输电杆塔用复合材料的多因素老化分析和寿命评估

随着复合材料输电杆塔的推广应用,探究复合材料杆塔材料在运行过程中出现的老化特性具有重要意义。采用老化试验箱模拟户外运行环境,对改性聚氨酯(PU)、环氧树脂(E44)和间苯不饱和聚酯(UP)等不同树脂体系的玻纤增强复合材料试样进行5 000 h多因素老化试验。通过弯曲模量测试、扫描电镜测试及热失重分析等手段,从力学、微观、热稳定性等角度分析玻纤增强复合材料的老化特性。结果表明:5 000 h加速老化后,玻纤增强PU复合材料的弯曲模量保留率保持在90%以上,界面粘结良好,温度指数较高,其微观性能、热稳定性均优于玻纤增强E44复合材料。根据灰色理论建立弯曲模量预测模型,得到弯曲模量降为90%时PU复合材料的老化寿命为9 400 h。     

复合材料杆塔及材料多因子老化特性

为了探索电力用复合材料的耐环境老化特性,借助多因子老化箱模拟自然环境下复合材料杆塔运行环境,观察杆塔材料模量变化和杆塔、横担表面光纤光栅应变变化,表征加速老化条件下改性聚氨酯(PU)/玻纤复合材料和相应杆塔耐老化特性。经历4 000 h多因子加速老化,PU和相应复合材料弯曲模量保留率都90%,拉挤工艺的PU复合材料样品弯曲模量可高达95.8%;PU复合材料杆塔及横担制品最大位移处应变2‰,且杆塔应变低于横担应变。实验结果表明PU复合材料杆塔及横担具备良好的抗环境老化性。     

配网用复合材料绝缘横担老化特性研究

采用人工加速老化试验方法对配网用复合材料绝缘横担的老化特性进行研究,开展了5 000 h紫外老化、1 000 h湿热老化、1 000 h氙灯老化、90 d酸碱(5%HCl、10%NaOH)老化等试验,研究不同老化条件对配网用复合材料绝缘横担力学性能和电气性能的影响。同时,对在自然暴露条件下的某试点线路挂网运行4年多(超过35 000 h)的复合材料绝缘横担进行了取样研究。结果表明:在加速老化条件及自然暴露老化条件下,复合材料横担的弯曲模量保留率均在90%以上,雷电冲击耐受电压仍可达350 kV以上,表面电阻率可达1015Ω以上,复合材料绝缘横担表现出良好的耐老化性能。     

复合材料杆塔人工加速老化试验及其长期性能评估

复合材料杆塔在实际运行中受到高湿、高低温、紫外线、雨水和电场等多种因素的侵蚀老化,同时导线在风力作用下的振动也会造成杆塔应力疲劳老化。为全面评估复合材料杆塔的运行可靠性和耐老化特性,结合我国杆塔实际运行环境,在IEC 5 000 h多因子老化试验方法的基础上进行改进,首次对复合材料杆塔开展人工加速老化试验,并通过在杆塔表面植入光纤光栅传感器实时监测杆塔应变。试验前,通过有限元力学仿真确定光纤光栅传感器在杆塔上的植入部位;试验中通过加装振动装置模拟风力对杆塔的影响。对杆塔应变数据进行分析,结果显示:紫外和高热高湿环境对杆塔应变有较大影响;经过5 000 h人工加速老化试验后,杆塔应变变化幅度小,杆塔未出现明显缺陷,表明复合材料杆塔可在户外长期运行。     

110kV双回线路格构式复合材料杆塔电气结构设计

电气结构设计是110 k V格构式复合材料杆塔应用所关注的焦点问题,其重点在于如何提高防污和防雷性能。首先针对杆塔复合材料的绝缘特性进行了分类、分项测试,结果表明E型玻璃纤维增强型环氧树脂复合材料满足绝缘材料电阻特性要求,可用于制作绝缘杆塔。结合考虑断线张力等因素,通过污秽试验和电场仿真计算,确定了横担采用格构式横担悬挂加装均压环的FXBW-35/70防污型复合绝缘子的防污设计,试验表明,其污耐压高达145 k V。杆塔防雷须采用架设避雷线、且通过接地引下线逐塔接地的方案;针对复合材料被电弧烧蚀后易失去绝缘性和结构强度的特点,提出了沿导线方向在两回线路中心线上竖直架设引下的方式。然后,开展了真型塔头雷电冲击放电试验,确定了引下线离塔身距离和下相横担离金属塔身距离,以及杆塔雷电冲击绝缘强度。结合理论计算,获得了110 k V双回线路格构式复合材料杆塔的雷电性能,与同电压等级铁塔相比,复合材料杆塔雷电冲击绝缘强度提高了近1.14倍;在接地电阻为20Ω条件下,杆塔的耐雷水平提高了94%,而雷击闪络跳闸率降低了82%。综上,110 kV双回线路格构式复合材料杆塔采用提出的电气结构设计,具有更好的防污和防雷性能。     

110 kV“上”字型输电线路复合材料横担耐雷水平研究

随着材料工艺和技术的不断成熟,复合材料在输电线路杆塔工程中应用逐渐增多,为研究复合材料杆塔在110 k V输电线路中的防雷性能,在ATP-EMTP软件中建立110 k V典型"上"字型输电线路复合材料横担仿真模型,从地面倾角和复合横担不同长度等对杆塔耐雷水平进行研究。根据耐雷水平计算结果,提出同时满足防雷性能和安全裕度优化的复合材料杆塔结构方案。     

基于布拉格光纤光栅传感技术的复合材料杆塔老化寿命预测

5000 h多因子老化实验数据表明,老化因子的循环施加导致各光纤监测点的日应变波形具有一定规律,总体呈现两峰两谷的形状,特征量第一个局部峰值KP1随着老化过程逐渐减小。该文借助Matlab软件预测应变的变化趋势,采用BP神经网络和灰色模型对应变数据进行建模分析,并优先考虑载荷较大的TD21538通道。结果表明,以KP1降为初始值的60%作为失效条件,复合材料杆塔材料的等效加速老化寿命为9 500 h。因实验考虑的是极端恶化的条件,计算寿命远小于实际使用寿命,该材料的使用寿命远大于试验时间5 000 h,说明聚氨酯复合材料具备优异的耐老化性能。     

含硅芳炔树脂的固化及其复合材料性能

通过溶液法在含硅芳炔树脂(PSA)中加入催化剂乙酰丙酮镍和三苯基膦,制备了碳纤维增强PSA复合材料(T700CF/PSA),研究PSA树脂的热自聚固化和催化固化反应动力学、固化树脂的热性能和复合材料的弯曲性能。结果表明:PSA中加入催化剂可降低其固化温度,初始表观活化能下降,但后期固化表观活化能提高。加入催化剂后的PSA的热稳定性略高于未加催化剂的PSA,800℃氮气氛围中残留率达88%。单向碳纤维T700CF增强PSA基复合材料室温下的弯曲强度为1 805 MPa,弯曲模量为149 GPa,300℃下弯曲强度和弯曲模量的保留率分别为73%和93%,其玻璃化转变温度高于500℃。T700CF增强含催化剂的PSA基复合材料的弯曲模量提高,但室温下弯曲强度略有降低。     

基于松弛电流变压器油纸绝缘状态诊断方法研究

对油纸绝缘样品施加10 k V/mm场强进行电老化试验,并采用松弛电流法研究了油纸绝缘的老化评估方法。利用色谱法测试不同老化程度油样中的溶解气体,发现老化前后气体含量变化显著,说明经电老化的试样老化明显。分别选取6个老化时间点的样品进行松弛电流测试,从不同角度分析不同参量所表征的老化信息。利用I*t~log10t曲线分析了油纸试样的陷阱分布,发现试样老化初期陷阱密度逐渐增加,试样老化后期陷阱深度明显加深。运用四阶Debye模型对电流曲线进行拟合,推断了油纸绝缘四种松弛机制的物理机理,发现各松弛机制随着老化时间的增加有不同程度的增大。最后研究了去极化电量随老化时间的变化趋势,试图用直观参数分析试样在不同时间点的老化程度,发现在60 h后开始大幅度加深。     

PWM脉冲电压下变频电机匝间绝缘研究

定子绕组匝间绝缘失效是导致变频电机损坏的主要原因。以湘电1 650 V变频电机匝间绝缘结构为研究对象,对匝间绝缘用FMB-40线对和耐电晕FCRMB-40线对进行高频方波脉冲老化试验,分析两者老化前后介质损耗与局部放电的变化。结果表明:施加幅值2.0 k V、频率20 k Hz的方波脉冲电压老化1 000 h后,两种结构都通过了老化试验。其中耐电晕FCRMB-40线对的表现较优,用于1 650 V变频电机匝间绝缘具有更佳的电气可靠性。     

固体绝缘件长时间正常工作条件下电老化寿命评估方法研究

随着电力系统对小型化开关设备需求的日益增加,固体绝缘开关柜逐渐成为配电领域的研究热点。为了研究12 k V开关柜中10 mm厚度固体绝缘材料的老化过程并预测其绝缘寿命,文中采用具有不等直径的电极对环氧树脂板样品进行了电老化试验,并对老化过程中环氧树脂板的相关绝缘参数进行了测量。通过设定一个电老化寿命终点,采用威布尔分布法处理试验数据得到不同电压等级下试样的特征寿命,使用MATLAB拟合出该试验条件下的逆幂律公式,外推得到10 mm×10 mm×2 mm环氧树脂板在折算的2.4 k V工频电压下的绝缘寿命,为固体开关用绝缘材料的电老化寿命评估提出一种可供借鉴的方法,同时提出了提高老化试验效率和设备维护的建议。     

110kV双回线路管型复合材料杆避雷线架设与接地方案研究

我国学者尝试在雷电活动强烈、污秽严重地区的110 k V架空线路应用复合材料绝缘杆,以提高相对地空气间隙距离和爬电距离。然而绝缘水平的提高,复合材料杆还是否需要架设避雷线以及避雷线接地引下线,是防雷面临的关键技术问题之一。针对典型110 k V复合材料杆,对比研究未架设避雷线的复合材料杆与架设避雷线的同电压等级、相同导线高度铁塔线路的雷电性能,考虑2种杆塔线路引雷能力、雷电冲击绝缘强度以及建弧率等因素的差异,发现:2种杆塔线路引雷能力间的差异可以忽略;未架设避雷线的复合材料杆雷电冲击绝缘强度是铁塔的3.5倍,建弧率为铁塔的53%,但是反击耐雷水平仅为24.5 k A,雷击跳闸率高达1.13次/(100 km?a),均明显劣于铁塔。据此,推荐110 k V复合材料杆架设避雷线。然后,对比估算避雷线不同接地方案下雷电性能的差异发现:避雷线若不经引下线接地,则复合材料杆雷电性能明显劣于铁塔,但若经引下线逐杆接地,则雷电性能显著优于铁塔。因此,提出避雷线应逐杆接地。综上所述,110 k V复合材料杆线路防雷接地方案应当采用架设避雷线,且通过金属引下线逐杆接地的设计。     

多因子老化对抽水蓄能发电电动机定子线棒主绝缘介电性能的影响

设计搭建了新型定子线棒多因子老化平台,对抽水蓄能发电电动机定子线棒进行电、热及机械振动多因子老化试验,测量定子线棒在老化试验各老化周期后和部分周期中的介质损耗因数和电容值,并利用扫描电镜对老化后的绝缘层材料进行观察。结果表明:在测试电压高于一定值时,介质损耗因数随老化周期的增加而增大;在不同测试电压下,电容均随老化周期的增加而减小;介质损耗因数增量及电容增量均随老化周期的增加而增大;在影响介电性能变化的各老化因子中,冷热循环老化和机械振动老化起主要作用;结合老化线棒的局部放电起始电压和绝缘层老化试样的显微结构认为,多因子联合老化使得线棒主绝缘内产生的越来越多气隙等缺陷是导致其性能劣化的主要原因。     

输电杆塔玻璃钢纤维增强复合材料抗老化性试验研究

研究了输电杆塔用玻璃钢纤维增强复合材料(glass fiber reinforced polymer, GFRP)在热氧老化环境下的抗老化性问题。对未经过任何老化处理的试件和热氧老化后的试件,分别测试其材料拉伸强度、弹性模量、泊松比等参数,并将这些参数进行了对比分析。试验结果表明,热氧老化环境对GFRP材料性能有明显影响,使其强度明显降低、弹性模量和泊松比有所提高,对未经过防护涂料处理试件的材料性能影响更明显。由老化经验公式可得,取强度保持率为50%作为寿终指标时,经过防护涂料处理的试件使用寿命可达35年。对长期暴露在不利环境下的GFRP输电杆塔进行设计时,应考虑外界环境的影响,并进行相应的防护处理。     

环氧树脂基片状模塑料制备及其性能研究

以多官能度环氧树脂为树脂基体，双氰胺为主固化剂，云母为填料，制备环氧树脂基片状模塑料（E-SMC），然后采用模压成型工艺，制备环氧模压复合材料，并对其力学性能、热力学性能和电气性能等进行系统测试和研究。结果表明：环氧模压复合材料具有高的机械强度，其中典型样品的拉伸强度、弯曲强度、垂直压缩强度和平行压缩强度分别达到了64、178、440、332 MPa。环氧模压复合材料具有较低的密度（1.69～1.76 g/cm3）和较高的玻璃化转变温度（Tg最高可达201℃），同时，具有优异的电气性能，其中典型样品的击穿电压可达到100 kV，电气强度可达到17.1 kV/mm，相比电痕化指数（CTI）为600 V。     

利用疏水涂层提高复合材料杆塔防污性能的研究

为解决输电杆塔用复合材料表面憎水性不足、受污后其绝缘性能在潮湿状态下大幅下降的问题,采用6种不同超疏水涂料分别涂覆复合材料杆塔样品表面,并测试其憎水性,筛选出改善效果较好的3种超疏水涂料。然后将这3种超疏水涂料涂覆于复合材料杆塔样品上进行湿闪和污闪试验,全面分析了杆塔样品形状、疏水涂层制备方法、超疏水涂料类型对复合材料杆塔防污能力的影响。结果表明:疏水涂层能显著提高复合材料杆塔样品的湿闪电压和污闪电压,其中PRTV的应用效果最好,能有效降低污闪率。     

碳热还原法制备磷酸铁钒锂复合材料

以Li2CO3、NH4H2PO4、Fe2O3、V2O5和C12H22O11为原料,用碳热还原法合成x Li Fe PO4·y Li3V2(PO4)3/C正极复合材料,通过电化学性能测试、热重分析、XRD和SEM分析考察复合材料配比和煅烧温度对性能的影响。x∶y=5∶1,在700℃下煅烧10 h所得复合材料,XRD衍射峰强度大、特征峰明显,结晶度高;以0.1 C在2.0~4.9 V循环,首次放电比容量达125.8 m Ah/g,以1.0 C循环10次,容量保持率为99.4%。     

直流复合绝缘子长期老化性能分析

通过5 000 h加速老化试验对±500 kV直流复合绝缘子的长期老化性能进行了评估,介绍了试验程序,通过复合绝缘子泄漏电流的变化、憎水性的变化以及绝缘子表面材料的烧蚀情况研究了绝缘子老化性能。在老化试验中,憎水性丧失和恢复过程与实际运行情况一致,材料表面烧蚀情况较轻,说明配方经过优化设计的硅橡胶伞套在直流条件下具有优异的长期老化性能。     

特高压换流站直流场复合绝缘子动力特性测试研究

复合绝缘子因其强度高、韧性好,还具有良好的抗震性能及外绝缘性能,在国内多项超、特高压工程中得到了大量应用。充分调研了国内外关于复合材料电气设备的抗震研究现状,以800 k V新松换流站复合绝缘子为研究对象,分析了玻璃纤维增强树脂复合材料电气设备材料特性、法兰胶装型式及弯曲刚度等特性。进一步介绍了锤击法和环境激励法等电气设备动力特性现场测试方法测试原理和适用性,分别采用多点激励单点拾振法和多点激励多点拾振法对2只800 kV和1只400 k V复合绝缘子进行动力特性现场测试,采用模态参数识别方法得到了绝缘子前几阶自振频率、振型及阻尼比。此外,还初步探讨了在带电状态下如何实时监测和检测电气设备动力特性的测试方法。上述研究对今后开展复合电气设备抗震设计及评估具有很好的参考、借鉴作用。     

XLPE/SiO2纳米复合材料长期直流老化特征寿命恶化分析

为了研究纳米SiO₂改性后的交联聚乙烯（XLPE）在直流电场下的长期老化规律,该文对纯XLPE和XLPE/SiO₂纳米复合材料的老化性能进行对比研究。首先在不同直流电压下分别对两种材料进行老化实验,发现XLPE/SiO₂纳米复合材料在电场较高时的确具有较纯XLPE更优异的耐电特性,但随着施加直流电场的降低,XLPE/SiO₂纳米复合材料的特征寿命与纯XLPE的越来越接近,直到该文测试的最低直流电场强度115kV/mm（特征寿命1 000h以上）,XLPE/SiO₂纳米复合材料的特征寿命已低于纯XLPE。对比分析XLPE/SiO₂纳米复合材料和纯XLPE老化数据显示,纳米复合材料的寿命指数低于纯XLPE。该文直流老化研究结果表明,尽管XLPE/SiO₂纳米复合材料的短期电性能指标优于纯XLPE,但长期直流老化性能会比纯XLPE差。