一种工字型截面柱式复合绝缘子装置及其最优截面尺寸计算方法与流程

本发明涉及电力技术领域，更具体地，涉及一种工字型截面柱式复合绝缘子装置及其最优截面尺寸计算方法。

背景技术

当前，随着复合材料制造工艺的发展，复合材料的电气、机械特性大幅度提升，在我国各个电压等级的输电工程中，柱式复合绝缘子开始大范围应用，包括线路柱式复合绝缘子(又称“复合绝缘横担”)、变电站用支柱复合绝缘子等。线路柱式复合绝缘子的应用，在配网(10kv)系统的主要优势是可以大幅度提高线路耐雷水平，在主网(35kv及以上)则可以有效减小输电走廊宽度，提高线路经济效益。柱式复合绝缘子在运行中承受着电气及各种机械负荷的综合作用。目前，常用的柱式复合绝缘子的截面主要为实心圆、空心圆、实心圆形、空心矩形。然而，在实际应用过程中普遍反应，实心柱式复合绝缘子重量相对较大，对安装便捷性存在一定影响，而空心柱式复合绝缘子，存在内绝缘等问题，对输变电系统的安全稳定运行存在一定影响。

技术实现要素：

为了解决背景技术存在的现有的实心柱式复合绝缘子的重量相对较重使得输变电设备构件的负荷较大、同时安装的便捷性较差，而空心柱式复合绝缘子存在内绝缘等隐患对线路安全稳定运行存在影响的问题，本发明提供了一种工字型截面柱式复合绝缘子装置及其最优截面尺寸计算方法，所述装置通过设置截面为工字型的复合绝缘子，并根据所述最优截面尺寸计算方法获得最优的截面尺寸，使得所述工字型的复合绝缘子在保证在待使用环境下满足各强度的情况下，获得最小的截面尺寸，进而减轻复合绝缘子本身的重量；所述一种工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸计算方法包括：

根据工字型绝缘子待使用环境的外界负荷以及工字型截面中心对称特性预设材料强度设计要求；所述材料强度包括弯曲强度、抗压强度以及抗拉强度；所述工字型截面中心对称特征包括以绝缘子中心位置和对称轴确定的工字型截面各个区域的设计要求；

根据预设的工字型绝缘子截面初始尺寸以及绝缘子试验参数计算所述工字型绝缘子的材料强度；

判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求；

若满足，则按预设规则调整工字型绝缘子截面尺寸使工字型绝缘子截面面积减小，计算该截面面积下的材料强度，并与所述材料强度设计要求进行比较；若依旧满足，则继续调整截面尺寸、再次判断是否满足材料强度设计要求，直至不满足所述材料强度设计要求；

当不满足时，取最后一次满足材料强度设计要求的截面尺寸作为所述工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸；

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否满足所述材料强度设计要求，包括：

若根据截面初始尺寸计算的所述材料强度不满足所述材料强度设计要求；，则按预设规则调整工字型绝缘子截面尺寸使工字型绝缘子截面面积增大，计算该截面面积下的材料强度，并与所述材料强度设计要求进行比较；若依旧不满足，则继续调整截面尺寸、再次判断是否满足材料强度设计要求，直至满足所述材料强度设计要求；

取满足材料强度设计要求的截面尺寸作为所述工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸；

进一步的，所述按预设规则调整工字型绝缘子截面尺寸，包括：

在保证所述工字型绝缘子截面最大水平长度以及最大竖直长度不变的情况下，将所述截面按预设的调整系数放大或缩小所述截面的面积；

所述工字型截面的形状包括标准工字型截面以及上边缘设置为预设曲率的圆弧的工字型截面；

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求，包括判断所述弯曲强度是否满足所述弯曲强度设计要求：

所述弯曲强度判断公式为：

其中，mx以及my分别为预设的绕x轴和绕y轴的弯矩设计值、fc为所述绝缘子弯曲强度设计要求；所述wx以及wy分别为对x轴和对y轴的截面抗弯模量，所述截面抗弯模量根据所述截面尺寸计算获得；

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求，包括判断所述抗压强度是否满足所述抗压强度设计要求：

所述抗压强度判断公式为：

其中，n为绝缘子轴心拉力或压力的设计值，a为所述绝缘子毛截面的面积，φ为绝缘子轴心受压的稳定系数，m为预设的弯矩设计值，w为截面抗弯模量，fp为所述绝缘子抗压强度设计要求；

所述稳定系数通过所述绝缘子的长细比、抗压强度以及抗压弹性模量计算获得；所述截面抗弯模量根据所述截面尺寸计算获得；

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求，包括判断所述抗拉强度是否满足所述抗拉强度设计要求：

所述抗拉强度判断需同时满足下述公式：

以及

其中，n为绝缘子轴心拉力或压力的设计值；an为所述绝缘子净截面的面积；m为工字型截面绝缘子偏心折减系数；m为预设的弯矩设计值；w为截面抗弯模量，所述截面抗弯模量根据所述截面尺寸计算获得；fc为所述绝缘子弯曲强度设计要求；ft为所述绝缘子抗拉强度设计要求；

所述一种工字型截面柱式绝缘子装置包括：

绝缘芯棒，所述绝缘芯棒的截面设置为工字型，所述绝缘芯棒的截面尺寸根据其待使用环境的外界负荷以及工字型截面中心对称特性通过预设方法计算获得；所述绝缘芯棒用于保证所述绝缘子的机械性能；

连接金具，所述连接金具用于连接所述柱式复合绝缘子与输变电设备构件，使所述柱式复合绝缘子与所述输变电设备构件可靠连接；

绝缘外套，所述绝缘外套包括多个伞裙和护套，所述绝缘外套用于保护所述绝缘芯棒；所述伞裙垂直设置于护套，以增加所述工字型截面柱式绝缘子的爬电距离；所述护套紧贴在所述绝缘芯棒上；

进一步的，所述绝缘芯棒由通过玻璃纤维增强的热固性环氧树脂一体成型制成；所述增强的方式包括缠绕、引拔以及真空浸渍；

进一步的，所述连接金具由表面热度锌处理的铸钢材料制成，所述连接金具与制成构件通过焊接固定；

进一步的，所述绝缘外套通过对硅橡胶在预设的模具中进行温控固化成型制成；所述绝缘外套的多个伞裙与护套的成型方式包括一体成型以及通过挤包穿伞工艺成型；所述伞裙的形状包括圆形以及工字型；

进一步的，所述绝缘子装置包括一个或多个串联的绝缘芯棒，所述多个绝缘芯棒间通过连接金具连接；

进一步的，所述绝缘芯棒与连接金具间的连接方式为通过螺栓与限位槽进行固定连接；所述绝缘芯棒的一段有与所述连接金具相匹配的螺栓孔和限位槽，使得绝缘芯棒与所述连接金具插接在一起后通过螺栓进行固定；

进一步的，所述绝缘芯棒与连接金具间的连接方式为通过榫卯结构固定连接；所述绝缘芯棒的一端有与所述连接金通过榫卯插接，并通过设置在插接面上的绝缘楔钉固定连接；

进一步的，所述装置包括一个或多个串联的绝缘芯棒，所述多个绝缘芯棒间直接通过预设的连接方式进行连接；所述连接方式包括通过螺栓与限位槽进行固定连接一级通过榫卯结构固定连接；

进一步的，所述绝缘芯棒的工字型截面的外轮廓的一条或多条直线以及对应的绝缘外套按预设曲率设置为有弧度的曲线，所述外轮廓的各直角设置为圆弧倒角，使得减少异物在绝缘子表面的堆积。

本发明的有益效果为：本发明的技术方案，给出了一种工字型截面柱式复合绝缘子装置及其最优截面尺寸计算方法，所述装置通过设置截面为工字型的复合绝缘子，并根据所述最优截面尺寸计算方法获得最优的截面尺寸，使得所述工字型的复合绝缘子在保证在待使用环境下满足各强度的情况下，获得最小的截面尺寸，进而减轻复合绝缘子本身的重量，降低产品生产成本的同时也减轻了输变电设备构件的负荷、提高了安装的便捷性。所述绝缘子装置可以应用于电力、铁路、电厂各电压等级在1000v以上的交直流架空输电线路以及变电站中，通过设置绝缘芯棒间多种形式的连接方式，使得在不同的情况下根据实际需要选择连接方式完成连接，提高了安装的灵活性，以为后续柱式复合绝缘子的推广奠定了基础；所述装置及方法通过在绝缘子上表面设置有外凸的弧度，使得减少异物在绝缘子报名的堆积，以较低运行风险。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为本发明具体实施方式的一种工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸计算方法的流程图；

图2为本发明具体实施方式的一种工字型截面柱式绝缘子装置的示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为本发明具体实施方式的一种工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸计算方法的流程图，所述方法通过对工字型的复合绝缘子在待使用环境下各材料强度的计算，获得最优的截面尺寸，使得在保证满足强度的情况下减轻复合绝缘子本身的重量，所述一种工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸计算方法包括：

步骤110，根据工字型绝缘子待使用环境的外界负荷以及工字型截面中心对称特性预设材料强度设计要求；所述材料强度包括弯曲强度、抗压强度以及抗拉强度；所述工字型截面中心对称特征包括以绝缘子中心位置和对称轴确定的工字型截面各个区域的设计要求；

以本实施例为例，所述预设的材料强度设计要求，可以通过dl/工字1580-2016《交直流棒形悬式复合绝缘子用芯棒技术规范》中的规定来确认，并根据待使用环境的特定进行调整和修改；例如在极寒、极热、高原、高湿等环境下，其对应的某一项特定的设计要求需要更加严格；为了保证设计的安全性，可对所述设计要求进行整体的收严；进一步的，所述工字型截面是中心对称的，关于中心点对称划分的四个部分与的受力情况也是对称的，各部分对应的强度的设计要求需要根据使用环境对称设定；

步骤120，根据预设的工字型绝缘子截面初始尺寸以及绝缘子试验参数计算所述工字型绝缘子的材料强度；

对于工字型绝缘子的截面，需先预设一个初始尺寸作为最优计算的起始，所述初始尺寸可以为历史数据的经验值，以达到最接近所述待使用环境的外界负荷需对应的最优尺寸，减少计算次数；

所述绝缘子试验参数包括通过试验计算获得的、用于对材料强度进行计算的参数，所述试验计算可以是对历史数据并基于现有要求进行的计算；本实施例中，所述绝缘子试验参数包括截面抗弯模量w、绝缘子轴心受压的稳定系数φ、绝缘子弹性模量e、截面惯矩i等等；

对于所述绝缘子轴心受压的稳定系数φ，本实施例采用拟合经验公式结合perry公式的算法，通过在大量有限元分析和试验研究的基础上，按照perry公式的形式拟合而成，精度较高，且计算方便；

对于所述截面抗弯模量w，可通过如何公式计算：

w＝i/ymax

其中i为相对于中性层的惯性矩；ymax为相对于中性层的最大距离；

其中，计算所述惯性矩i时，计算过程面积元素da与其至z轴或y轴距离平方的乘积y²da或z²da，分别称为该面积元素对于z轴或y轴的惯性矩或截面二次轴矩，对z轴的惯性矩：iz＝∫y^2da对y轴的惯性矩；

步骤130，判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求；

所述计算获得的材料强度包括弯曲强度、抗压强度、抗拉强度以及挠度变形量；

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求，包括判断所述弯曲强度是否满足所述弯曲强度设计要求：

所述弯曲强度判断公式为：

其中，mx以及my分别为预设的绕x轴和绕y轴的弯矩设计值、fc为所述绝缘子弯曲强度设计要求；所述wx以及wy分别为对x轴和对y轴的截面抗弯模量，所述截面抗弯模量根据所述截面尺寸计算获得；

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求，包括判断所述抗压强度是否满足所述抗压强度设计要求：

所述抗压强度判断公式为：

其中，n为绝缘子轴心拉力或压力的设计值，a为所述绝缘子毛截面的面积，φ为绝缘子轴心受压的稳定系数，m为预设的弯矩设计值，w为截面抗弯模量，fp为所述绝缘子抗压强度设计要求；

所述稳定系数通过所述绝缘子的长细比、抗压强度以及抗压弹性模量计算获得；所述截面抗弯模量根据所述截面尺寸计算获得；

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求，包括判断所述抗拉强度是否满足所述抗拉强度设计要求：

所述抗拉强度判断需同时满足下述公式：

以及

其中，n为绝缘子轴心拉力或压力的设计值；an为所述绝缘子净截面的面积；m为工字型截面绝缘子偏心折减系数；m为预设的弯矩设计值；w为截面抗弯模量，所述截面抗弯模量根据所述截面尺寸计算获得；fc为所述绝缘子弯曲强度设计要求；ft为所述绝缘子抗拉强度设计要求；

根据工字型截面的尺寸，导致的偏心的情况，设置偏心折减系数；本实施例中，所述偏心折减系数m取0.7；

进一步的，对于因需与其他部件(如连接金具)相连而需开孔引起的强度折减，设置开孔折减系数k；所述开孔折减系数与所述偏心折减系数作用相同，均用于不正强度折减；本实施例中，所述开孔折减系数m取0.7；

增加了开孔折减系数的公式为：

进一步的，所述判断计算获得的材料强度是否均满足所述材料强度设计要求，包括判断所述扰度变形量是否满足所述扰度变形量设计要求：

所述扰度变形量判断公式为：

fl³/(3ei)≤δl

其中，f为绝缘子的端部载荷，l为绝缘子工字型截面的最大水平距离，e为绝缘子弹性模量，i为截面惯矩，δl为最大扰度变形量、即扰度变形量设计要求；

在步骤130中，若判断满足则跳转至步骤131，则按预设规则调整工字型绝缘子截面尺寸使工字型绝缘子截面面积减小，计算该截面面积下的材料强度；

进一步的，所述按预设规则调整工字型绝缘子截面尺寸，包括：

在保证所述工字型绝缘子截面最大水平长度以及最大竖直长度不变的情况下，将所述截面按预设的调整系数放大或缩小所述截面的面积；

所述工字型截面的形状包括标准工字型截面以及上边缘设置为预设曲率的圆弧的工字型截面；

进一步的，计算完成当下截面面积下的材料强度后，再次执行步骤130,进行判断，若若依旧满足，则继续调整截面尺寸、再次判断是否满足材料强度设计要求，直至不满足所述材料强度设计要求；

若不满足，则执行步骤132：

步骤132，取最后一次满足材料强度设计要求的截面尺寸作为所述工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸；

进一步的，若根据截面初始尺寸计算的所述材料强度不满足所述材料强度设计要求；，则按预设规则调整工字型绝缘子截面尺寸使工字型绝缘子截面面积增大，计算该截面面积下的材料强度，并与所述材料强度设计要求进行比较；若依旧不满足，则继续调整截面尺寸、再次判断是否满足材料强度设计要求，直至满足所述材料强度设计要求；

取满足材料强度设计要求的截面尺寸作为所述工字型截面柱式复合绝缘子最优截面尺寸。

图2为本发明具体实施方式的一种工字型截面柱式绝缘子装置的示意图，如图2所示，所述工字型截面柱式绝缘子装置包括：

绝缘芯棒210，所述绝缘芯棒210的截面设置为工字型，所述绝缘芯棒的截面尺寸根据其待使用环境的外界负荷以及工字型截面中心对称特性通过预设方法计算获得；所述绝缘芯棒210用于保证所述绝缘子的机械性能；

进一步的，所述绝缘芯棒210由通过玻璃纤维增强的热固性环氧树脂一体成型制成；所述增强的方式包括缠绕、引拔以及真空浸渍；

连接金具220，所述连接金具220用于连接所述柱式复合绝缘子与输变电设备构件，使所述柱式复合绝缘子与所述输变电设备构件可靠连接；

进一步的，所述连接金具220由表面热度锌处理的铸钢材料制成，所述连接金具220与制成构件通过焊接固定；

绝缘外套230，所述绝缘外套230包括多个伞裙和护套，所述绝缘外套230用于保护所述绝缘芯棒210；所述伞裙垂直设置于护套，以增加所述工字型截面柱式绝缘子的爬电距离；所述护套紧贴在所述绝缘芯棒210上；

进一步的，所述绝缘外套230通过对硅橡胶在预设的模具中进行温控固化成型制成；所述绝缘外套230的多个伞裙与护套的成型方式包括一体成型以及通过挤包穿伞工艺成型；所述伞裙的形状包括圆形以及工字型；

进一步的，所述绝缘子装置包括一个或多个串联的绝缘芯棒210，所述多个绝缘芯棒210间通过连接金具220连接；

进一步的，所述绝缘芯棒210与连接金具220间的连接方式为通过螺栓与限位槽进行固定连接；所述绝缘芯棒210的一段有与所述连接金具220相匹配的螺栓孔和限位槽，使得绝缘芯棒210与所述连接金具220插接在一起后通过螺栓进行固定；

进一步的，所述绝缘芯棒210与连接金具220间的连接方式为通过榫卯结构固定连接；所述绝缘芯棒210的一端有与所述连接金通过榫卯插接，并通过设置在插接面上的绝缘楔钉固定连接；

进一步的，所述连接金具220的一端设置为一个插孔，所述插孔的内轮廓与所述绝缘芯棒210的外轮廓相匹配；所述绝缘芯棒210无需进行打孔或设置特殊形状，所述绝缘芯棒210与所述连接金具220通过插接的方式连接；

进一步的，所述装置包括一个或多个串联的绝缘芯棒210，所述多个绝缘芯棒210间直接通过预设的连接方式进行连接；所述连接方式包括通过螺栓与限位槽进行固定连接一级通过榫卯结构固定连接；

进一步的，所述绝缘芯棒210的工字型截面的外轮廓的一条或多条直线以及对应的绝缘外套230按预设曲率设置为有弧度的曲线，所述外轮廓的各直角设置为圆弧倒角，使得减少异物在绝缘子表面的堆积；

进一步的，所述装置应用环境包括轴对称受力、中心对称受力以及单边受力的电力场景。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。本说明书中涉及到的步骤编号仅用于区别各步骤，而并不用于限制各步骤之间的时间或逻辑的关系，除非文中有明确的限定，否则各个步骤之间的关系包括各种可能的情况。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本公开的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开精神的前提下，可以作出若干改进、修改、和变形，这些改进、修改、和变形都应视为落在本申请的保护范围内。