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氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）具有占地面積小、運(yùn)行成本低、安全可靠性高的特點(diǎn)，在我國(guó)輸變電工程中得到了廣泛應(yīng)用。其電氣性能及機(jī)械性能的優(yōu)劣對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響，因而受到了普遍關(guān)注。

絕緣拉桿是GIS斷路器中的關(guān)鍵部件，起著絕緣和傳遞動(dòng)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(yōu)良的絕緣性能，以承受電場(chǎng)的長(zhǎng)期作用；另一方面，它用于連接GIS斷路器的觸頭和操作機(jī)構(gòu)，起傳遞機(jī)械動(dòng)力的作用。而斷路器分合閘動(dòng)作時(shí)間短、速度高、沖擊載荷大，這對(duì)絕緣拉桿的機(jī)械性能提出了較高的要求。

絕緣拉桿性能的優(yōu)劣對(duì)GIS設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性有重要影響。絕緣拉桿機(jī)械及電氣失效如圖1所示，當(dāng)材料性能不佳時(shí)，拉桿本體可能會(huì)出現(xiàn)裂紋、分層等內(nèi)部缺陷，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，這些缺陷會(huì)逐漸發(fā)展，最終造成斷裂或擊穿事故，危害電力設(shè)備安全運(yùn)行。

圖1 絕緣拉桿機(jī)械及電氣失效

目前，絕緣拉桿的材料、結(jié)構(gòu)等特性參數(shù)尚無(wú)相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，GIS斷路器運(yùn)行中絕緣拉桿的受力和形變規(guī)律也并不清楚，這對(duì)絕緣拉桿性能控制指標(biāo)的確定造成了極大阻礙，不利于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量穩(wěn)定性。因此，開(kāi)展GIS斷路器絕緣拉桿動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試，研究絕緣拉桿在分、合閘過(guò)程中的形變及頻率響應(yīng)等關(guān)鍵性能，可以為規(guī)范絕緣拉桿的材料和結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)提供依據(jù)，對(duì)提升絕緣拉桿長(zhǎng)期運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)絕緣拉桿的國(guó)產(chǎn)化替代，具有重要意義。

目前，針對(duì)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(dòng)力學(xué)分析等幾個(gè)方面。GIS斷路器絕緣拉桿用材料主要有玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料及芳綸/聚酯纖維環(huán)氧復(fù)合材料兩條技術(shù)路線(xiàn)。侯亞峰等從凝膠時(shí)間、粘度等方面研究了不同配方的環(huán)氧樹(shù)脂-芳綸體系的性能，對(duì)最佳配方體系的綜合性能進(jìn)行驗(yàn)證，確定了滿(mǎn)足工藝要求的環(huán)氧樹(shù)脂配方體系。

有學(xué)者則從拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度及理化性能的角度，對(duì)高壓絕緣拉桿的環(huán)氧樹(shù)脂配方體系開(kāi)展研究。楊威等通過(guò)真空浸漬工藝制備芳綸絕緣拉桿并測(cè)試其綜合性能，同時(shí)與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行比較。玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料方面，有學(xué)者采用無(wú)絲粘接工藝，針對(duì)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障分析，制造工藝的瑕疵，未充分考慮絕緣拉桿長(zhǎng)期運(yùn)行下電、力聯(lián)合作用等因素，給GIS斷路器安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。因此，有學(xué)者開(kāi)始從電場(chǎng)仿真分析的角度探究拉桿故障的原因，并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施；同時(shí)，從拉桿的動(dòng)力學(xué)特性方面開(kāi)展深入研究。GIS斷路器絕緣拉桿的動(dòng)力學(xué)分析主要從仿真與試驗(yàn)兩個(gè)方面進(jìn)行。應(yīng)用ADAMAS、Ansys等軟件獲得斷路器分、合閘過(guò)程中的瞬態(tài)行程曲線(xiàn)及受力情況等，并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以為斷路器的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核與產(chǎn)品研發(fā)提供指導(dǎo)。對(duì)分合閘過(guò)程中的動(dòng)態(tài)形變分析，則可以獲得絕緣拉桿在動(dòng)作時(shí)的變形過(guò)程。

然而，在以往研究中，并未對(duì)動(dòng)作過(guò)程中絕緣拉桿的整體形態(tài)及瞬態(tài)下由于機(jī)械波折反射產(chǎn)生的應(yīng)變特性進(jìn)行討論與分析。長(zhǎng)期運(yùn)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(guó)電力科學(xué)研究院等單位的科研人員通過(guò)GIS斷路器模擬機(jī)，針對(duì)252kV GIS斷路器絕緣拉桿開(kāi)展了分、合閘沖擊疲勞試驗(yàn)，研究252kV GIS斷路器絕緣拉桿的動(dòng)態(tài)應(yīng)變特性及分、合閘沖擊作用下拉桿形態(tài)的變化規(guī)律，獲得252kV GIS斷路器絕緣拉桿應(yīng)變特性隨動(dòng)作次數(shù)的變化規(guī)律。

圖2 GIS斷路器模擬機(jī)

他們得到的主要研究結(jié)果如下：

1）分、合閘過(guò)程中絕緣拉桿均存在壓縮與拉伸應(yīng)變，分閘中拉應(yīng)變和壓應(yīng)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(xiàn)在拉桿觸頭側(cè)端部金屬件粘接處。

2）分、合閘時(shí)絕緣拉桿存在不均勻受力的情況，且拉桿承受壓縮應(yīng)變時(shí)還會(huì)受到彎曲的作用。在對(duì)拉桿材料考核時(shí)需予以考慮。

3）GIS斷路器絕緣拉桿分、合閘應(yīng)變響應(yīng)譜的頻率分量主要集中在600Hz以下，且均存在3個(gè)主要特征峰，特征峰頻率分閘高于合閘。

4）隨著操作次數(shù)的增加，分、合閘應(yīng)變響應(yīng)的幅頻特性曲線(xiàn)高頻分量逐漸向低頻區(qū)300Hz移動(dòng)。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(jié)果可以支撐絕緣拉桿材料試驗(yàn)和型式試驗(yàn)體系的構(gòu)建，為該類(lèi)型絕緣拉桿的設(shè)計(jì)分析提供參考和數(shù)據(jù)支撐。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“斷路器絕緣拉桿動(dòng)態(tài)性能模擬試驗(yàn)”，作者為王浩然、陳允 等。