绝缘子负载)

1 引言
合成绝缘子在长期运行中承受的载荷是变化的，首先要承受导线的自重，当有风或有冰附着
时还要承受风载和冰载。在这种复杂的受力条件下，线路可能会出现导线舞动、次档距振动和微
风振动等情况。因此，实际运行中的合成绝缘子所受到的是包括拉伸、扭转、弯曲等的复合动载。
目前我国在线运行的合成绝缘子有相当一部分是内楔式的接头结构，这些绝缘子能否继续满足运
行需要、是否需更换这些绝缘子、什么时候更换，关系到运行的经济性与安全性问题，因此开展
合成绝缘子的动载性能试验研究，特别是内楔式合成绝缘子的动载性能研究成了生产、运行和研
究部门普遍关注的问题。在这种情况下，我们进行了国内首次内楔式合成绝缘子的芯棒动载试验。
由于任何载荷都可以分解成正弦载荷的叠加，试验中对合成绝缘子在施加静拉伸的基础上叠
加了幅度和频率可调的正弦交变拉伸载荷。另外在实际运行中，绝缘子芯棒不可避免地要承受扭
矩作用，因此试验中通过施加静拉伸叠加静扭转或交变扭转来模拟这种受力状态，并结合实际运
行环境对合成绝缘子的动载性能进行了详细的分析，对内楔式合成绝缘子的运行适应性进行了综
合判断。
2 试验设备与试品
2.1 动载试验机
试验中使用的动载试验机是由清华大学电机系研制的，可用于静载叠加交变拉伸、静载叠加
静扭转和静载叠加交变扭转等动载试验。试验机示意图如图1所示。为了对实际运行中的合成绝
缘子动载情况进行模拟，主要考虑的动载试验幅度为5~10 kN，频率为1Hz以下。
2.2 传感器
在试验过程中，特别是在静载叠加动态拉伸和静载叠加扭转的试验中，芯棒所受到的载荷是
不断变化的，为了能够知道芯棒具体的受力情况，在试品端串联一个拉力传感器，通过传感器指
示的负荷值或传感器的输出电压实时监测试品的拉伸负荷值（可输入示波器或A/D转换后观测波
形）。
2.3 试品
试验中使用的试品为F18 mm芯棒，两端加内楔式锥腔接头，绝缘长度分别为800 mm、600 mm
和400 mm，所有试品为某厂生产的同批次产品。芯棒长度、扭转角度及扭矩的具体对应关系为：
在扭转角度为－10°~ +10°情况下，400 mm的芯棒所承受的最大扭矩为750 N×m，600 mm的
芯棒为500 N×m，800 mm的芯棒为375 N×m。
3 试验及结果分析
3.1 芯棒在受扭转情况产生的裂纹
在存在扭矩的情况下，芯棒的裂纹均从楔缝处产生，试验中以出现可见裂纹作为分析芯棒机
械强度的依据，实际上芯棒此时的残余强度仍在100 kN以上。图2(a)为试验前芯棒，图2(b)
为试验中芯棒的裂纹（上述可见裂纹为发展到与金具平齐位置的裂纹），图2(c)为在出现可见
裂纹的基础上继续试验时的发展。

3.2 静拉扭试验
对合成绝缘子施加一定的基础载荷，然后将其进行扭转角度为20°的扭转，并保持这个角
度不变，对绝缘子的扭转特性进行研究。采用的试品绝缘长度为400 mm。图3为合成绝缘子芯
棒在静拉扭情况下出现裂纹的时间和基础载荷之间的关系。

由图3可见，在较高的基础载荷 作用下（8 kN以上）且芯棒扭矩较大时，破坏时间较短，有
时（130 kN时）只有几十分钟芯棒就出现了裂纹；而当基础载荷较小时，合成绝缘子芯棒很难
在静扭转情况下破坏，如施加的基础载荷为40 kN时，经过25天未出现裂纹。由此可见，在静
扭转试验中，与芯棒的扭转角度相比，基础载荷对芯棒的破坏起决定性作用；随着基础载荷的下
降，曲线趋向饱和，机械性能趋向稳定。
3.3 拉扭交变
3.3.1 动态扭转下基础载荷对芯棒性能的影响
由图3可知，随着基础载荷的下降，芯棒出现可见裂纹的时间呈明显的上升趋势；随着芯棒
长度的增加，也就是随扭矩的减小，芯棒出现可见裂纹的时间呈明显的上升趋势，而且曲线呈饱
和趋势，表明此时芯棒的机械性能趋向稳定。
在动态拉扭频率一定情况下，通过对一定长度的合成绝缘子芯棒做不同载荷下的动态拉扭试
验，可研究基础载荷对芯棒出现可见裂纹的时间的影响。在不同的基础载荷下（40 kN、60 kN、
80 kN、100 kN），对绝缘子施加频率为0.2 Hz、扭转角度为－10°~ +10°的动态扭转，通过测
定其破坏时间来对其性能进行评价，试验结果见图4。
3.3.2 动态扭转下频率对芯棒性能的影响
在芯棒长度和载荷一定的情况下，通过对合成绝缘子芯棒做不同频率的动态拉扭试验来研究
频率对芯棒性能的影响。在同一静态载荷下，对长度为600mm的绝缘子分别施加频率为0.2Hz、
0.4Hz、0.6Hz扭转角度为－10°~+10°的动态扭转，芯棒出现可见裂纹的时间如图5所示。

由图5可以看出，在较高的载荷下（80 kN以上），随着频率的升高出现可见裂纹的时间呈减
少趋势；在较低的载荷下（60 kN以下），出现可见裂纹的时间随频率的变化不大。
3.3.3 动态扭转下扭矩对芯棒性能的影响
在一定的扭转频率下，通过对一定长度的合成绝缘子芯棒做同基础载荷下不同扭矩的动态拉
扭试验，研究扭矩对芯棒性能的影响。在同一静态载荷下，对不同长度的绝缘子施加频率为0.2
Hz、扭转角度为－10°-+10°的动态扭转。在试验中，芯棒扭矩的变化是通过芯棒长度的变化来
实现的，在扭转角度为－10°- +10°的情况下，400 mm的芯棒所承受的扭矩为750 N×m，600 mm
的芯棒为500 N×m，800 mm的芯棒为375 N×m。试验结果如图6所示。

从图6中可以看出，在较高的载荷下（80kN以上），当有一定的扭矩时芯棒很容易出现可见
裂纹；当扭矩较大时，在很低的载荷下（如40kN），芯棒同样很快出现可见裂纹。
在图6中取基础载荷为60kN的数据，横坐标取时间的对数，得到图7。

因为在实际的运行中绝缘子所受到的扭矩很小，因此在图7中对曲线进行外推，当扭矩很小
时，特别是当基础载荷也较小时，绝缘子长期蠕变性能受动载影响较小，能够保证运行要求。
3.4 拉拉交变
拉拉交变就是在一定静载荷的基础上对芯棒叠加一个动态载荷，通过观察芯棒出现可见裂纹
的时间对芯棒在动态载荷下的性能进行研究。在具体试验中试品为400mm和600mm的芯棒，对于
400mm的芯棒，其动态载荷为15.4 kN，600mm芯棒所承受的动态载荷为10.5kN，动态载荷均比
在线运行的绝缘子实际动态载荷的极限值（约5 kN）大很多，表1为试验结果。表中的时间为
绝缘子在动态载荷下的试验时间。经过长时间试验芯棒并未出现可见裂纹，说明动态轴向拉伸载
荷对合成绝缘子芯棒的性能影响较小。

3.5 讨论
从图3和图4可以看出，静拉扭和动态拉扭对芯棒的机械性能影响较大，基础载荷和扭转角
度对芯棒出现可见裂纹时间均有影响，但在一定的基础载荷（40 kN）和扭矩（50 N×m）下，机
械性能最终趋向稳定状态，图5和图6则进一步说明了这一点；另外在负荷或扭矩不大的情况下，
扭转频率对机械性能的影响不大；图6则说明轴向交变力对芯棒机械性能影响较小。
以上对合成绝缘子在运行中可能承受的动态载荷进行的试验研究表明，当基础载荷、扭矩小
到一定程度时，芯棒的机械性能趋向稳定，即使在较苛刻的试验条件下出现了可见裂纹，其残余
强度也仍然可达100 kN以上。
综上所述，考虑最极端的情况，合成绝缘子实际运行中所承受的动态载荷由覆冰和大风引起
的导线舞动、次档距振动和气流漩涡引起的微风振动幅度最大为5kN左右，一般导线舞动的频率
小于1Hz[4]。本试验证明在最极端的情况动态扭转以及动态轴向载荷等综合作用力下，内楔式绝
缘子的长期蠕变性能能够满足运行要求。
4 结论
（1）当基础载荷和扭矩小到一定程度后（40 kN，50 N×m），芯棒的机械性能趋向稳定。
（2）在静载叠加静扭转情况下，与扭转角度相比，静态基础载荷对芯棒出现可见裂纹的时
间影响更大。
（3）在一定的基础载荷下对芯棒进行扭转时，当载荷较低（低于60kN）时，频率的影响不
大；在同一扭矩下，随基础载荷的增大芯棒出现可见裂纹时间明显减小；当扭矩较大（750 N×m）
时，即使在载荷较小的情况下，不到3h就出现了裂纹，可见扭矩对芯棒的性能影响非常大。
（4）轴向动态载荷对芯棒的性能影响较小。
（5）本试验的载荷条件相当苛刻，实际运行中芯棒所受到的扭矩及载荷与本试验相比非常
小，因此内楔式绝缘子的动载性能能够满足实际运行的需要。