- 頭條中國電科院等單位的科研人員在斷路器絕緣拉桿研究方面取得新進展2022-03-03 作者：王浩然、陳允 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語絕緣拉桿是斷路器的主要傳動機構，除要求有很強的電氣性能外，還應具有良好的機械特性。探究絕緣拉桿操作時的動態特性及響應，對絕緣拉桿材料性能控制、技術規范的制定具有重要意義。中國電力科學研究院有限公司、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）、國網上海市電力公司的研究人員王浩然、陳允、吳澤華、張鵬飛、廖巍、彭宗仁，在2021年《電工技術學報》增刊1上撰文，采用斷路器模擬機首次對絕緣拉桿進行分、合閘沖擊疲勞試驗，獲得分、合閘沖擊下絕緣拉桿的應變分布、響應及操作次數對其的影響規律。 結果表明，操作過程中拉桿存在受力不均的現象，操作過程中的沖擊響應頻率主要分布在0～600Hz之間，應變最大值分布在拉桿觸頭側與金屬件粘接的位置處；隨著操作次數的增加，頻率響應的第一特征峰基本保持不變，而高頻分量下降。研究結果可為絕緣拉桿材料性能試驗方法、要求與規范制定提供參考和依據。
氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear, GIS）具有占地面積小、運行成本低、安全可靠性高的特點，在我國輸變電工程中得到了廣泛應用。其電氣性能及機械性能的優劣對電力系統的安全穩定運行有重要影響，因而受到了普遍關注。
絕緣拉桿是GIS斷路器中的關鍵部件，起著絕緣和傳遞動力的重要作用。一方面，它用于GIS斷路器的高電位與低電位之間，需要具有優良的絕緣性能，以承受電場的長期作用；另一方面，它用于連接GIS斷路器的觸頭和操作機構，起傳遞機械動力的作用。而斷路器分合閘動作時間短、速度高、沖擊載荷大，這對絕緣拉桿的機械性能提出了較高的要求。
絕緣拉桿性能的優劣對GIS設備運行的穩定性和可靠性有重要影響。絕緣拉桿機械及電氣失效如圖1所示，當材料性能不佳時，拉桿本體可能會出現裂紋、分層等內部缺陷，隨著運行時間的增加，這些缺陷會逐漸發展，最終造成斷裂或擊穿事故，危害電力設備安全運行。
圖1 絕緣拉桿機械及電氣失效
目前，絕緣拉桿的材料、結構等特性參數尚無相應的技術規范，GIS斷路器運行中絕緣拉桿的受力和形變規律也并不清楚，這對絕緣拉桿性能控制指標的確定造成了極大阻礙，不利于提高產品性能和質量穩定性。因此，開展GIS斷路器絕緣拉桿動態特性的測試，研究絕緣拉桿在分、合閘過程中的形變及頻率響應等關鍵性能，可以為規范絕緣拉桿的材料和結構控制指標提供依據，對提升絕緣拉桿長期運行性能，實現絕緣拉桿的國產化替代，具有重要意義。
目前，針對GIS斷路器絕緣拉桿的研究主要集中在材料配方體系及制備工藝、故障反演、動力學分析等幾個方面。GIS斷路器絕緣拉桿用材料主要有玻璃纖維環氧復合材料及芳綸/聚酯纖維環氧復合材料兩條技術路線。侯亞峰等從凝膠時間、粘度等方面研究了不同配方的環氧樹脂-芳綸體系的性能，對最佳配方體系的綜合性能進行驗證，確定了滿足工藝要求的環氧樹脂配方體系。
有學者則從拉伸、壓縮、彎曲強度及理化性能的角度，對高壓絕緣拉桿的環氧樹脂配方體系開展研究。楊威等通過真空浸漬工藝制備芳綸絕緣拉桿并測試其綜合性能，同時與國外同類產品進行比較。玻璃纖維環氧復合材料方面，有學者采用無絲粘接工藝，針對126kV GIS研制了玻璃布-聚酯纖維卷繞的絕緣拉桿成品。
然而，根據現場故障分析，制造工藝的瑕疵，未充分考慮絕緣拉桿長期運行下電、力聯合作用等因素，給GIS斷路器安全穩定運行帶來了很大挑戰。因此，有學者開始從電場仿真分析的角度探究拉桿故障的原因，并提出相應的應對措施；同時，從拉桿的動力學特性方面開展深入研究。GIS斷路器絕緣拉桿的動力學分析主要從仿真與試驗兩個方面進行。應用ADAMAS、Ansys等軟件獲得斷路器分、合閘過程中的瞬態行程曲線及受力情況等，并與實測結果對比，可以為斷路器的設計、強度校核與產品研發提供指導。對分合閘過程中的動態形變分析，則可以獲得絕緣拉桿在動作時的變形過程。
然而，在以往研究中，并未對動作過程中絕緣拉桿的整體形態及瞬態下由于機械波折反射產生的應變特性進行討論與分析。長期運行下絕緣拉桿的分、合閘沖擊疲勞特性也亟待研究。
綜上，中國電力科學研究院等單位的科研人員通過GIS斷路器模擬機，針對252kV GIS斷路器絕緣拉桿開展了分、合閘沖擊疲勞試驗，研究252kV GIS斷路器絕緣拉桿的動態應變特性及分、合閘沖擊作用下拉桿形態的變化規律，獲得252kV GIS斷路器絕緣拉桿應變特性隨動作次數的變化規律。
圖2 GIS斷路器模擬機
他們得到的主要研究結果如下：
1）分、合閘過程中絕緣拉桿均存在壓縮與拉伸應變，分閘中拉應變和壓應變最大值分別為2262.8με和2301με，合閘中分別為1309.0με和1026με。最大值均出現在拉桿觸頭側端部金屬件粘接處。
2）分、合閘時絕緣拉桿存在不均勻受力的情況，且拉桿承受壓縮應變時還會受到彎曲的作用。在對拉桿材料考核時需予以考慮。
3）GIS斷路器絕緣拉桿分、合閘應變響應譜的頻率分量主要集中在600Hz以下，且均存在3個主要特征峰，特征峰頻率分閘高于合閘。
4）隨著操作次數的增加，分、合閘應變響應的幅頻特性曲線高頻分量逐漸向低頻區300Hz移動。第一特征峰的幅值與頻率基本不變。
研究人員表示，該研究結果可以支撐絕緣拉桿材料試驗和型式試驗體系的構建，為該類型絕緣拉桿的設計分析提供參考和數據支撐。
以上研究成果發表在2021年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“斷路器絕緣拉桿動態性能模擬試驗”，作者為王浩然、陳允 等。
