CN1197207A - 悬垂式绝缘子的可靠性评价方法 - Google Patents

Abstract

将高应力加在悬垂式绝缘子上,根据高应力大小和寿命的关系,推断实际使用状态下的劣化率。将填充了胶合剂的悬垂式绝缘子浸渍在加热到规定温度的水中,加速该胶合剂材料的使用年限,在规定的期间内,在悬垂式绝缘子上施加产生破坏的拉伸负载,测量出到达产生与所施加的拉伸负载的大小对应的破坏的时间,累积破坏概率,根据所累积的破坏概率、拉伸负载的大小和到达产生破坏的时间之间的关系,求出正常工作负载下的悬垂式绝缘子的劣化率。

Description

悬垂式绝缘子的可靠性评价方法

本发明涉及输电线路中多个串联连接使用的悬垂式绝缘子，特别是涉及计算处于长期使用状态下的悬垂式绝缘子的劣化率、评价其可靠性的方法。

迄今，输电线路中多个串联连接使用的悬垂式绝缘子如图5所示，由下述部分构成：由瓷器构成的本体1、帽连接件3、栓连接件4、分别将本体1和帽连接件3及本体1和栓连接件4结合起来的胶合剂2。由瓷器构成的本体1是由伞部1a、在该伞部1a的内侧面呈圆环状且呈同心圆状形成的多个褶部1b、以及在伞部1a的中央上部一体形成的有盖圆筒状的头部1c一体地成形构成的。

帽连接件3利用胶合剂2盖在头部1c的外周上固定，在该连接件2上形成配合凹部3a，能与其正上方连接的另一悬垂式绝缘子的栓连接件4相配合。栓连接件4的上部利用胶合剂2被固定在本体1的头部1c的内部，栓连接件4的下端则与正下方连接的另一悬垂式绝缘子的帽连接件3的配合凹部3a相配合。

这里，在本体1的头部1c的内外周面上带有将头部1c和帽连接件3及头部1c和栓连接件4机械地且牢固地结合起来用的砂(サンド)5。这样构成的悬垂式绝缘子的拉伸强度实际上是由本体1的瓷器的固有强度决定的，而除此之外，还与将瓷器和栓连接件4及帽连接件3分别固定起来的胶合剂2的强度的影响有很大关系。

在这样的悬垂式绝缘子中，其设计或质量管理不当、质量差的绝缘子由于瓷器部分的强度随着时间的推移而下降，往往在头部1c上产生龟裂。如果在绝缘子串中存在产生了这样的龟裂的劣化的绝缘子而仍继续使用的话，由于打雷放电等原因，在存在劣化了的绝缘子的绝缘子串上会产生飞弧，在续电流经过劣化的绝缘子头部1c的情况下，由于电弧能量而在头部1c内部产生爆炸，绝缘子失去了机械支撑功能，给输电系统造成重大打击。

这里，作为评价绝缘子的时效强度的试验方法，将温度周期叠加在机械重复载荷上的热-机械性能测试(Thermal MechanicalPerformance Test，以下称老化试验)在IEC或加拿大标准(CSA)中已被标准化。该试验方法是人为地产生长期使用状态下的机械应力、热应力，强制地使绝缘子劣化。即，在规定的负载、温度条件下进行老化试验后，进行带电破坏负载试验，用下式(1)所示的品质因数Qs判断该试验结果。 $\mathrm{Qs}\≥\frac{\stackrel{-}{X}-\mathrm{Rs}}{\mathrm{Se}}........\left(1\right)$

X：老化后的破坏负载平均值

Ps：带电破坏负载允许值

Se：老化后的破坏负载标准偏差

在IEC中，对应于供试验的个数，将该品质因数Qs规定在1.4～1.7的范围内，在CSA中，将判断标准严格化为3以上。已知该老化试验结果和实际线路中的悬垂式绝缘子的劣化率具有很好的对应关系。

上述的试验方法对于鉴定低品质的绝缘子是有效的，但用于验证要求40～50年的寿命周期的高品质绝缘子的可靠性是不充分的。

而本发明则是根据下述的见解完成的，即在某一高应力大小下求出悬垂式绝缘子的寿命分布，如果掌握了所加的应力大小和寿命的相对关系，就能在理论上推断出通常施加的低应力大小时的悬垂式绝缘子的寿命，从而推断实际使用状态下的悬垂式绝缘子的劣化率，获得评价该绝缘子的可靠性的方法。

本发明是一种在短时间内求出长时间使用状态下的悬垂式绝缘子的劣化率、评价其可靠性的悬垂式绝缘子的可靠性评价方法，为了解决上述课题，在本发明的第一方面中，将填充了胶合剂的悬垂式绝缘子浸渍在加热到规定温度的水中，加速该胶合剂的材料的使用年限，在规定的期间内，在加速了该胶合剂的材料的使用年限的悬垂式绝缘子上施加产生破坏的拉伸负载，测量出到达产生与所施加的拉伸负载的大小对应的破坏的时间，累积破坏概率，根据所累积的破坏概率、拉伸负载的大小和到达产生破坏的时间之间的关系，求出正常的工作负载下的悬垂式绝缘子的劣化率。

在这样使悬垂式绝缘子的胶合剂材料的使用年限加速的状态下，通过施加高应力大小的拉伸负载，缩短悬垂式绝缘子的寿命，求出此时的拉伸负载、破坏概率和破坏时间之间的关系，通过将其外插到正常的工作负载中，能在短时间内求出实用状态下的悬垂式绝缘子的劣化率。

本发明的第二方面，将拉伸负载的大小设为S₁、S₂、…S_n，对每个该拉伸负载的大小S₁、S₂、…S_n测量并计算出累积的破坏概率P₁、P₂、…P_n及到达产生破坏的时间T₁、T₂…T_n，将这些测量求得的多个实际测量值代入下面的数学式3的计算式，利用最小二乘法求出该计算式中的m/(n+1)，m·n/(n+1)及C的值，将用最小二乘法求得的该m/(n+1)，m·n/(n+1)及C的值、所希望的时间(T)和常时使用负载(S)代入上述的计算式，算出所希望的时间的破坏概率(P)，求得正常工作负载下的悬垂式绝缘子的劣化率。

式中m表示威布尔常数，n表示与寿命有关的常数，C表示常数。

这样，在将拉伸负载的大小设为S₁、S₂、…S_n设定为高应力大小后，测出拉伸负载为S₁时的累积的破坏概率P₁₁、P₁₂、…P_1n及到达产生破坏的时间T₁₁、T₁₂…T_1n，再测出拉伸负载为S₂时的累积的破坏概率P₂₁、P₂₂、…P_2n及到达产生破坏的时间T₂₁、T₂₂…T_2n，反复进行同样的测量，最后测量求出拉伸负载为S_n时的累积的破坏概率P_n1、P_n2、…P_nn及到达产生破坏的时间T_n1、T_n2…T_nn。

将这些多组各测量值代入数学式3的计算式，利用最小二乘法能求出数学式3的计算式中的m/(n+1)，m·n/(n+1)及C。将这样求得的m/(n+1)，m·n/(n+1)及C代入数学式3的计算式中，如果再将正常工作负载S和所希望的使用年数T代入数学式3的计算式，就能算出破坏概率P。因此，能在短时间内求出正常工作负载下的悬垂式绝缘子的劣化率。

图1是表示长期使用的悬垂式绝缘子的时间和压缩强度的关系的图。

图2是表示将胶合剂材料的使用年限加速后的悬垂式绝缘子的压缩强度与图1对照用的试验结果的曲线图。

图3是表示在威布尔概率纸上绘出胶合剂材料的使用年限加速后的试样悬垂式绝缘子A的拉伸负载、到达破坏的时间及累积破坏概率、表示与拉伸负载对应的到达破坏的时间和累积破坏概率的关系的图。

图4是表示在威布尔概率纸上绘出胶合剂材料的使用年限加速后的试样悬垂式绝缘子B的拉伸负载、到达破坏的时间及累积破坏概率、表示与拉伸负载对应的到达破坏的时间和累积破坏概率的关系曲线图。

图5是表示悬垂式绝缘子的简略结构的剖面图。

以下，说明本发明的一实施例。如图5所示，悬垂式绝缘子由下述部分构成：由瓷器构成的本体1、帽连接件3、栓连接件4、分别将本体1和帽连接件3及本体1和栓连接件4结合起来的胶合剂2。作为该胶合剂2，广泛使用波特兰胶合剂，由于具有流动性，在胶合剂中配以聚集体。随着该聚集体的配合量或混合用水量的不同，固化后的胶合剂的强度不同，但一般来说，随着养护后的胶合剂2的材料使用年限的推移，水和反应继续进行，使胶合剂的强度增大。

在JIS R5201中规定了波特兰胶合剂的各种物理性质的试验方法。在该JIS R5201中规定使胶合剂流入型箱中，将负载速度为80kgf/s的负载加在呈长方体状的成形后的试样上，求出压缩强度。

因此，本发明者等人为了求出填充在悬垂式绝缘子中的胶合剂2的压缩强度，将在输电线路中长期使用后撤下来的悬垂式绝缘子的栓连接件4去掉，并从去掉了栓连接件4的栓孔切出一边为7mm、厚为4mm的长方体状的胶合剂2，将其作为试片，求出了该试片的压缩强度的时效特性。该压缩强度的试验结果如图1所示。从图1所示的试验结果可知，随着使用时间的增长，压缩强度增大，但如果经过了十几年，呈现出饱和趋势，胶合剂的水和反应大致用了十几年而收敛。

A.材料使用年限加速试验

胶合剂的水和反应和其它化学反应一样，随着温度的提高，反应加快。另外，如果一边供给水，一边进行水和反应，则能促进反应。因此，通过将养护后的悬垂式绝缘子长时间地浸渍在热水中，能加速填充在悬垂式绝缘子中的胶合剂的材料使用年限。因此，将养护后的悬垂式绝缘子浸渍在80℃的热水中长达10日及3个月，从使材料使用年限加速后的悬垂式绝缘子的栓孔切出一边为7mm、厚为4mm的长方体状的胶合剂，作成材料使用年限加速后的试片A、B，求出了该材料使用年限加速后的试片A、B的压缩强度。

将该压缩强度的试验结果与图1中的数据进行对照，获得了图2所示的结果。由图2所示的试验结果可知，将养护后的悬垂式绝缘子浸渍在80℃的热水中长达10日使材料使用年限加速后的悬垂式绝缘子(试片A)的压缩强度与使用年限为5年的悬垂式绝缘子的压缩强度大致相等，而将养护后的悬垂式绝缘子浸渍在80℃的热水中长达3个月使材料使用年限加速后的悬垂式绝缘子(试片B)的压缩强度与使用年限为10几年的悬垂式绝缘子的压缩强度大致相等。因此可知，如果将养护后的悬垂式绝缘子浸渍在80℃的热水中长达3个月使材料使用年限加速，则能获得使用年限达10几年的悬垂式绝缘子。

因此，由于胶合剂的水和反应几乎用10几年的时间进行收敛，将养护后的悬垂式绝缘子浸渍在80℃的热水中长达3个月使材料使用年限加速后的悬垂式绝缘子的压缩强度变成与使用了40、50年后的悬垂式绝缘子的压缩强度大致相等。

B. S、P、T的关系

悬垂式绝缘子主要随着胶合剂的固化、收缩的进展而使长时间使用后的悬垂式绝缘子的瓷器变得容易劣化，瓷器的拉伸破坏负载降低。为了对其进行鉴定，首先需要求出S、P、T的关系，但悬垂式绝缘子一般在连接件部分发生破坏，所以在求S、P、T的关系时，需要使用采用了高强度钢的高强度连接件，以便在连接件部分不产生破坏。

经过了这样的准备后，如下求出了加在悬垂式绝缘子上的拉伸负载的大小(Stress)S、破坏概率(Probability)P、破坏时间(Time)T之间的关系，即S、P、T的关系。

采用以一定的速度使加在试样绝缘子上的拉伸负载上升的方法，以便在负载施加后的数秒～1年的时间内引起破坏，用预先求得的瓷器的拉伸破坏负载的平均值的95％(S₁)～75％(S_n)，设定3～4个负载大小，将多个试样绝缘子连接起来，曝露在室外。然后，对每个设定负载S₁、S₂、…S_n测量出到达产生破坏的时间T₁、T₂…T_n，并累积破坏概率P₁、P₂、…P_n，但也测量昼夜温度变化产生的张力变化，控制油压回路，以便能确保设定负载的±1％的精度。

通过这样处理，在威布尔概率纸(参照图3及图4)上绘出加在悬垂式绝缘子上的每个拉伸负载的大小S₁、S₂、…S_n的破坏概率P₁、P₂、…P_n和破坏时间T₁、T₂…T_n的各个实际测量值的数据块。根据这些实际测量值，求出S、P、T的相对关系，求得用于计算悬垂式绝缘子的劣化率的参数。瓷器破坏的S、P、T的关系可以用由瓷器的滞后破坏现象求得的下面的式(2)来表示。 $\ln \ln \frac{1}{1-p}=\frac{m}{n+1}\ln T+\frac{\mathrm{mn}}{n+1}\ln S+C.....\left(2\right)$

p：累积破坏概率      n：与寿命有关的常数

m：威布尔常数        T：破坏时间(分)

S：拉伸负载(Ton)     C：常数

这里，上式(2)的左边一项表示威布尔概率纸的纵轴，右边的1nT表示横轴，作成了数据块的数据的斜率为m/(n+1)。而且，m是表示分布的离散的参数，数值大者特性的离散小。另外，n是表示与拉伸负载对应的寿命的依赖性的参数，表示数值大者寿命长。

因此，如果根据从实际测量数据求得的S、P、T的关系，利用最小二乘法求出式(2)中的m/(n+1)、m·n/(n+1)及C的解，就能导出m、n的值。如果给定m、n的值，就能推断出正常工作负载下的劣化率。下面说明这一点。

C.加速了材料使用年限的悬垂式绝缘子的S、P、T特性

于是，求出了将养护后的悬垂式绝缘子浸渍在80℃的热水中长达3个月使材料使用年限加速后的250mm的悬垂式绝缘子(试样绝缘子A)和280mm的悬垂式绝缘子(试样绝缘子B)的S、P、T的关系。加在各试样绝缘子A、B上的拉伸负载S为瓷器的拉伸破坏负载平均值(试样绝缘子A为21500kgf，试样绝缘子B为40000kgf)的0.95(S₁)、0.85(S₂)、0.75(S₃)。这样设定拉伸负载大小后，将多个试样绝缘子A、B连接起来，曝露在室外。

这样处理后，通过将高应力大小的拉伸负载加在多个试样绝缘子A、B上，随着时间的推移，被破坏的试样绝缘子的个数增加。而且，在设定拉伸负载S₁的情况下，测量到达产生破坏的时间T₁₁、T₁₂…T_1n，同时累积破坏概率P₁₁、P₁₂、…P_1n，在威布尔概率纸上绘出。同样，在设定拉伸负载S₂的情况下，测量到达产生破坏的时间T₂₁、T₂₂…T_2n，同时累积破坏概率P₂₁、P₂₂、…P_2n，并绘制在威布尔概率纸上。再在设定拉伸负载S₃的情况下，测量到达产生破坏的时间T₃₁、T₃₂…T_3n，同时累积破坏概率P₃₁、P₃₂、…P_3n，并绘制在威布尔概率纸上。其结果，获得图3、图4所示的数据。另外，图3表示试样绝缘子A的试验结果，图4表示试样绝缘子B的试验结果。

由该图3、图4可知，利用表示S、P、T关系的直线的斜率和各自的设定拉伸负载时的实际测量数据良好的对应关系，即使将实际测量数据的S、P、T的关系外插到实际工作负载区，算出劣化率也不成问题。

于是，对于各个试样绝缘子A、B，将实际测量数据(即，S₁时的T₁₁、T₁₂…T_1n及P₁₁、P₁₂、…P_1n，S₂时的T₂₁、T₂₂…T_2n及P₂₁、P₂₂、…P_2n，S₃时的T₃₁、T₃₂…T_3n及P₃₁、P₃₂、…P_3n)代入式(2)，利用最小二乘法算出式(2)中的m/(n+1)、m·n/(n+1)及C的解，如果求出常数m、n的值，则如下表1所示，m的范围为8～9，n的范围为45～53。

由该表1可知，m/(n+1)为0.15～0.2，m·n/(n+1)为8～9。如式(2)所示，这些m/(n+1)及m·n/(n+1)分别是拉伸负载S及破坏时间T的系数，所以表明悬垂式绝缘子的劣化率与工作负载的相关性比与使用年数的相关性高。

这里，是计算将例如允许值的1/2、1/4、1/5等的实际工作负载加在试样绝缘子A、B上的情况下的劣化率。使用上表1中所求得的试样绝缘子A、B的m/(n+1)、m·n/(n+1)及C，将这些值代入上述式(2)，求出使用了50年时间(T＝2.6×10⁷)的情况下的累积破坏概率(P)，算出每10万个试样绝缘子A、B的劣化个数后，获得了如下面的表2所示的结果。

试样绝缘子	使用了50年后的每10万个中的劣化个数
				允许值×1/2	允许值×1/4	允许值×1/5
	A	14个	4×10-2个				4×10-3个
B				33个	0.2个	3×102个

另外，在试样绝缘子A的情况下，上述表2中的允许值(加压破坏负载允许值)使用了12.000kgf，在试样绝缘子B的情况下，使用了21.000kgf。

一般情况下，在输电线路设计上，正常使用的负载采用了加压破坏负载允许值的1/4～1/5，但由上表2可知计算结果如下：在加压破坏负载允许值的1/5的情况下，在1000万个试样中出现0.4～3个劣化试样，在加压破坏负载允许值的1/4的情况下，在1000万个试样中出现4～20个劣化试样。

该计算结果与实际线路中劣化个数具有良好的对应关系。因此，通过考虑胶合剂的材料使用年限，可由S、P、T的关系导出长期使用状态下的悬垂式绝缘子的劣化率。

Claims (2)

1.一种在短时间内求出长时间使用状态下的悬垂式绝缘子的劣化率、评价其可靠性的悬垂式绝缘子的可靠性评价方法，其特征在于：

将填充了胶合剂的上述悬垂式绝缘子浸渍在加热到规定温度的水中，加速该胶合剂的材料的使用年限，

在规定的期间内，在加速了上述胶合剂的材料的使用年限的悬垂式绝缘子上施加产生破坏的拉伸负载，

测量出到达产生与上述所施加的拉伸负载的大小对应的破坏的时间，累积破坏概率，

根据上述累积的破坏概率、上述拉伸负载的大小和到达产生上述破坏的时间之间的关系，求出正常工作负载下的悬垂式绝缘子的劣化率。

2.根据权利要求1所述的悬垂式绝缘子的可靠性评价方法，其特征在于：将上述拉伸负载的大小设为S₁、S₂、…S_n，对每个该拉伸负载的大小S₁、S₂、…S_n，测量并计算出上述累积的破坏概率P₁、P₂、…P_n及到达产生上述破坏的时间T₁、T₂…T_n，

将这些测量求得的多个实际测量值代入下面的数学式1的计算式，利用最小二乘法求出该计算式中的m/(n+1)，m·n/(n+1)及C的值，

将用最小二乘法求得的该m/(n+1)、m·n/(n+1)及C的值、所希望的时间(T)和常时使用负载(S)代入上述的计算式，算出所希望的时间的破坏概率(P)，求得正常工作负载下的悬垂式绝缘子的劣化率。

式中，m表示威布尔常数，n表示与寿命有关的常数，C表示常数。

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