При определении максимальной разрушающей нагрузки при растяжении нагрузку медленно увеличивали вплоть до разрушения. Длительность приложения последних 25% увеличивающейся нагрузки обычно составляла 60 с (всегда в интервале от 30 до 90 с). Гидравлическая испытательная установка включала камеру с регулируемой температурой для измерения максимальной прочности при растяжении при 25, 50 и 100°С. Испытания при -25°С проводили в наружных условиях на стенде при 3,6 МН в течение зимней ночи.
Время до разрушения за менее чем 1000 ч при 23 и 50°С определяли на том же испытательном оборудовании. Долговременная оценка требовала конструирования нового испытательного оборудования. Испытания по определению времени до разрушения вели на установке с двумя гидравлическими цилиндрами. На каждом из 20 лабораторных стендов испытывали по три КИ, установленных последовательно. На шести стендах была смонтирована специальная камера с контролируемой температурой для испытаний при 50°С. Для каждого типа КИ выбирали различные уровни нагрузки ниже максимальной разрушающей, которые вызывали разрушение в интервале времени от нескольких минут до нескольких тысяч часов.
Аналогичные уровни нагрузки были выбраны для испытаний на стендах в естественных условиях, где КИ подвергались, кроме того, климатическим воздействиям и находились под напряжением. Напряжение прикладывалось ко 2-му и 3-му КИ, установленным последовательно (на каждом стенде, как и при испытаниях в лаборатории, монтировали по три КИ). Испытательное напряжение было на 15% выше номинального для КИ типов А, Б и В. Изоляторы типов Г и Д подвергали импульсным растягивающим нагрузкам, которые могут возникнуть при пляске проводов. Специальный испытательный стенд с гидравлическими цилиндрами, управляемыми сервоприводом, создавал основную нагрузку в сочетании с синусоидальными колебаниями ±15 кН, 0,5 Гц.
При испытаниях на стойкость к внешним воздействиям с КИ типа Г удаляли часть ребристой оболочки, примыкающей к оконцевателю, и на оголенный участок стержня надевали контейнер малого размера, содержащий водный раствор серной кислоты с pH 3,5. Все время, пока эта часть изолятора была в растворе, изолятор находился под постоянной растягивающей нагрузкой. Если испытания продолжались более недели, раствор меняли еженедельно для поддержания постоянной величины pH. При определении средней величины максимальной разрушающей нагрузки использовали данные, полученные для трех - шести КИ каждого типа при четырех температурах. Металлический оконцеватель у четырех из шести КИ типа В при испытаниях при -25°С разрушался раньше, чем изолятор. Поэтому только измерения на двух КИ могли быть использованы для определения разрушающей нагрузки. На рис. 8 показано изменение максимальной разрушающей нагрузки в зависимости от температур для изоляторов А, Б и В и результаты испытаний изоляторов типов Г и Д при 23°С.
Рис. 3. Зависимость максимальной разрушающей нагрузки, определяемой по среднему напряжению при растяжении в стержне от температуры
Рис. 9. Распределение напряжений при растяжении (а) и сдвиге (б) в части стержня, находящейся в оконцевателе, при конусном соединении для КИ типа Г при напряжении и растяжении в остальной части стержня 500 МПа
Характер разрушения, специфический для каждой конструкции КИ, может изменяться с температурой. Практически во всех случаях разрушение начинается у оконцевателя. Обычно у КИ типов А и Г часть стержня трескается в плоскости под углом 45° к оси стержня и затем идет расслоение. При 100°С стержень может вырваться из оконцевателя. КИ типа Б обычно разрушается вследствие расслаивания. Большинство разрушенных стержней выглядит подобно венику. При очень низких температурах (-60°С) стержень также может вырваться из оконцевателя. У КИ типа Д наблюдается аналогичная картина разрушения.
Разрушение стержня КИ типа В происходит главным образом вследствие расслаивания в плоскости, параллельной клину в оконцевателе. Наибольшее расслаивание наблюдается в самой узкой части стержня.
Когда происходит разрушение, среднее напряжение при растяжении в стержне обычно ниже 800 МПа. Однако в части стержня, находящейся в оконцевателе, распределение напряжений является неоднородным и в отдельных точках достигает значительно более высоких значений. Расчет распределения напряжений для двух способов соединения оконцевателей был выполнен методом конечных элементов: при конусном соединении для КИ типа Г и при соединении опрессовкой для КИ типа Д.
При расчетах были использованы значения EL=35 ГПа; Ет=3,5 ГПа и G =6,5 ГПа. На рис. 9 показано распределение напряжений в части стержня, находящейся в оконцевателе, при конусном соединении, когда напряжение при растяжении в остальной части стержня составляет 500 МПа. В этом случае напряжения при растяжении в отдельных точках могут достигать 1000 МПа.
На рис. 10 показано распределение напряжений в части стержня, находящейся в оконцевателе, при соединении опрессовкой, когда напряжение при растяжении в остальной части стержня составляет 810 МПа. В этом случае распределение напряжений при растяжении почти однородно. Разрушение КИ этого типа, вероятно, может быть связано с высокими локальными напряжениями при сдвиге в части стержня, находящейся в оконцевателе.
Испытания на разрыв.
Для каждого типа КИ выбирались такие уровни нагрузки (ниже максимальной разрушающей), чтобы разрыв происходил за время от менее одного часа до более 30 тыс. ч. На рис. 11 показано время до разрушения при 23°С КИ типа Б при семи уровнях нагрузки. Для получений кривых времени до разрушения от нагрузки использован метод расчета линейной регрессии.
Рис. 10. Распределение напряжений при растяжении (а) и сдвиге (б) в части стержня, находящейся в оконцевателе, при соединении опрессовкой для КИ типа Д при напряжении и растяжении в остальной части стержня 810 МПа
Рис. 11. Зависимость разрушающей нагрузки от времени для КИ типа Б при 23°С (максимальная разрушающая нагрузка 448 кН)
Рис. 12. Зависимость разрушающей нагрузки от времени для КИ типа Г при 23°С (максимальная разрушающая нагрузка 176 кН) и влияние вибраций на время до разрушения
Представление этих результатов на графиках как в полулогарифмических, так и логарифмических координатах дает сравнимый коэффициент корреляции. Более привычным является представление экспериментальных данных в полулогарифмических координатах.
Кис. 13. Зависимость времени до разрушения от нагрузки для КИ типа А при - 25, 23, 50°С и при наружных испытаниях (Анар ) и изолятора типа Г при 23°С (средние значения напряжения при растяжении в стержне)
Рис. 14. Зависимость времени до разрушения от нагрузки для КИ типа Б при — 25, 23, 50°С и при наружных испытаниях Бнар и для КИ типа Д при 23°С (средние значения напряжения при растяжении в стержне)
По своей природе эти испытания дают результаты с большим разбросом времени до разрушения при данной нагрузке. Горизонтальная черта на
кривой нагрузка - время при 103 ч (при 101 ч или 102 ч на других графиках) характеризует отклонение +-1δ. Результаты испытаний по определению максимальной разрушающей нагрузки не были использованы для построения кривых нагрузка - время. Точки на рис. 12 характеризуют времена до разрушения при 23°С для КИ типа Г при двух уровнях нагрузки.
Рис. 15. Зависимость времени до разрушения от нагрузки для КИ типа В при - 25, 23 и 50°С (максимальная разрушающая нагрузка при 23°С 498 кН)
Рис. 16. Зависимость времени до разрушения от нагрузки для КИ типа Д при 23°С (максимальная разрушающая нагрузка при 23°С 219 кН) и влияние вибрации на время до разрушения
Рис. 17. Влияние раствора кислоты на механические характеристики КИ типа В
На рис. 13, 14, 15 приведены кривые нагрузка-время, полученные при -25, 23,50°С и наружных испытаниях для КИ типов А, Б и В и при 23°С для КИ типов Г и Д. Более половины КИ при испытаниях на стендах в естественных условиях находились под напряжением. Существенной разницы во времени до разрушения при наружных испытаниях КИ под напряжением и без него не обнаружено. Характер разрушения КИ при Этих испытаниях и испытаниях при максимальной разрушающей нагрузке аналогичен.
Испытания при вибрационных нагрузках.
Дополнительным вибрационным нагрузкам с амплитудой ±15 кН при синусоидальных колебаниях частотой 0,5 Гц подвергались КИ типа Г при двух уровнях нагрузки и типа Д при четырех уровнях нагрузки. Эти данные для КИ типа Г показаны на рис. 12 кружками. На рис. 16 приведены результаты, полученные для КИ типа Д. По ординате кружки соответствуют максимальному уровню вибраций, по абсциссе - общему времени до разрушения КИ. Важно отметить, что КИ подвергается максимальной нагрузке только в течение очень малого периода времени испытаний. Разрушение КИ при этих испытаниях происходит обычным образом.
Влияние внешних факторов.
Четыре кружка на рис. 17 показывают влияние на время до разрушения совместного воздействия растяжения и раствора кислоты с pH 3,5. Время до разрушения значительно снижается и происходит хрупкое разрушение. Плоскость разрушения гладкая и перпендикулярна оси стержня.
Результаты испытаний приведены в табл. 2. Максимальная разрушающая нагрузка КИ типов А, Б и В изменяется с температурой: она тем выше, чем ниже температура.
Для каждого типа КИ характер изменения разрушающей нагрузки с температурой является специфическим: КИ типа Б, у которого соединение с оконцевателем выполнено опрессовкой, наименее чувствителен к воздействию температуры.
При испытаниях КИ при постоянной нагрузке разрушение после определенного периода времени происходит при значительно более низкой нагрузке, чем максимальная разрушающая.
Таким образом, выяснение зависимости между нагрузкой и временем до разрушения является очень важным. На рис. 13, 14 и 15 показано, что время до разрушения КИ типов А, Б, В, Г и Д зависит как от приложенного напряжения, так и от температуры. Наклон кривых нагрузка - время, разброс результатов и влияние температуры являются специфическими для КИ каждого типа.
Таблица 2. Результаты определения механической прочности КИ
*Разрушение оконцевателя.
Рис. 13 и 14 дают возможность сравнить изоляторы с одинаковой конструкцией оконцевателя, но с разным диаметром стеклопластикового стержня. Кривые нагрузка-время для КИ типа Г с диаметром стержня, в два раза меньшим, чем диаметр стержня КИ типа А, при 23°С выше, чем для КИ типа А.
Кривые нагрузка-время для КИ типа А снижаются с повышением температуры, наклон кривых при 23 и 50°С является аналогичным. При статических растягивающих нагрузках КИ типа А имеют лучшие характеристики при -25°С, чем при других температурах, и наклон кривой значительно меньше. Это важно при эксплуатации в условиях холодного климата. Кривая, полученная при наружных испытаниях, расположена ниже кривой для 23°С, но имеет такой наклон, что попадает в промежуток между кривыми при -25° и 23°С. У КИ типов Б и Д конструкция оконцевателей различается, соединение со стержнем выполнено одинаково - опрессовкой. Из рис. 14 видно, что чем меньше диаметр стержня, тем выше допустимое напряжение при растяжении. Для КИ типа Б характерно также увеличение температурных сдвигов кривых нагрузка - время и наклон их является практически одинаковым при всех температурах испытаний. Разброс результатов изменяется с температурой, но, как правило, в меньшей степени, чем у КИ типа А.
Кривые нагрузка-время для КИ типа В с соединением оконцевателя клином (рис. 15) показывают, что в этом случае влияние температуры будет иным: для времени до разрушения более недели характеристики КИ типа В будут более высокими, чем при более низкой температуре. Разброс результатов обычно больше, чем для КИ типов А, Б, Г, Д.
Влияние вибраций, аналогичных тем, которые возникают при пляске проводов, значительно более явно выражено для КИ типа Д, чем типа Г (см. рис. 12 и 16). Чтобы избежать разрушения за время менее 100 ч для КИ типа Д максимальная импульсная нагрузка должна составлять не более 55% статической растягивающей нагрузки. Для того же времени до разрушения снижение уровня импульсной нагрузки для изоляторов типа Г должно быть соответственно меньшим. Стеклопластиковые стержни КИ типов Г и Д неидентичны, но различия в прочности на растяжение, сжатие и сдвиг, вероятно, не могут убедительно объяснить такую разницу в стойкости к вибрации. Остается считать, что это различие обусловлено конструкциями оконцевателей. Обнаружено, что у КИ, эксплуатирующихся в энергосистеме Гидро-Квебек и в других местах, в некоторых случаях ребра не могут предотвратить в случае кислотного дождя проникновения жидкости и ее контакта со стеклопластиковым стержнем. Особую уязвимость представляет область высокой напряженности вблизи оконцевателя. Синергетический эффект одновременного воздействия растягивающих нагрузок и кислой среды виден из рис. 17. Кислая среда вызывает хрупкое разрушение стержня, причем за время, на несколько порядков меньшее, чем в ее отсутствие. Важно отметить, что этот синергетический эффект не является одинаковым для всех стеклопластиковых стержней и на КИ типа В, который уже некоторое время выпускается со стержнем нового типа, кислая среда не оказывает сколько-нибудь заметного воздействия.
Таким образом, исследование влияния механических нагрузок показало, что КИ имеют очень хорошие характеристики при статических растягивающих нагрузках. При вибрациях сильное влияние на механические характеристики оказывает конструкция оконцевателя. При выборе КИ, особенно если в процессе эксплуатации возможны самые разнообразные нагрузки, в том числе оледенение, необходимо руководствоваться данными, полученными из кривых нагрузка-время.
Проблема хрупкого разрушения стержней при воздействии кислой среды может быть решена путем тщательного выбора электроизоляционных материалов.
Важнейший аспект, который не рассматривался в этом докладе, определяющий конкурентоспособность КИ по отношению к стеклянным и фарфоровым изоляторам, - это долговременные характеристики границ раздела ребро - ребро, ребристая оболочка - стеклопластиковый стержень, ребристая оболочка- оконцеватель.
Результаты выполненных исследований показали, что можно выбрать ряд наполненных полимерных материалов, полностью удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к КИ. Длительные испытания КИ показали удовлетворительные механические характеристики этих изоляторов.
