高压复合绝缘子用GFRP材料吸湿特性及湿应力分布数值模拟

摘要

在我国南方长期高温高湿环境下,外界水分逐渐侵入复合绝缘子芯棒内部,会造成芯棒酥朽劣化甚至会使整支绝缘子断裂,因此准确模拟及分析水分入侵过程对于解决此类问题至关重要。该文仿真计算外界环境温度分别为10℃、20℃和30℃,相对湿度为90%下高压复合绝缘子用玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)材料的瞬态吸湿扩散过程及材料内部的湿应力变化情况。结果显示,水分在GFRP材料内部的扩散过程满足Fick定律,且吸湿扩散率和饱和吸湿率均随环境温度的升高而有所增大;在GFRP材料内部纤维分布密集处和纤维-基体界面处存在较大的湿应力和湿失配应力,且其与吸湿量正相关。当饱和吸湿率在0.008%~0.4%时,材料内部最大湿应力可达到48.07~66.06MPa。进一步研究分析得出,材料内部吸湿和脱湿周期性循环且湿应力水平较高的情况下,易产生微裂纹、微孔洞、纤维-基体界面脱粘开裂等缺陷,并进一步促进材料的吸湿。该文将计算值与已有文献中的试验值进行比较,相对误差在±5%以内,验证了模型的合理性和计算结果的正确性。研究结论对揭示复合绝缘子芯棒酥朽断裂机理、提高复合绝缘子使用寿命具有重要的参考价值。