一种GIL支柱绝缘子及其界面应力检测方法与流程

一种gil支柱绝缘子及其界面应力检测方法
技术领域
1.本发明涉及高压电试验的技术领域，特别是涉及一种gil支柱绝缘子及其界面应力检测方法。


背景技术：

2.sf6气体绝缘输电线路(gas insulated transmission line，gil)具有输电损耗低、电容负载低、传输能量大、安全可靠性高、无电老化等优点，在国内外电力系统中得到了越来越广泛的应用。支柱绝缘子是gil设备中重要的部件，主要起到绝缘和机械支撑的作用，运行经验表明支柱绝缘子柱腿断裂是其故障的主要原因。随着电网投入运行的gil设备增多，支柱绝缘子柱腿断裂引起的事故数量显著增加，因此环氧－金属嵌件界面粘接强度提升技术成为降低支柱绝缘子故障率的研究热点。
3.环氧－金属嵌件界面是机械强度的薄弱环节，不仅在于理想条件下界面是应力最集中的区域，还有一个原因是在浇注过程环氧材料容易在金属嵌件表面形成应力集中，导致固化不均匀或粘接不牢形成小气隙。因此，提升环氧－金属界面粘接强度不仅需要优化结构设计，还需要改进材料的配方工艺。环氧－金属嵌件界面粘接强度提升可以从多个方面着手，比如改变环氧材料配方和浇注工艺、金属嵌件的氧化处理和滚花工艺、金属嵌件和环氧之间涂敷缓冲材料等。
4.现有技术主要通过给环氧绝缘子柱腿表面粘贴应变片测量环氧表面应变以及环氧－金属嵌件界面的断裂强度来评价粘接强度提升效果，这种方法有两个缺点：1)不关注浇注过程环氧材料与金属嵌件的相容性，即浇注过程的应变变化；2)测量结果为柱腿表面形变，需要结合仿真建模计算推导得出环氧－金属嵌件界面的形变和应力，计算过程需要假定三支柱绝缘子为材料均匀分布、且环氧－金属嵌件界面为理想界面，会忽略滚花、胶粘等工艺细节，计算结果与实际值有不可忽略的偏差。


技术实现要素：

5.本发明的目的是：提供一种直接、高效和准确获取金属－环氧界面的检测数据的gil支柱绝缘子。
6.同时提供一种更全面地获取环氧－金属嵌件的界面应力数据的gil支柱绝缘子界面应力检测方法。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种gil支柱绝缘子，包括环氧绝缘体和金属嵌件，所述环氧绝缘体开设有嵌件安装腔，所述金属嵌件的外表面设有高温应变片，所述金属嵌件安装于所述嵌件安装腔，所述高温应变片位于所述环氧绝缘体与所述金属嵌件之间。
8.作为优选方案，所述环氧绝缘体与所述金属嵌件之间具有应力最集中点，所述高温应变片与所述应力最集中点具有预设距离l，l＞0。
9.作为优选方案，所述高温应变片包括应变片体和连接线，所述应变片体与所述连接线的一端连接，所述连接线的另一端从所述金属嵌件穿出，所述应变片体贴设于所述金
属嵌件朝向与所述环氧绝缘体的表面。
10.作为优选方案，所述金属嵌件开设有引线孔，所述金属嵌件背向所述环氧绝缘体的一端开设有嵌件腔，所述嵌件腔的内侧面开设有引线槽，所述连接线置于所述引线槽内，所述连接线依次通过所述引线孔和所述引线槽背向所述环氧绝缘体方向穿出。
11.一种gil支柱绝缘子界面应力检测方法，包括以下步骤：
12.步骤1：高温应变片粘贴于金属嵌件与环氧绝缘体粘接的粘贴面，根据所需监测位置确定高温应变片在金属嵌件gil支柱绝缘子界面应力检测方法上的布置位置；
13.步骤2：根据布置位置在所述金属嵌件开设引线孔，所述金属嵌件背向环氧绝缘体的一端开设有嵌件腔，所述引线孔从所述布置位置延伸至所述嵌件腔，所述嵌件腔的内侧面开设有引线槽，所述高温应变片包括应变片体和连接线，所述引线槽的深度大于所述连接线的直径；
14.步骤3：所述应变片体粘贴于所述金属嵌件的所述粘贴面的所述布置位置，所述连接线的一端与所述应变片体连接，另一端依次穿过所述引线孔和引线槽后延伸出所述金属嵌件背向所述环氧绝缘体的一端与数据采集装置连接形成嵌件数据采集装置；
15.步骤4：将所述嵌件数据采集装置进行gil支柱绝缘子的环氧绝缘体的浇注，通过所述嵌件数据采集装置获取所述环氧绝缘体的浇注过程中环氧－金属嵌件界面的应力数据，所述环氧绝缘体浇注完成形成实验支柱绝缘子。
16.作为优选方案，包括步骤5：所述环氧绝缘体浇注完成后，所述实验支柱绝缘子进行外施作用力的应变测试实验。
17.作为优选方案，在所述步骤4中，将所述嵌件数据采集装置安装于用于浇注所述环氧绝缘子的模具，并监测并采集浇注过程的应变ε和温度t随时间t变化的数据。
18.作为优选方案，在所述步骤5中，包括以下子步骤：
19.步骤5.1：将所述实验支柱绝缘子从所述模具中取出，对所述实验支柱绝缘子进行局部放电试验和x射线检测试验；
20.步骤5.2：通过对所述实验支柱绝缘子进行外施作用力f的应变测试实验，记录应变ε及外施作用力f的变化数据。
21.作为优选方案，包括步骤6：结合浇注过程的应变ε和温度t随时间t变化的数据、应变ε及外施作用力f的变化数据、局部放电试验的起始电压和所述应变测试实验的最终断裂强度分析不同所述环氧绝缘体所用材料配方及加工工艺。
22.作为优选方案，至少根据所述环氧绝缘子的浇注工艺最高温度、所述布置位置和需要策略的应变方向选择所述高温应变片。
23.本发明实施例一种gil支柱绝缘子与现有技术相比，其有益效果在于：将高温应变片放置于环氧绝缘体与金属嵌件之间，由于环氧－金属界面是gil支柱绝缘子机械性能最薄弱的环节，也是gil支柱绝缘子的柱腿断裂是其最常见的故障类型，因此需要监测其粘接失效过程，分析结构、材料配方工艺的改变对界面应变的影响规律，以及断裂过程分析。通过布置高温应变片在环氧－金属界面的不同位置，实现对粘接失效过程界面应变变化的监测。同时，能直接得到监测数据，无需通过侧面监测方法得到间接数据再换算，提高监测效率，提高数据准确性。
24.本发明实施例一种gil支柱绝缘子界面应力检测方法与现有技术相比，其有益效
果在于：将高温应变片贴设在金属嵌件朝向环氧绝缘体的表面后，再进行环氧绝缘体的浇注，高温应变片能监测浇注过程中环氧绝缘子的环氧－金属嵌件界面应变变化，在形成实验支柱绝缘子后，再对实验支柱绝缘子进行外施作用力的应变测试实验，实现监测金属－环氧界面在“浇注成型－断裂”全过程的应变变化，比只监测断裂过程的数据更丰富全面，也更有利于对比不同材料配方工艺对界面粘接性能的影响规律，更有助于优化改进环氧和金属嵌件材料、工艺处理方法，从而达到提升环氧－金属嵌件界面粘接强度的目的，进而降低gil支柱绝缘子的故障率。
附图说明
25.图1是本发明实施例的整体结构示意图。
26.图2是本发明实施例环氧绝缘体的结构示意图。
27.图3是本发明实施例的金属嵌件结构透视示意图。
28.图4是本发明实施例的金属嵌件的侧视结构示意图。
29.图5是本发明实施例的金属嵌件粘接面的结构示意图。
30.图6是本发明实施例的嵌件腔的示意图。
31.图中：
32.10、gil支柱绝缘子；
33.20、环氧绝缘体；21、嵌件安装腔；
34.30、金属嵌件；31、引线孔；32、引线槽；33、嵌件腔；
35.40、高温应变片。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
37.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.如图1至图6所示，本发明实施例优选实施例的一种gil支柱绝缘子10，包括环氧绝缘体20和金属嵌件30，环氧绝缘体20开设有嵌件安装腔21，金属嵌件30的外表面设有高温应变片40，金属嵌件30安装于嵌件安装腔21，高温应变片40位于环氧绝缘体20与金属嵌件30之间。
40.在本发明的gil支柱绝缘子10，将高温应变片40放置于环氧绝缘体20与金属嵌件
30之间，高温应变片40设置为内置式，由于环氧－金属界面是gil支柱绝缘子10机械性能最薄弱的环节，也是gil支柱绝缘子10的柱腿断裂是其最常见的故障类型，因此需要监测其粘接失效过程，分析结构、材料配方工艺的改变对界面应变的影响规律，以及断裂过程分析。通过布置高温应变片40在环氧－金属界面的不同位置，实现对粘接失效过程界面应变变化的监测。同时，能直接得到监测数据，无需通过侧面监测方法得到间接数据再换算，提高监测效率，提高数据准确性。
41.进一步的，如图2三支柱绝缘子的柱腿结构示意图所示，环氧绝缘体20与金属嵌件30之间具有应力最集中点，高温应变片40与应力最集中点具有预设距离l，l＞0。高温应变片40布置在环氧绝缘体20与金属嵌件30之间非应力最集中位置。为降低高温应变片40对断裂过程的影响，避免将高温应变片40布置在应力最集中位置，即裂纹最先开始的位置。高温应变片40布置在应力最集中点的直径2mm－5mm的范围之间。
42.进一步的，如图4至图6所示，高温应变片40包括应变片体和连接线，应变片体与连接线的一端连接，连接线的另一端从金属嵌件30穿出，应变片体贴设于金属嵌件30朝向与环氧绝缘体20的表面。通过应变片体对环氧－金属界面应力变化进行监测，应变片体监测得到的数据通过连接线传输，具体的，包括数据处理装置，连接线的另一端与数据处理装置连接，数据处理装置对高温应变片40采集的数据进行存储和/或处理，进而实现对环氧－金属界面的数据直接采集监测，操作简单、检测高效准确。
43.进一步的，如图4至图6所示，金属嵌件30开设有引线孔31，金属嵌件30背向环氧绝缘体20的一端开设有嵌件腔33，嵌件腔33的内侧面开设有引线槽32，连接线置于引线槽32内，以避免金属嵌件30、浇注模具或断裂实验工装的在连接过程对连接线的造成损伤，连接线依次通过引线孔31和引线槽32背向环氧绝缘体20方向穿出，以方便环氧绝缘体20的浇注或断裂实验所需工装的安装。优选的，引线槽32沿嵌件腔33的轴线方向开设，引线槽32的长度与嵌件腔33的内侧面同高，引线槽32贯穿嵌件腔33的内侧面，引线槽32的深度大于连接线的直径，进而在嵌件腔33内的连接线能全部内置于引线槽32内，最大限度降低高温应变片40对支柱绝缘子环氧－金属嵌件30界面性能的影响。更为具体的，高温应变片40的数量和在金属嵌件30上的布置位置根据监测方案需求而定，引线孔31和引线槽32的数量与高温应变片40数量一致。具体的，嵌件腔33的内侧面设有螺纹，考虑到支柱绝缘子的柱脚安装问题，避免嵌件腔33内的螺纹连接损坏连接线。
44.一种gil支柱绝缘子10界面应力检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
45.步骤1：高温应变片40粘贴于金属嵌件30与环氧绝缘体20粘接的粘贴面，根据所需监测位置确定高温应变片40在金属嵌件30上的布置位置；根据监测方案需求确定高温应变片40在金属嵌件30上的布置位置，为后面开设引线孔31及引线槽32的开设位置做准备。高温应变片40的数量根据实际监测方案需求而定。高温应变片40的布置位置避免设置于应力最集中的位置。
46.步骤2：根据布置位置在金属嵌件30开设引线孔31，金属嵌件30背向环氧绝缘体20的一端开设有嵌件腔33，引线孔31从布置位置延伸至嵌件腔33，嵌件腔33的内侧面开设有引线槽32，高温应变片40包括应变片体和连接线，引线槽32的深度大于连接线的直径；将连接线从背向环氧绝缘体20方向引出，以方便后续步骤环氧绝缘体20的浇注，避免对浇注产生不必要的干扰，同时方便后续断裂试验所需工装的安装，提高使用便捷性。将连接线内置
于引线槽32中，防止在嵌件腔33内安装其他金属配件对连接线造成压迫或损坏，保证连接线的信号能正常传输，提高高温应变片40的使用寿命。
47.步骤3：应变片体粘贴于金属嵌件30的粘贴面的布置位置，连接线的一端与应变片体连接，另一端依次穿过引线孔31和引线槽32后延伸出金属嵌件30背向环氧绝缘体20的一端与数据采集装置连接形成嵌件数据采集装置；通过应变片体进行数据采集，通过连接线进行数据传输，将应变片体采集到的数据传输至数据采集装置，通过数据采集装置对数据进行储存和/或数据处理。具体的，数据采集装置可选用数据采集卡，连接线与数据采集卡连接，通过数据采集卡对应变片体收集的数据进行采集并送至上位机中进行分析和处理。
48.步骤4：将嵌件数据采集装置进行gil支柱绝缘子10的环氧绝缘体20的浇注，通过所述嵌件数据采集装置获取所述环氧绝缘体的浇注过程中环氧－金属嵌件界面的应力数据，环氧绝缘体20浇注完成形成实验支柱绝缘子。环氧绝缘体20与金属嵌件30的粘接面为环氧－金属嵌件30界面。环氧－金属嵌件30界面是机械强度的薄弱环节，不仅在于理想条件下界面是应力最集中的区域，还有一个原因是在浇注过程环氧材料容易在金属嵌件30表面形成应力集中，导致固化不均匀或粘接不牢形成小气隙。因此，提升环氧－金属界面粘接强度不仅需要优化结构设计，还需要改进材料的配方工艺。高温应变片40监测浇注过程中环氧绝缘子的环氧－金属嵌件30界面应变变化，监测金属－环氧界面在“浇注成型－断裂”全过程的应变变化，比仅监测断裂过程的数据更丰富全面，也更有利于对比不同材料配方工艺对界面粘接性能的影响规律，更有助于优化改进环氧和金属嵌件30材料、工艺处理方法，从而达到提升环氧－金属嵌件30界面粘接强度的目的，进而降低gil支柱绝缘子10的故障率。
49.具体的，本gil支柱绝缘子10界面应力检测方法，包括但不仅限于对gil设备中所使用的单支柱、三支柱绝缘子进行检测。环氧绝缘子的材料包括但不限于掺杂al2o3填料的环氧树脂复合材料，金属嵌件30的材料包括但不仅限于铝材。
50.进一步的，包括步骤5：环氧绝缘体20浇注完成后，实验支柱绝缘子进行外施作用力的应变测试实验。具体的，在采集完浇注数据后，断开高温应变片40与数据采集卡的连接。在进行外施作用力的应变测试实验时，再次将高温应变片40的连接线与数据采集卡连接，按照需求进行环氧－金属界面在外施作用力下的应变测试实验。根据本发明所提供的gil支柱绝缘子10界面应力检测方法，能够有效实时检测到绝缘子浇注过程以及成型后在外施作用力过程中环氧－金属嵌件30界面不同位置的应变，能够实现支柱绝缘子“成型－断裂”全寿命过程的应变数据的监测，能够为解决gil支柱绝缘子10柱腿断裂问题提供更多信息，监测数据采集更加全面，具有操作简单、检测高效准确、成本低、便于推广等特点。
51.进一步的，在步骤1中，布置位置根据仿真计算环氧－金属嵌件30界面的应力分布确定。一般情况，断裂的起始从应力最集中的位置开始，因此需要首先仿真计算环氧－金属嵌件30界面的应力分布，找到待测应力的位置。如图3－6所示，具体的，在金属嵌件30设有三个高温应变片40，第一个高温应变片a40设置于金属嵌件30的轴线位置，第二个高温应变片b40设置于高温应变片40朝向环氧绝缘子的底面的边缘，第三个高温应变片c40设置于金属嵌件30的侧表面，测量该三个位置在平行于金属嵌件30表面方向的应变ε。
52.进一步的，在步骤4中，将嵌件数据采集装置安装于用于浇注环氧绝缘子的模具，并监测并采集浇注过程的应变ε和温度t随时间t变化的数据。根据“ε－t－t”的对应关系，
对材料配方工艺进行分析。
53.进一步的，在步骤5中，包括以下子步骤：
54.步骤5.1：将实验支柱绝缘子从模具中取出，对实验支柱绝缘子进行局部放电试验和x射线检测试验，通过局部放电试验和x射线检测试验，记录应变片位置和状态。
55.步骤5.2：通过对实验支柱绝缘子进行外施作用力f的应变测试实验，记录应变ε及外施作用力f的变化数据。通过外施拉力f下环氧－金属嵌件30的界面应变测试实验，并记录“ε－f”数据。
56.进一步的，包括步骤6：结合浇注过程的应变ε和温度t随时间t变化的数据、应变ε及外施作用力f的变化数据、局部放电试验的起始电压和应变测试实验的最终断裂强度分析不同环氧绝缘体20所用材料配方及加工工艺。
57.进一步的，至少根据环氧绝缘子的浇注工艺最高温度、布置位置和需要策略的应变方向选择高温应变片40。
58.综上，本发明实施例提供一种gil支柱绝缘子10，通过将高温应变片40设置于环氧绝缘子与金属嵌件30之间，通过布置高温应变片40在环氧－金属界面的不同位置，实现对粘接失效过程界面应变变化的监测。同时，能直接得到监测数据，无需通过侧面监测方法得到间接数据再换算，提高监测效率，提高数据准确性。
59.本发明实施例提供一种gil支柱绝缘子10界面应力检测方法，根据gil支柱绝缘子10环氧－金属嵌件30界面应变检测方法在浇注环节应变数据的缺失和断裂过程检测数据不够直接准确的缺点，提供了一种能够实时检测到浇注过程和外施作用力条件下环氧－金属嵌件30界面应变变化的方法，具有“全寿命周期监测”的优点。该方法可根据实际需求，选择不同参数的高温应变片40，得到环氧－金属嵌件30界面不同位置上不同方向在浇注成型和外力作用过程的应变数据，具有全寿命周期、实时、高效、准确等特点。
60.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。