CN104897479A - 一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统；复合材料支柱绝缘子包括支柱的套管以及安装在套管两端的法兰；系统包括竖直放置的四边形和其两边的两个直角三角形由垂直于四边形底边的、并分别与四边形和三角形顶点连接的连件连接而成的框架，连接件，电液伺服作动器和控制装置；框架底部设有与套管底端法兰固定的第一法兰；连接件上设有与套管顶端法兰固定的第二法兰；电液伺服作动器安装在框架上，并与连接件相连；控制装置与电液伺服作动器相连。该检测系统在同一套检测系统上完成了对复合材料支柱绝缘子拉伸、悬臂弯曲、纯弯曲和扭转的力学性能检测，提高了试验效率，降低了试验设备的购置、安装和维护成本。

Description

一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统

技术领域

本发明涉及一种高压电气设备力学性能检测系统，具体讲涉及一种复合材料支柱绝缘子的力学性能综合检测系统。

背景技术

复合材料支柱绝缘子一般指使用玻璃纤维复合材料套管(或芯棒)代替瓷质材料，与金属法兰通过胶接或压接构成的绝缘子，是多种高压电气设备组件，发挥支撑、绝缘和容纳其他电气元件的功能。传统的电瓷材料在力学性能上表现出明显的脆性，许用应力较小，用玻璃纤维复合材料替代电瓷材料可提高绝缘子的力学性能，可用于克服高烈度地区变电站电气设备抗震性能不足的问题。

目前，由于缺乏精准的检测装置，所以对复合材料支柱绝缘子力学性能的了解不够深入，且已经开展的相关试验缺乏统一的检测方法，影响了检测结果的可靠性，从而对复合材料支柱绝缘子的力学性能的了解不够深入，制约复合绝缘子的推广使用。

具体来讲，复合材料支柱绝缘子力学性能试验主要涉及抗拉试验、弯曲试验和扭转试验。抗拉试验目的在于检测绝缘子的抗拉承载能力和拉伸刚度；弯曲试验目的在于检测绝缘子的抗弯承载能力和弯曲刚度；扭转试验目的在于测量绝缘子的抗弯承载能力和扭转刚度。目前，进行上述试验存在两方面的问题。

(1)现有试验方法和装置难以进行支柱绝缘子纯弯曲试验。支柱弯曲试验包括悬臂弯曲试验和纯弯曲试验。悬臂弯曲试验指在绝缘子顶端施加侧向荷载，从而在绝缘子上形成三角形分布的弯矩内力，检测在这种弯矩分布模式下绝缘子的抗弯性能；纯弯矩试验指在绝缘子顶端支架施加弯矩荷载，从而在绝缘子上形成矩形均匀分布的弯矩内力，检测在这种弯矩分布模式下的绝缘子抗弯性能。目前受试验条件限制，绝缘子抗弯试验一般为悬臂抗弯试验。然而，对于包含多节绝缘子组件的变电站电气设备来说，纯弯曲试验更能够准确模拟绝缘子在风荷载或地震荷载作用下的受力状态。设计复合材料支柱绝缘子纯弯曲试验装置，将提高绝缘子抗弯能力的试验水平。

(2)现有试验方法和装置对不同力学性能试验需在不同试验设备上进行，试验系统集成性差。目前开展复合材料支柱绝缘子的力学性能检测往往需要拉力试验机、弯曲试验机和扭转试验机，相关的加载系统、测量和数据采集系统以及控制系统均需要多套，增加了试验用地，试验设备购置成本以及维护成本。集成上述绝缘子力学性能试验设备，从而开展不同项目的试验能够试验相同的加载系统、测量和数据采集系统以及控制系统，能够提高开展绝缘子力学性能试验的效益，相应降低单个试验的成本。

随着在高电压等级电网的建设的加快，将不可避免的需要在高烈度地震区建设高电压等级变电站或换流站，需要采用更多具有抗震性能优势的复合材料电气设备。这种背景下，提高复合材料支柱绝缘子的力学性能试验及其检测设备的精准度以保证变电站复合材料设备的安全性。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种复合材料支柱绝缘子的力学性能综合检测系统。

本发明提供的技术方案是：一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统；所述复合材料支柱绝缘子包括所述支柱的套管以及安装在所述套管两端的法兰；其改进之处在于：所述系统包括竖直放置的四边形和其两边的两个直角三角形由垂直于所述四边形底边的、并分别与所述四边形和三角形顶点连接的连件连接而成的框架，连接件，电液伺服作动器和控制装置；所述框架底部设有与所述套管底端法兰固定的第一法兰；所述连接件上设有与所述套管顶端法兰固定的第二法兰；所述电液伺服作动器安装在所述框架上，并与所述连接件相连；所述控制装置与所述电液伺服作动器相连。

优选的，所述框架的四边形部分为主框架，所述框架的三角形部分为辅助框架；所述主框架由水平底梁、所述底梁两侧的竖直侧梁、以及所述侧梁之间的水平顶梁连接而成；所述辅助框架由水平底柱、与所述底柱相连的竖直立柱、以及两端分别与所述底柱和所述立柱相连的斜柱连接而且；所述底梁和所述侧梁的连接端与所述连件的一端相连，所述底柱和所述侧柱的连接端与所述连件的另一端相连。

进一步，所述主框架的底梁中部设置有第一法兰，套管底端的法兰通过螺栓与所述第一法兰固定连接，所述套管竖直方向固定在所述底梁与所述顶梁之间。

进一步，连接件包括所述第二法兰、以及安装在所述第二法兰中部的与所述第二法兰垂直的基座，所述第二法兰通过螺栓与所述套管顶端的法兰固定连接。

进一步，所述基座上设有贯穿所述基座的通孔，所述通孔的轴线与所述第二法兰平行，荷载杆穿过所述通孔与所述基座固定连接；所述基座与所述荷载杆两端的距离相等。

进一步，所述基座正上方的主框架顶梁上安装电液伺服作动器，所述电液伺服作动器与所述基座顶端连接；

所述电液伺服作动器在所述控制装置的控制下向所述复合材料支柱绝缘子施加轴向拉力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生拉伸破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在轴向拉力作用下的抗拉承载能力。

进一步，套管中部或底部的外壁上沿与所述套管轴线垂直的方向圆周等分布粘贴有应变片，所述应变片与控制装置相连。

进一步，所述基座正上方的主框架顶梁上和所述基座一侧的所述主框架侧梁上分别安装电液伺服作动器；所述顶梁上的电液伺服作动器与所述基座顶端连接；所述侧梁上的电液伺服作动器与所述基座的侧面连接；

所述电液伺服作动器在所述控制装置的控制下向所述复合材料支柱绝缘子施加水平侧向推力、或在施加侧向推力的同时向所述复合材料支柱绝缘子施加轴向压力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生弯曲破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在侧向推力下的抗弯承载能力、或在轴向压力作用下对侧向推力的抗弯承载能力。

进一步，所述荷载杆与主框架顶梁平行；所述荷载杆两端正上方的主框架顶梁上分别安装电液伺服作动器，所述荷载杆两端分别与所述电液伺服作动器对应连接；

所述电液伺服作动器在控制装置的控制下分别给所述荷载杆两端提供竖直方向的拉力和压力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生弯曲破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在均匀弯矩作用下的抗弯承载能力。

进一步，套管底部的外壁上沿与所述套管轴线垂直的方向圆周等分布粘贴有应变片，所述应变片与控制装置相连。

进一步，所述荷载杆与主框架顶梁垂直，所述荷载杆两端正侧方的辅助框架的立柱上分别安装电液伺服作动器；所述荷载杆两端分别与所述电液伺服作动器对应连接；

所述电液伺服作动器在控制装置的控制下分别给所述荷载杆两端提供水平方向的推力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生扭转破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在均匀扭矩作用下的抗扭承载能力。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明提供的绝缘子力学性能综合检测系统功能齐全，可以完成对复合材料支柱绝缘子拉伸、悬臂弯曲、纯弯曲和扭转的力学性能试验；

2)本发明提供的绝缘子力学性能综合检测系统中力的加载方式多样，可以为单向加载、低周往复加载和动态加载，使得检测结果更加全面可靠；

3)本发明提供的绝缘子力学性能综合检测系统解决了复合材料绝缘子纯弯曲试验的难以实施的问题；

4)本发明通过在同一套试验系统上完成上述三种模式的力学性能检测，提高了试验效率，降低了试验设备的购置、安装和维护成本。

附图说明：

图1为框架的立体图；

图2为框架的俯视图；

图3为连接件的立体图；

图4为复合材料支柱绝缘子拉伸试验的装配图；

图5为拉伸试验中复合材料支柱绝缘子的内力图；

图6为复合材料支柱绝缘子悬臂弯曲试验的装配图；

图7为悬臂弯曲实验中复合材料支柱绝缘子的内力图；

图8为复合材料支柱绝缘子纯弯曲试验的装配图；

图9为纯弯曲试验中复合材料支柱绝缘子的内力图；

图10为复合材料支柱绝缘子抗扭转试验的装配图；

图11为抗扭转试验中复合材料支柱绝缘子的内力图。

其中1-主框架；2-辅助框架；3-第一法兰；4-第二法兰；5-基座；6-荷载杆；-复合材料支柱绝缘子；8-电液伺服作动器。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供了复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，以及运用此系统进行复合材料支柱绝缘子拉伸、悬臂弯曲、纯弯曲和扭转检测的方法。系统包括框架、连接件、电液伺服作动器、数据采集部分和控制装置，运用该系统可以完成对复合材料支柱绝缘子拉伸、悬臂弯曲、纯弯曲和扭转的力学性能试验，加载力的方式上可以为单向加载，低周往复加载和动态加载。

复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统由如下部分组成。

框架、连接件和电液伺服作动器用于固定复合材料支柱绝缘子，并按要求施加轴力、侧向力、弯矩或扭矩；控制装置用于向电液伺服作动器输入加载方案，测量和记录复合材料支柱绝缘子的荷载响应。各部分具体内容如下，如图1、图2所示：

1)框架用于固定复合材料支柱绝缘子和电液伺服作动器，满足拉伸、弯曲和扭转力学性能检测所需的加载环境。框架包括主框架和辅框架，主框架和辅框架在底部通过连件连接。

主框架为一门形框架，底梁设置有固定复合材料支柱绝缘子的法兰，该法兰有多种规格且可与底梁分离，以满足不同复合材料支柱绝缘子对法兰孔位的要求。侧梁和顶梁用于固定提供弯矩和轴力的电液伺服作动器，电液伺服作动器位置可以根据试验需要在侧梁或顶梁上移动。

辅框架包括底柱、立柱和斜柱，用于固定提供扭矩的电液伺服作动器，电液伺服作动器位置可以根据试验需要在立柱上移动。

如图3所示：连接件用于传递电液伺服作动器的加载力至复合材料支柱绝缘子上，包含法兰、基座和荷载杆。法兰装置用于与复合材料支柱绝缘子顶部连接，基座用于固定荷载杆，荷载杆用于与电液伺服作动器的加载头连接，该法兰有多种规格且可与基座分离，以满足不同试件对法兰孔位的要求。按试验需要，连接件将轴力、侧向推力、弯矩或扭矩传递至复合材料支柱绝缘子试件上。

3)电液伺服作动器包括液压油原，电液伺服控制阀，作动器、传感器和控制芯片等部件，可以根据需要选用市场中现有的成熟装置，用于通过加载段连接装置向复合材料支柱绝缘子施加荷载。电液伺服作动器可根据需要按力控制或按位移控制施加荷载，施加荷载的模式上可以为单向荷载，往复荷载以及指定频率的循环荷载，以此满足单向加载试验，低周往复加载试验和疲劳试验的需求；另外，电液伺服作动器利用其内部的传感器测量和采集作动器加载过程中的加载力、加载端位移等数据。

4)数据采集部分包括应变片、位移计等，用于测量和采集复合材料支柱绝缘子重要部位的应变和位移。数据采集过程中，各类信号的采集同时触发并有相同的采样频率，采样频率能满足疲劳试验的要求。

控制装置用于对电液伺服作动器、数据采集部分的集成控制，是本复合材料绝缘子力学性能综合检测系统的人机交互界面。通过控制装置输入试验加载方案，并在试验过程中监测电液伺服作动器的力信号、位移信号，检测复合材料支柱绝缘子的应变和位移响应。此外控制系统还设置过载保护措施，对试验异常情况发出警告信息，并在必要时刻自动触发急停动作。

复合材料支柱绝缘子拉伸、悬臂弯曲、纯弯曲和扭转检测的方法包括如下部分：

1)复合材料支柱绝缘子拉伸试验

如图4、图5所示：拉伸试验目的在于检测复合材料支柱绝缘子在轴向拉力作用下的承载能力，同时可检测套管的抗拉弹性模量。

将复合材料支柱绝缘子底部的法兰与框架底梁上的法兰通过螺栓连接，顶部法兰与连接件的法兰连接。顶部电液伺服作动器通过连接件施加轴向拉力。

试验测量上，在复合材料支柱绝缘子中部或底部的套管外壁上沿与其轴线垂直的方向贴四个圆周等分布的应变片，用于记录套管在拉伸过程中的应变，电液伺服作动器通过其内部传感器记录作动器的加载力和位移。

试验过程中按试验要求通过控制装置对复合材料支柱绝缘子施加轴向拉力F，直至发生拉伸破坏，由此得到的破坏时刻作动器拉力值为抗拉承载力，并可结合应变测量值计算套管的弹性模量。

2)复合材料支柱绝缘子悬臂弯曲试验：

如图6、图7所示：悬臂弯曲试验目的在于检测复合材料支柱绝缘子在顶端侧向推力作用下的抗弯承载能力，同时可检测套管的抗弯刚度。

将复合材料支柱绝缘子底部法兰与框架底梁上的法兰装置通过螺栓连接，顶部法兰与连接件的法兰连接。电液伺服作动器安装在主框架的侧梁，侧梁上的电液伺服作动器通过连接件施加侧向推力。同时可根据试验需要在顶梁上设置轴向压力的电液伺服作动器，以模拟有轴压状态下的悬臂抗弯试验。

试验测量上，在套管底部外壁上沿与套管轴线垂直的方向贴四个圆周等分布的应变片，用于记录套管在悬臂弯曲试验过程中的应变，电液伺服作动器通过其内部传感器记录作动器的加载力和位移。此外，还可根据不同的试验要求在套管上设置位移计，并一同进行数据采集。

试验过程中按试验要求通过控制装置对复合材料支柱绝缘子施加侧向推力F和轴向压力F_N，直至发生弯曲破坏，由此得到的破坏时刻侧向电液伺服作动器推力值F为轴向压力F_N作用下复合材料支柱绝缘子的臂抗弯承载力。

3)复合材料支柱绝缘子纯弯曲试验

如图8、图9所示：纯弯曲试验目的在于检测复合材料支柱绝缘子在均匀弯矩作用下的抗弯承载力，同时可检测复合套管的抗弯刚度。

将复合材料支柱绝缘子试件底部法兰与框架底梁上的法兰装置通过螺栓连接，顶部法兰与连接件连接。在荷载杆两端分别设置提供拉力和压力的竖向电液伺服作动器，从而在绝缘子上形成弯矩。

试验测量上，在套管底部的外壁上沿与套管轴线垂直的方向贴四个圆周等分布的应变片，用于记录套管在纯弯曲试验过程中的应变，电液伺服作动器通过其内部传感器记录作动器的加载力和位移。此外，还可根据不同的试验要求在复合材料支柱绝缘子上设置位移计，并一同进行数据采集。

试验过程中通过控制装置在荷载杆的两端分别施加拉力F和压力-F,由此在复合材料支柱绝缘子上形成均布弯矩M＝FL(L为荷载杆长)。逐步增大荷载杆端作动器加载力值直至复合材料支柱绝缘子发生弯曲破坏，由此得到的破坏时刻的弯矩值M为复合材料支柱绝缘子的纯弯曲承载力。

4)复合材料支柱绝缘子扭转试验

如图10、图11所示：扭转试验目的在于检测复合材料支柱绝缘子在均匀扭矩作用下的抗扭承载力。

将复合材料支柱绝缘子的底部法兰与框架底梁上的法兰通过螺栓连接，顶部法兰与连接件连接。在荷载杆两端分别设置提供推力的侧向作动器，从而在复合材料支柱绝缘子上形成扭矩。

试验测量上，电液伺服作动器通过其内部传感器记录作动器的加载力和位移。

试验过程中通过控制装置在荷载杆的两端分别施加推力F,由此在复合材料支柱绝缘子上形成均布扭矩T＝FL(L为荷载杆长)。逐步增大荷载杆端作动器加载力值直至复合材料支柱绝缘子发生扭转破坏，由此得到的破坏时刻的弯矩值M为复合材料支柱绝缘子的抗扭承载力。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统；所述复合材料支柱绝缘子包括所述支柱的套管以及安装在所述套管两端的法兰；其特征在于：所述系统包括竖直放置的四边形和其两边的两个直角三角形由垂直于所述四边形底边的、并分别与所述四边形和三角形顶点连接的连件连接而成的框架，连接件，电液伺服作动器和控制装置；所述框架底部设有与所述套管底端法兰固定的第一法兰；所述连接件上设有与所述套管顶端法兰固定的第二法兰；所述电液伺服作动器安装在所述框架上，并与所述连接件相连；所述控制装置与所述电液伺服作动器相连。

2.如权利要求1所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

所述框架的四边形部分为主框架，所述框架的三角形部分为辅助框架；所述主框架由水平底梁、所述底梁两侧的竖直侧梁、以及所述侧梁之间的水平顶梁连接而成；所述辅助框架由水平底柱、与所述底柱相连的竖直立柱、以及两端分别与所述底柱和所述立柱相连的斜柱连接而且；所述底梁和所述侧梁的连接端与所述连件的一端相连，所述底柱和所述侧柱的连接端与所述连件的另一端相连。

3.如权利要求2所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

所述主框架的底梁中部设置有第一法兰，套管底端的法兰通过螺栓与所述第一法兰固定连接，所述套管竖直方向固定在所述底梁与所述顶梁之间。

4.如权利要求3所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

连接件包括所述第二法兰、以及安装在所述第二法兰中部的与所述第二法兰垂直的基座，所述第二法兰通过螺栓与所述套管顶端的法兰固定连接。

5.如权利要求4所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

所述基座上设有贯穿所述基座的通孔，所述通孔的轴线与所述第二法兰平行，荷载杆穿过所述通孔与所述基座固定连接；所述基座与所述荷载杆两端的距离相等。

6.如权利要求4所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

所述基座正上方的主框架顶梁上安装电液伺服作动器，所述电液伺服作动器与所述基座顶端连接；

所述电液伺服作动器在所述控制装置的控制下向所述复合材料支柱绝缘子施加轴向拉力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生拉伸破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在轴向拉力作用下的抗拉承载能力。

7.如权利要求6所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

套管中部或底部的外壁上沿与所述套管轴线垂直的方向圆周等分布粘贴有应变片，所述应变片与控制装置相连。

8.如权利要求4所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

所述基座正上方的主框架顶梁上和所述基座一侧的所述主框架侧梁上分别安装电液伺服作动器；所述顶梁上的电液伺服作动器与所述基座顶端连接；所述侧梁上的电液伺服作动器与所述基座的侧面连接；

所述电液伺服作动器在所述控制装置的控制下向所述复合材料支柱绝缘子施加水平侧向推力、或在施加侧向推力的同时向所述复合材料支柱绝缘子施加轴向压力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生弯曲破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在侧向推力下的抗弯承载能力、或在轴向压力作用下对侧向推力的抗弯承载能力。

9.如权利要求5所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

所述荷载杆与主框架顶梁平行；所述荷载杆两端正上方的主框架顶梁上分别安装电液伺服作动器，所述荷载杆两端分别与所述电液伺服作动器对应连接；

所述电液伺服作动器在控制装置的控制下分别给所述荷载杆两端提供竖直方向的拉力和压力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生弯曲破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在均匀弯矩作用下的抗弯承载能力。

10.如权利要求8或9所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

套管底部的外壁上沿与所述套管轴线垂直的方向圆周等分布粘贴有应变片，所述应变片与控制装置相连。

11.如权利要求5所述的一种复合材料支柱绝缘子力学性能综合检测系统，其特征在于：

所述荷载杆与主框架顶梁垂直，所述荷载杆两端正侧方的辅助框架的立柱上分别安装电液伺服作动器；所述荷载杆两端分别与所述电液伺服作动器对应连接；

所述电液伺服作动器在控制装置的控制下分别给所述荷载杆两端提供水平方向的推力，直至所述复合材料支柱绝缘子发生扭转破坏；

所述电液伺服作动器通过其内部传感器记录施加力的大小和所述作动器的位移并传输给所述控制装置，得到所述复合材料支柱绝缘子在均匀扭矩作用下的抗扭承载能力。