謝占山-- 開題報告模板

1、碩士研究生選題報告及論文工作計劃研究生姓名 謝占山 學 號1092241040 院(系、所)能源動力與機械工程學院學科、專業(yè)機械設計及理論指導教師（學校）王璋奇專業(yè)技術職務 教授 指導教師（企業(yè)） 陳原 專業(yè)技術職務 高工 入學日期 2009.09.01 2010年 10 月 27日擬選論文題目：500Kv復合絕緣子V串機械疲勞試驗研究選題報告會地點： 選題報告會日期： 年 月 日 文獻綜述與選題報告要求：1. 查閱并閱讀一定數量的文獻資料，其中，選題報告中引用的外文文獻不少于10篇，寫出文獻綜述與選題書面報告，要求在3000字以上（不含圖表）；2. 書面報告內容應包括：選題背景及其意義，國內

2、外研究動態(tài)，本論文的主要研究工作、課題研究內容，預期成果和可能的創(chuàng)新點等；3. 填好“選題報告及論文工作計劃”表，連同書面報告一起交院（系），由院（系）交研究生院（籌）備案；4. 詳細要求參見研究生培養(yǎng)方案和華北電力大學碩士研究生必修環(huán)節(jié)實施細則；5. 書面報告的格式見附件。 閱讀國內外文獻情況： 國內文獻約 24 篇，國外文獻約 11 篇 導師對選題報告的評語（就研究生對該研究領域國內外研究現狀的了解情況、研究方法、研究手段、預期成果予以評價）：導師簽名： 年 月 日評審小組對選題的意見（是否同意選定該課題、是否同意選題報告通過、以及對下一階段研究工作的建議；其他建議，如限期重作選題報告、終

3、止培養(yǎng)建議等）：評審小組成員簽名： 年 月 日論 文 工 作 計 劃論文工作的總體時間安排：1、2010.8-2010.09：資料調研，找到研究切入點；2、2010.9-2010.10：整理開題報告，完成論文開題；3、2010.11-2011.04：查閱設計資料，完成疲勞試驗機設計與試驗方法的編制：申請專利一項；4、2011.5-2011.08：調試試驗設備，開展復合絕緣子的疲勞試驗，并對采集數據進行分析。制定復合絕緣絕緣子在拉-壓/彎循環(huán)交變應力作用下疲勞實驗方法編寫。5、2011.9-2012.03：撰寫學位論文。論文實際工作預計完成日期： 2011.年12月 工作條件（圖書資料、實驗設備

4、、經費及其他條件）落實情況：華北電力科學研究院提供經費，試驗設備正在研制。論文選題來源、項目所屬類別（國家重點、部委、?。ㄊ校⑵笫聵I(yè)委托、校重點、自選等）及經費來源情況：華北電力科學研究院根據實際情況的選擇的研究課題，經費由該研究院提供。論文類型基礎（理論）研究 應用基礎（理論）研究 應用研究 開發(fā)研究 其它院系審核： 審核人： 年 月 日（公章）附件線路復合絕緣子v串的機械疲勞試驗研究一、選題背景及意義線路絕緣子是用來支持和懸掛導線，它同金具組合將導線固定在桿塔上，并使導線和橫擔、桿塔有足夠的絕緣。它在運行中應能承受導線垂直方向的荷重和水平方向的拉力。它還經受著日曬、雨淋、氣候變化及化學物

5、質的腐蝕。因此，絕緣子既要有良好的電氣性能,又要有足夠的機械強度，以適應周圍大氣的變化。絕緣子的好壞對線路的安全運行是十分重要的。傳統(tǒng)線路所用的絕緣子為瓷質和玻璃材質的絕緣子。瓷質材質絕緣子在使用中存在：定期清污，成本高（涂刷硅油）；重量大，安裝檢修不便（隱式零值自破）；燒結過程中也出現裂紋，易發(fā)生掉串等弱點。玻璃材質的絕緣子表面積污后發(fā)生局部放電；重量大，安裝檢修不便；零值自破（玻璃中的雜質和結瘤）等弱點。復合絕緣子以絕緣強度高、體積小、重量輕、耐污穢和清掃維護方便等優(yōu)良特性大改善高壓絕緣設備表面受污、受潮后絕緣度降低的狀況，有效地提高用電安全性，其自潔性好，減少了維護清掃費用。復合絕緣子為

6、整體結構增大了爬距，增強了絕緣距離，復合絕緣子質量輕，可以減輕桿塔荷重，縮小線路間距和走廊寬度，促成城市架空電力線路向小型化發(fā)展1-8。隨著材料的不斷進步，復合絕緣子的性能不斷提高，其在線路中越來越廣泛的應用。然而，以復合絕緣子芯棒為代表的復合材料產品其強度高主要體現在抗拉強度上，其抗壓抗彎強度往往比較薄弱，但近年來，硅橡膠有機復合絕緣子開始大量用于承受壓、彎應力的場合，包括V串復合絕緣子，緊湊型線路相間間隔棒，以及近年來出現的防風偏絕緣子，此外有機復合絕緣桿塔塔材、電站復合支柱絕緣子、復合套管等均屬于承受壓、彎應力的情況，但對于上述以玻璃纖維和環(huán)氧樹脂為基本材料的復合絕緣子承受壓、彎應力的性

7、能研究很少，并無權威性結論。近期，華北電網首次發(fā)生了在長期運行中承受拉-壓/彎循環(huán)交變應力（cyclic stress）或循環(huán)應變（cyclic strain）作用，由于固體內部微觀組織中位錯的存在，在外部交變載荷作用下，裂紋萌生、裂紋擴展，在結構中某些部位逐漸產生局部的永久結構變化，并在一定循環(huán)次數后形成裂縫或繼續(xù)擴展直到導致疲勞斷裂，疲勞損傷的產生、擴展與積累會加劇材料的環(huán)境與應力腐蝕,加速材料的老化，造成材料耐環(huán)境性能嚴重下降和強度與剛度的急劇損失,大大降低材料的使用壽命,甚至會造成災難性后果。擴大緊湊型線路V串復合絕緣子的抽檢表明：與故障絕緣子同批次的V串復合絕緣子也出現了極其近似的疲

8、勞破壞現象，即這種疲勞損傷可能具有共性而不僅僅是個例，這是首次有記錄的復合絕緣子疲勞斷裂故障形式，與玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂芯棒耐拉而不耐壓/彎的機械性能直接相關，于以往復合絕緣子承受拉力時發(fā)生的脆斷故障形式完全不同。因此，開展復合絕緣子在受到拉壓（彎）交變應力的情況下疲勞特性研究是極為重要的。尤其針對已經掛網或即將應用的產品類型（如復合絕緣子、復合相間間隔棒、防風偏絕緣子等）的耐疲勞性能評估具有很大的指導意義，亦可以為運行維護以及后續(xù)的產品改進和應用提供技術支持。1、復合絕緣子在線路中使用美國是最先使用合成絕緣子的國家。為防止人為破壞絕緣子以避免影響電網的安全運行，合成絕緣子在各電壓等級的線路上

9、得到大量的使用。由于其國內合成絕緣子缺乏足夠的運行經驗，且其可靠性是否高于瓷、玻璃絕緣子未得到證實。加拿大各電力公司對合成絕緣子的使用也持持謹慎態(tài)度，不愿意在高壓輸電線路上廣泛使用合成絕緣子。歐洲的很多用戶也對合成絕緣子的使用持謹慎態(tài)度，仍對合成絕緣子的長期性能進行研究9。我國電網于20世紀80年代初開始使用復合絕緣子。80年代末，先后完成了硅橡膠復合絕緣子的開發(fā)、成果轉讓與工業(yè)化生產的工作。90 年代初，我國華東、華北、東北等污閃多發(fā)地區(qū)的大面積污閃事故，為遏制污閃事故發(fā)生，復合絕緣子被大量引入電網。1994年底，掛網運行的復合絕緣子已達5萬支。從此，我國電網使用復合絕緣子的數量迅速增加：1

10、995年為10萬支，1996年為20萬支，1998年為46萬支，1999年為84萬支，到2001年已達160萬支，2006年已達200萬支。國內復合絕緣子損壞多發(fā)生于早期產品，主要原因包括選材不當及工藝不成熟等。復合絕緣子的年損壞率約為 0.005，優(yōu)于世界其它國家的平均水平。芯棒脆斷已成為當前復合絕緣子所發(fā)生的最嚴重的事故，占絕緣子損壞的40%左右。這種現象在超高壓線路中尤為突出10-14。 “脆斷”本質指復合絕緣子在循環(huán)交變應力作用的情況下，加之在鋼錨與芯棒的連接處存在EI與M突變，出現了應力集中，導致絕緣子薄弱部位開裂，外界酸液從開裂部位進入絕緣子芯棒，玻璃纖維受到侵蝕，在很低的載荷作用

11、下芯棒纖維逐漸斷裂，最終整支芯棒發(fā)生斷裂。脆斷的一個明顯特征就是斷口較整齊、平滑15-18。2、線路復合絕緣子的受力導線在風力的作用下，導線的舞動及扭轉振動，導致復合絕緣子承受壓彎組合力。2007年源霸二線舞動跳閘故障，發(fā)現129#130#間隔棒球頭受力彎曲變形較大，也印證了相間間隔棒在運行過程中受到了彎曲應力。導線多處于山埡口、山溝位置，常年受大風影響，分裂導線的舞動、扭轉振動發(fā)生概率較高。（如下圖所示），圖發(fā)生彎曲的相間間隔棒鋼腳2010年4月-5月，大同超高壓供電公司負責運行維護的源霸二線129#138#發(fā)生多起相間間隔棒鋼腳斷裂故障。 懸掛著的故障相間間隔棒 相間間隔棒鋼腳斷口2010

12、年5月5日沽太線柔性間隔棒安裝過程中，也觀察到導線在風力作用下的扭轉振動。圖2008年4月500kV海萬線舞動事故后導線扭絞情況圖 2010年5月500kV神保線導線扭絞情況相間間隔棒鋼腳的斷裂和支架的斷裂，很可能是在受到拉力的同時受到彎矩所致。相間間隔棒鋼腳和支架之間為球頭球窩連接，雖然具有一定的活動范圍，但是活動范圍相對有限，在分裂導線發(fā)生扭轉振動且具備一定振幅的情況下，相間間隔棒鋼腳部位很容易出現彎曲應力集中，導致鋼腳在運行過程中不僅承受拉力，同時還承受交變彎曲應力，很可能正是這種交變彎曲應力造成了鋼腳、支架的斷裂故障。運行過程中各相分裂導線存在扭轉振動，即以分裂中心為軸的轉動振動。圖

13、相間間隔棒端部受力分析而線路復合絕緣子v串的受力情況如下圖所示： 線路v串示意圖 線路v串在風力作用下受力示意圖 絕緣子v串在風力的作用下串受力圖及可能導致彎曲圖19其中wv為導線的自重，PH為導線受到的風載荷，p1為p在左絕緣子串所受分力，p2為p在右絕緣子串所受分力，p為導線為所受外力的合力，a為導線的最大風偏角，為絕緣子夾角之半。導線在風力的作用下，由于會在導線的背風向形成渦流，導線將發(fā)生的舞動、振動，分裂式導線也可能扭絞在一起。大風作用在導線上的橫向力將帶動導線金具以及絕緣子在水平方向做加速度運動，由于絕緣子成三角排列，限制了絕緣子水平運動，迎風側絕緣子受到的拉力增大，背風側絕緣子受到

14、的拉力減少甚至變成受壓。復合絕緣子只有彎曲變形并對金具形成反彈力，大風形成的能量由金具間相互摩擦消耗一部分能量，導線與金具重量消耗一部分能量，另一部分能量靠復合絕緣子變形消耗掉。在上述圖中風向的作用下，絕緣子所受的脈動力隨導線背部渦流的變化而變化。由于復合絕緣子桿徑小，芯棒受彎曲、壓縮等不大的負荷時彈性變形較大，長期處于此環(huán)境下絕緣子的強度會大大降低，最終會導致疲勞破壞19-23。為絕緣子破壞的情形如下圖所示： 500kV緊湊型線路復合絕緣子斷裂 500kV緊湊型線路復合絕緣子斷裂 500kV緊湊型線路復合絕緣子斷裂據不完全統(tǒng)計，國內發(fā)生的復合絕緣子斷裂事故已達20起。這些復合絕緣子的斷裂本質

15、上是受到循環(huán)應力作用，在一定的循環(huán)次數下，導致絕緣子疲勞開裂，外界的酸性物質從裂縫進入芯棒加速了絕緣子的脆斷。二、復合絕緣子疲勞性能研究現狀國內外關于線路絕緣子串的方面,研究較少，更缺乏系統(tǒng)的深入研究。日本和印度等國家在超高壓輸變電工程中對絕緣子的選擇和驗收時要求進行振動試驗，評價其耐振強度。目前，關于絕緣子串和導線的振動疲勞試驗，國際上還沒有科學統(tǒng)一的試驗方法和試驗標準，日本和印度等國家在其超高壓輸變電工程的標書中對絕緣子串振動試驗要求。試驗完成后對絕緣子及金具的外觀檢查、絕緣子的機械性能試驗和擊穿試驗等24。2002年武高所與華科開發(fā)振動系統(tǒng)，實驗參數參考20世紀80年代前蘇聯、日本在此方

16、面經驗與參數。該試驗雖能篩選出優(yōu)質產品，也能使設計和工藝控制不佳的絕緣子串不能通過該項試驗，然而，實際運行中的合成絕緣子所受到的是包括拉伸 扭轉 彎曲等的復合動載。其實驗模擬結果與實際必然存在較大的差距。2002年孫昌富、梁曦東等開發(fā)了動載試驗機。能基本的模擬內楔式復合絕緣子串在實際工況下所受拉伸、扭轉、彎曲等的復合動載25-26。只對內楔式合成絕緣子的芯棒動載試驗，尚未對其他復合絕緣子進行研究，也未對帶有均壓環(huán)、線夾（聯板）的復合絕緣子疲勞特征進行試驗。廖永力等利用有限元軟件建立了750kV緊湊型線路 V形復合絕緣子力學模型，計算分析了不同夾角下v形串受力變形情況，并將計算結果與實測結果比較

17、，驗證了軟件計算的有效性。并探討了750k V緊湊型輸電線路v形絕緣子串在不同安裝夾角下的風偏位移隨載荷的變化及v形復合絕緣子屈曲變形的特征。驗證了軟件分析的可行性，為以后研究節(jié)省了大量實驗時間27。C.De Tourreil等合成絕緣子抵御振蕩荷載能力的衰減速度明顯大于抵御靜荷載能力的衰減速度，當較小的靜荷載發(fā)生振蕩時就可能導致其損壞。進一步證明復合絕緣子在受交換載荷對其強度影響29-35。 合成絕緣子在23 時的時間-荷載曲線與振蕩荷載導致其損壞的對比時間-荷載曲線26綜上所述，關于復合絕緣子承受壓彎扭組合應力的疲勞研究還不夠深入，還需要進一步開展具有針對性的研究，為線路復合絕緣子的應用、

18、運行、檢修、改進提供技術支持。三、本論文的研究內容1）、針對于線路復合絕緣子及v串設計疲勞試驗機一臺。2)、編寫線路絕緣子及v串疲勞的實驗方法，進行復合絕緣子拉/彎/扭等工況下疲勞試驗，分析實驗數據，給出鑒定結論。四、研究方案及工作難點1）、疲勞試驗機設備的研制及實驗室的建設進度。2)、復合絕緣子拉/彎/扭試驗過程的控制。3)、試驗分析方法的選定及試驗過程數據的采集與分析。五、可能創(chuàng)新點1）、針對線路復合絕緣子及v串研制疲勞試驗機一臺，申請專利一項。2）、編寫復合絕緣子疲勞試驗方法與產品的鑒定，使用有限元軟件進行輔助仿真。六、參考文獻：1李翔,顧紅連.三種絕緣子可靠性的比較J.高電壓技術,20

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