国网电科院试验汇总Word格式.docx
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材料厂家
北玻
鞍山
秦川
\
材料基本性能
▲
电气性能
△
防雷试验与计算
△:
界面和连接区试验。
根据前期制定的国网公司《复合材料杆塔技术条件(初稿)》,我院承担了基本材料性能试验、电气性能试验、防雷试验与计算,详细试验项目见表1-2。
表1-2复合材料杆塔试验项目
试验类型
试验项目
参考标准
基本材料性能
密度
GB/T1463
拉升强度及模量
GB1447
压缩强度及模量
GB/T1448
弯曲强度及模量
GB1449
剪切强度及模量
GB1450.1
纤维体积含量
GB/T2577
阻燃性能
GB/T8924
固化度
GB/T2576
热膨胀系数
GB/T2572
电气性能试验
干、湿表面电阻率
GB/T1410
干、湿体积电阻率
介电常数
GB/T1409
耐电痕化
GB/T6553
渗透试验
GB/T19519
水扩散试验
界面和连接区试验(硅橡胶)
1h淋雨
GB/T13398
1000h盐雾
GB/T19519
工频污秽
GB/T4585
操作冲击
GB/T16927.1
带电作业
雷电试验及计算
雷电冲击
2.2试验研究的目的与意义
(1)材料基本性能试验
1)密度:
复合材料的密度在一定程度上可反映复合材料的树脂含量和空隙含量,密度的大小可影响其耐水性能,并且在一定程度上可降低其机械性能、耐老化性等,甚至影响复合材料杆塔的正常运行和使用寿命。
同时为杆塔在设计、造价计算等方面提供依据。
2)强度及弹性模量:
材料的强度及弹性模量是反映材料机械性能的重要指标,与金属不同,复合材料的机械性能呈各向异性,即不同受力方向,材料的强度及弹性模量是不同的。
复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点,用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能。
复合杆塔在实际使用过程中,不仅需要承受高压输电线路的重量和自身重量,还要承受风力等外界作用引起的线路舞动等附加载荷,其荷载情况较为复杂。
测定复合材料的强度及弹性模量等机械性能,对复合杆塔的结构设计有重要的指导意义,为其长周期安全使用的可靠性、稳定性和寿命预测提供依据。
3)纤维体积含量:
纤维体积含量是决定纤维增强复合材料各项力学性能的一个重要参数,对复合材料杆塔整体结构的力学性能具有决定性的作用。
合理的纤维体积含量可以保证复合材料杆塔的稳定运行。
4)阻燃性能:
复合杆塔的安全性与复合材料的阻燃性密切相关,易燃性的复合材料在火灾中往往会加重火灾的程度,造成财产损失、人员伤亡。
为了提高复合杆塔可靠的安全性,避免造成社会公害,必须进行阻燃性测试。
5)固化度:
测定复合杆塔各结构件用复合材料的不可溶分含量,复合材料中树脂的固化程度直接影响复合材料性能,它是检验玻璃钢产品质量的方法之一,固化度是检验复合材料中树脂的固化程度的一种方法。
固化的产品其力学性能、耐腐蚀性能都好。
同时固化度这一指标对于工艺制度的选择、树脂配比的调整、产品质量的评比具有一定意义。
6)复合材料杆塔的综合性能与复合材料热膨胀系数密切相关,热膨胀系数是材料的主要物理性质之一,它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标.从一定程度上影响着复合杆塔整体性能。
提高材料的热稳定性降低材料的线膨胀系数,可以提高材料的热稳定性、材料的强度,提高材料的使用安全性。
(2)电气性能
1)电阻率:
体积电阻的高低可以反映材料绝缘性能的好坏,体积电阻率能被用作选择特定用途绝缘材料的一个参数。
体积电阻率的测量常被用于检查绝缘材料生产是否始终如一,或检测能影响材料质量的导电杂质。
表面电阻随湿度变化很快,因此,表面电阻率是材料表面含有污染物质时与材料特性有关的一个参数。
雨水及潮湿的天气会使材料的绝缘性下降,通过检测复合材料在干、湿状态下的表面电阻率和体积电阻率,可以考核复合材料的绝缘性。
2)耐电痕化:
复合材料在户外及严酷环境中运行往往受到盐露、水分、灰尘等污秽物的污染,在表面形成电解质。
在电场作用下,在聚合物表面出现一种特殊放电破坏现象—漏电起痕破坏现象,在表面形成不完全导电通道。
在表面或接近表面的放电产生漏电痕迹的过程称“电痕化”,而绝缘材料在放电作用下引起的蚀损称为“电腐蚀”。
通过试验测试复合材料在严酷环境下的耐电痕化能力,为复合材料用于绝缘爬电距离提供依据。
3)渗透性能:
可以测试复合材料材料性能及成型工艺等,避免材料及成型过程中存在气隙,影响材料的绝缘性、机械强度等性能。
4)水扩散:
测试材料的耐水解性能。
由液态或气态形式的水渗透而产生的水解现象,可能在复合材料内部发生,会导致材料电气上或机械上的劣化。
要求复合材料通过水煮后泄漏电流测试不增大,说明材料具有较好的耐水解性。
5)1h淋雨试验:
测试复合材料在淋雨状态下的耐电蚀性能。
复合材料在淋雨的时候,由于雨水的导电性,沿材料表面会有产生一定的泄漏电流,会引起材料产生电蚀及温升。
通过淋雨试验,要求复合材料具有一定在淋雨状态下的耐电蚀能力。
6)1000h盐雾试验:
模拟复合材料在严重污秽时,材料在漏电起痕及电蚀能力。
复合材料在严重污秽下,由于表面存在电解质,在电场作用下,在聚合物表面出现一种特殊放电破坏现象—漏电起痕破坏现象,在表面形成不完全导电通道。
此试验是通过模拟严重污秽试验,测试材料的耐电腐蚀能力。
7)操作冲击、雷电冲击、带电作业距离放电试验:
输电线路杆塔塔头相地间空气间隙距离,决定了线路的耐操作过电压和雷电过电压水平,以及带电作业安全性。
对相地不同相地空气间隙距离,进行操作冲击、雷电冲击试验,可以验证不同杆塔的绝缘水平,也可为杆塔优化设计提供依据。
8)工频污秽试验:
测试整塔污秽性能。
线路耐污水平,主要与相地之间的绝缘爬距和绝缘材料表面污秽特性有关,通过试验验证塔头相地污秽特性。
2.3目前进度情况
材料基本性能试验是在国家玻璃钢制品质量监督检验中心进行的;
电气性能试验是在国网电力科学研究院绝缘子质检站、带电作业工器具质检站完成的。
部分试验照片见图1-1、1-2、1-3、1-4。
图1-1电阻率试验照片图1-2渗透试验照片
图1-3淋雨试验照片图1-4水扩散试验照片
3试验结果
3.1山东35kV工程
(1)复合杆塔型式
山东35kV工程由国核电力规划设计研究院设计,材料由北京玻璃钢研究院生产。
工程采用全复合杆身,杆身及横担未加硅橡胶。
杆塔结构示意图如图3-1所示。
图3-1山东工程35kV全复合杆塔
(2)材料基本性能试验结果
材料基本性能试验结果见表3-1。
表3-1材料基本性能试验结果
试验结果
标准要求值
密度(g/cm3)
1.93
<
2.2
拉伸强度(Mpa)
1030
≥750
拉伸模量(GPa)
39.8
≥30
压缩强度(Mpa)
649
≥300
压缩模量(GPa)
38.3
弯曲强度(Mpa)
1060
≥700
弯曲模量(GPa)
34
层向剪切强度(Mpa)
28.7
冲压式剪切强度(Mpa)
154
≥100
纤维体含量(%)
54.9
60~80
阻燃性能(氧指数%)
52
固化度(%)
92
≥95
热膨胀系数(1/℃)
4.1×
10-6
(3)电气性能试验结果
电气性能试验结果见表3-2:
表3-2电气性能试验结果
干态表面电阻率(Ω)
1.13×
1013
≥1.0×
湿态表面电阻率(Ω)
8.62×
1012
1011
干态体积电阻率(Ω·
cm)
5.26×
1014
湿态体积电阻率(Ω·
1.81×
水扩散(mA)
0.30
1
渗透试验(min)
>
15
≥15
2.5级
4.5级
产生漏电腐蚀
无漏电腐蚀
3.2天津、湖南110kV工程
(1)复合横担型式
天津、湖南110kV工程采用同一种复合材料,采用复合横担,不加硅橡胶,无涂层,与绝缘子串同时使用。
直线串绝缘子为FXBW4-110/70复合绝缘子,耐张串采用9片XWP6-70瓷绝缘子。
复合横担示意图及照片见图3-2所示。
图3-2(a)复合横担示意图
图3-2(b)复合横担照片
材料基本性能试验结果如表3-3所示。
表3-3材料基本性能试验结果
2.03
1154
46.1
583
45.1
1370
45.8
43.8
182
67.8
55.3
91.8
4.8×
材料电气性能试验结果如表3-4所示。
表3-4电气性能试验结果
3.12×
2.80×
3.28×
1.87×
0.27
未通过
(4)天津工程单杆污秽试验
湖南天津工程采用的复合材料表面无涂料,复合材料不具有憎水性。
进行了0.5m长试品的人工污秽试验,试验采用固体层法,按照设计污秽等级重污秽确定,盐密/灰密=0.25/1.0(mg/cm2)。
试验照片如图3-3所示,结果如表3-5所示。
图3-3复合材料杆污秽试验
表3-5复合材料杆污秽试验
闪络电压(kV)
14.6
耐受电压(kV)
13.5
(5)塔头污秽试验
湖南天津工程采用同一种复合材料,湖南工程复合材料表面采用涂料。
天津110kV工程采用复合横担,不加硅橡胶,无涂层,与绝缘子串同时使用。
直线串绝缘子为FXBW4-110/70复合绝缘子。
试验采用固体层法,按照设计污秽等级重污秽确定,盐密/灰密=0.25/1.0(mg/cm2)。
图3-4复合横担
如图3-4,横担上杆(1、3杆)的绝缘爬电距离为280cm,横担下杆(5、7杆)的绝缘爬电距离为290cm,由此确定的横担绝缘爬典距离为280cm;
FXBW4-110/70复合绝缘子的爬电距离为3150mm;
由此确定相地绝缘爬电距离为605cm。
试验电压为73kV,试验过程中未发生闪络。
试验照片如图3-5。
图3-5污秽试验
3.3上海110kV工程
上海工程采用的为实心复合材料棒材加硅橡胶伞裙的复合横担,与35kV悬垂绝缘子串一起使用。
复合横担及悬垂绝缘子串如图3-6所示。
图3-6复合横担及绝缘子串照片
材料基本性能试验结果见表3-6。
表3-6材料基本性能试验结果
2.14
804
52.2
530
50.8
1198
41.6
36.3
197
69.6
61.3
94.4
2.8×
(3)电气性能试验
材料电气性能试验结果如表3-7所示。
表3-7电气性能试验结果
5.68×
4.87×
7.32×
2.13×
界面试验
通过
(4)塔头污秽试验
上海工程采用的实心复合材料棒材加硅橡胶伞裙的复合横担,横担芯棒为实心复合材料杆,横担与35kV悬垂绝缘子串一起使用。
试验采用固体层法,按照设计污秽等级III级确定,盐密/灰密=0.1/1.0(mg/cm2)。
如图3-7。
图3-7复合横担
110kV复合横担的爬电距离为3030mm,35kV复合横担的爬电距离为1000mm,由此确定相地绝缘爬电距离为403cm。
试验照片如图3-8。
图3-8污秽试验照片
3.4浙江110kV工程
浙江110kV工程采用复合横担,复合横担由复合材料管材构成,无硅橡胶,外有涂层,并悬挂5片爬电距离为450mm的绝缘子。
复合横担示意图及照片如图3-9所示。
图3-9(a)复合横担示意图
图3-9(b)复合横担照片
(2)电气性能试验结果
横担电气性能试验结果见表3-8。
表3-8电气性能试验结果
2.49×
2.19×
1.02×
1.93×
0.29
(3)1000h盐雾试验
图3-101000h盐雾试验
试验电压20kV,试验爬电距离为692mm。
试验过程中,试品沿面形成导电水流,泄漏电流较大,试验电压加不上去,试验未通过。
(3)浙江工程单杆污秽
浙江工程采用的复合材料表面涂有涂料,复合材料及涂料不具有憎水性。
进行了0.5m长试品的人工污秽试验,试验采用固体层法,按照设计污秽等级III级确定,盐密/灰密=0.1/1.0(mg/cm2)。
试验照片如图3-11所示,结果如表3-9所示。
图3-11复合材料杆污秽试验
表3-9复合材料杆污秽试验
15.9
14.2
图3-12复合横担
如图3-12,横担上杆的绝缘爬电距离为140cm,横担下杆的绝缘爬电距离为120cm,由此确定横担的绝缘爬电距离为120cm;
绝缘子采用5片爬电距离为450mm的防污型玻璃绝缘子;
由此确定相地绝缘爬电距离为345cm。
试验电压为73kV,试验过程中产生了电弧,但未发生闪络。
试验照片如图3-13。
图3-13污秽试验
3.5北京、福建110kV工程
北京、福建工程采用的为加硅橡胶伞裙的复合横担。
复合横担照片如图3-14所示。
北京工程横担芯棒为实心复合材料杆,福建工程横担芯棒为泡沫填充空心复合材料管材。
图3-14复合横担照片
(1)界面试验
针对复合材料加硅橡胶伞套的复合横担,按照复合绝缘子标准,增加了复界面和连接区的试验。
表3-10界面和连接区试验结果
北京工程
界面和连接区试验
(2)污秽试验
北京、福建工程采用的为加硅橡胶伞裙的复合横担,取消悬垂绝缘子。
试验采用固体层法,按照设计污秽等级III级确定,盐密/灰密=0.1/1.0(mg/cm2)。
110kV复合横担的爬电距离为3030mm,即为相地绝缘爬电距离。
如图3-15。
图3-15污秽试验照片
3.6复合材料覆冰试验
为了研究复合材料的覆冰特性,对不同种复合材料进行了模拟覆冰试验。
为了模拟冻雨条件下的材料覆冰情况,在水的温度降至2~3℃,用压缩气体将制冷水通过特制喷嘴打出,水滴成雾状和毛毛雨状,覆冰室内的气温为-4~-6℃,覆冰时间约45分钟。
试品布置和覆冰后的状况如图3-16所示。
图3-16试品布置和覆冰后的状况
材料覆冰后,整个试验过程中保持覆冰室内气温为-1~-5℃,湿度为86~99%,送风口有制冷后的冷风吹入,风速为5m/s~10m/s。
保持覆冰时间为8小时,期间每隔一个小时进入覆冰室内观察记录一次。
经过8小时,材料表面覆冰状况没有改变,见图3-17。
图3-17覆冰8小时后状况
3.7110kV塔头操作冲击试验
操作冲击试验主要验证杆塔塔头相地空气间隙尺寸是否满足要求,由于复合杆塔横担采用了复合材料,因此,杆塔的相地空气间隙由以前的导线-铁横担、导线-塔身两种情况,变成了导线-塔身(或抱箍),如图3-18所示。
图3-18试验示意图
按照杆塔基本布置,搭建了模拟塔头,进行了操作冲击试验,试验布置如图3-19所示:
图3-19模拟塔头间隙试验布置图
调节导线至杆塔的间隙距离,进行操作冲击放电试验,得到了相地操作冲击放电数据。
放电路径如图3-20所示,试验结果见表3-11。
图3-20操作冲击试验放电路径照片
表3-11操作冲击试验结果
导线-抱箍距离(cm)
90
100
115
50%放电电压(kV)
606
658
729
3.8110kV塔头带电作业试验
操作冲击试验主要验证杆塔塔头相地空气间隙尺寸是否满足要求,用模拟人分别模拟塔上地电位作业人员,及导线处等电位作业人员,进行带电作业试验,放电路径如图3-21所示,试验结果见表3-12。
图3-21带电作业试验放电路径
表3-12带电作业试验结果
放电路径
间隙距离(cm)
导线-模拟人
89
110
模拟人-抱箍
650
4试验结果初步分析
(1)材料基本性能结果分析
1)材料的密度在2.2g/cm3以下,大约为钢材的约为钢材密度(取7.8g/cm3)的1/4,显示出复合材料具有密度小的特点。
2)复合材料的强度要优于Q235钢材(屈服强度约为200MPa,破坏强度约为400MPa),其弹性模量较低,约为普通钢材(200GPa)的四分之一。
3)复合材料氧指数在50%以上,具有较好的阻燃特性,但不耐高温。
4)复合材料的热膨胀系数与普通钢材有一定的差异,普通钢材的线膨胀系数约为11.5×
10-6℃-1。
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