帶有均壓環(huán)、線夾(聯(lián)板)的復(fù)合絕緣子疲勞特征進(jìn)行試驗(yàn)。廖永力等利用有限元軟件建立了750kV緊湊型線路 V形復(fù)合絕緣子力學(xué)模型,計(jì)算分析了不同夾角下v形串受力變形情況,并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較
17、,驗(yàn)證了軟件計(jì)算的有效性。并探討了750k V緊湊型輸電線路v形絕緣子串在不同安裝夾角下的風(fēng)偏位移隨載荷的變化及v形復(fù)合絕緣子屈曲變形的特征。驗(yàn)證了軟件分析的可行性,為以后研究節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)時(shí)間27。C.De Tourreil等合成絕緣子抵御振蕩荷載能力的衰減速度明顯大于抵御靜荷載能力的衰減速度,當(dāng)較小的靜荷載發(fā)生振蕩時(shí)就可能導(dǎo)致其損壞。進(jìn)一步證明復(fù)合絕緣子在受交換載荷對(duì)其強(qiáng)度影響29-35。 合成絕緣子在23 時(shí)的時(shí)間-荷載曲線與振蕩荷載導(dǎo)致其損壞的對(duì)比時(shí)間-荷載曲線26綜上所述,關(guān)于復(fù)合絕緣子承受壓彎扭組合應(yīng)力的疲勞研究還不夠深入,還需要進(jìn)一步開展具有針對(duì)性的研究,為線路復(fù)合絕緣子的應(yīng)用、
18、運(yùn)行、檢修、改進(jìn)提供技術(shù)支持。三、本論文的研究?jī)?nèi)容1)、針對(duì)于線路復(fù)合絕緣子及v串設(shè)計(jì)疲勞試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)。2)、編寫線路絕緣子及v串疲勞的實(shí)驗(yàn)方法,進(jìn)行復(fù)合絕緣子拉/彎/扭等工況下疲勞試驗(yàn),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),給出鑒定結(jié)論。四、研究方案及工作難點(diǎn)1)、疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)備的研制及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)進(jìn)度。2)、復(fù)合絕緣子拉/彎/扭試驗(yàn)過程的控制。3)、試驗(yàn)分析方法的選定及試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)的采集與分析。五、可能創(chuàng)新點(diǎn)1)、針對(duì)線路復(fù)合絕緣子及v串研制疲勞試驗(yàn)機(jī)一臺(tái),申請(qǐng)專利一項(xiàng)。2)、編寫復(fù)合絕緣子疲勞試驗(yàn)方法與產(chǎn)品的鑒定,使用有限元軟件進(jìn)行輔助仿真。六、參考文獻(xiàn):1李翔,顧紅連.三種絕緣子可靠性的比較J.高電壓技術(shù),20
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