500kV過載保護金具安全銷失效分析及設計

楊志廣 楊志斌 陳 強

（1.國網江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌330043；2.國網江西省送變電建設公司，江西 南昌 330043）

0 引言

過載保護金具的研發的主要目的是設計開發一種新型帶有過載分離開關的輸電線路金具，同時不改變原有金具的基本形狀和尺寸。通過舍棄某些小投入的金具來保持輸電塔的完好無損，利于線路的快速恢復，從而間接取得了巨大的社會效益和經濟效益。防災減災安全銷的設計思想，就是要當過載造成的導地線上的荷載達到輸電塔的極限荷載前使塔線分離，防止倒塔，以便迅速進行災后重建，達到防災減災的目的。

1 相關研究現狀

2003年以來，東北電力大學建筑工程學院陳景彥等人在現有的輸電線路金具及覆冰研究理論的基礎上，開展了輸電線路主動防災減災關鍵技術研究以及輸電線路抗冰過載保護金具的研發的項目。2009年，薛慶蓮等人進行了輸電線路抗冰雪災害過載保護金具的開發這一項目的前期工作。2010年，張建祿在上述工作基礎上，確定了塔線分離荷載，進行了塔線分離金具的設計。并采用增量加載非線性有限元法計算安全銷的極限承載力，與設計的塔線分離控制荷載相吻合。設計的安全銷經靜力加載試驗分析滿足正常的使用和強度的要求，并基于疲勞壽命預測的相關理論，經ANSYS中的疲勞模塊對安全銷的疲勞壽命進行了預測，表明安全銷的疲勞壽命達到正常使用的要求。

2 安全銷失效分析有限元理論

失效是指零件或部件不能履行設計賦予它的功能的狀態。一般意義的失效分析，是可靠性設計的重要一環，通過觀察、檢測、試驗等手段對零部件失效的原因進行分析，以便于對零部件進行完善，重新改進制造以再次投入使用。

在本文中，安全銷作為防倒塔的過載保護金具，既要發揮其作為輸電線路的主要金具的連接作用，又要保證在荷載達到塔線分離荷載前斷裂失效。安全銷在剪力、彎矩的共同作用下，安全銷將在截面削弱處首先發生屈服逐漸出現塑性變形，當安全銷的應力達到材料的極限強度時發生斷裂。安全銷在加載過程中，應力狀態比較復雜，而且有現象明顯的應力集中現象，再加上金具接觸的位置是未知的，增加了安全銷極限狀態求解的復雜性。

安全銷失效分析是三重非線性問題的彈塑性分析，本文采用實體單元對安全銷進行有限元模型分析，考慮了材料的非線性，幾何非線性以及接觸的狀態非線性。利用增量加載法來研究安全銷的極限承載力。

3 安全銷、碗頭掛板和聯板整體有限元模型的建立

選取的5A-ZM4型500kV直線貓頭輸電塔的塔型，根據500kV單串懸垂絕緣子串（組合聯板加均壓環）組裝規范，以及GB700—79《普通碳素結構鋼技術條件》選擇碗頭掛板型號為WS-16，聯板型號為LL-1645，碗頭掛板和聯板的示意圖如圖1所示。

根據現行的金具材質及適用范圍，碗頭掛板、聯板采用抗拉強度不低于375N/mm2的Q235鋼制造；起到六角頭帶銷孔螺栓作用的安全銷如采用Q235鋼，采用理想彈塑性模型，達到屈服后，整個截面無限變形，會出現剛體位移，考慮到安全銷受力一般較碗頭掛板和聯板嚴重，在塔線分離控制荷載為130kN的極限狀態下，參照表1的要求，起著六角頭帶銷孔螺栓作用的安全銷選用改制的屈服強度為640的8.8級六角頭螺栓。進而建立安全銷、碗頭掛板和聯板的整體幾何模型。

表1 破壞荷載與相應的螺栓強度

圖1 碗頭掛板和聯板示意圖

圖2 安全銷位置及尺寸示意圖

圖3 整體網格劃分圖

圖4 安全銷網格劃分圖

4 安全銷的失效分析

在ANSYS中計算得到的安全銷等效應力云圖如圖5至8所示，從圖中可以看出安全銷應力從安全銷軸中心向外逐漸減小，而在槽處由于應力集中的影響應力發生突變，應力最大位置是槽處。在加載初期，安全銷受剪力的影響較大，隨著荷載的增加，安全銷受彎矩的影響越來越明顯，在彎矩、剪力的共同作用下，安全銷逐漸達到屈服，直至破壞。

圖5 P=1%Pu安全銷的等效應力分布圖

圖6 P=44%Pu安全銷的等效應力分布圖

圖7 P=94%Pu安全銷的等效應力分布圖

圖8 P=98%Pu安全銷的等效應力分布圖

在對安全銷應用二分法進行加載過程中，隨著荷載的逐漸增加，安全銷的變截面處的位移也相應地逐漸增大，當安全銷進入局部塑性狀態后，很小的荷載增量會引起很大的位移變化。當安全銷達到極限狀態時，位移將發生突變。記錄每一步加載的荷載、位移數值，由此繪出安全銷在增量加載過程中的荷載-位移關系，總體上來說，隨著荷載步的逐漸增大，相應荷載步的荷載增量卻在逐漸減小。圖9形象描述了安全銷在增量加載全過程中的荷載-位移響應。

圖9 安全銷的荷載-位移曲線

圖10 不同孔徑比下安全銷的荷載-位移曲線

圖11 安全銷孔徑比與極限承載力的關系圖

5 安全銷尺寸的調整

安全銷在外荷載作用下，由于環形切口處產生應力集中造成了截面的削弱使安全銷發生強度破壞，進而使塔線分離，保護鐵塔。所以，可通過調整安全銷的槽深，來達到安全銷極限荷載與塔線分離荷載的統一。

保持安全銷的直徑不變，為討論不同孔徑比對安全銷極限承載力的影響，最終確定能實現塔線分離的合理槽深，有限元建模的方法，利用ANSYS軟件，首先建立不同孔徑比下（孔徑比分別c=7.5%,c=10.0%以及c=12.5%）的安全銷、碗頭掛板和聯板的整體有限元模型。并分別選用增量加載法對各安全銷進行有限元分析，記錄增量加載每一步的荷載、位移數值，得到不同孔徑比下各模型的荷載-位移曲線，如圖10所示。

可以看出，在不同的孔徑比下，安全銷在加載初期的彈性階段的荷載位移曲線基本重合，說明安全銷在加載初期受應力集中的影響較小，局部的應力達到材料的屈服極限后，即使繼續加載，其應力也不會繼續增加，增加的荷載由其余截面承受，表現出荷載位移的線性關系。隨著荷載的繼續作用，孔徑比較大的安全銷最先發生屈服，荷載-位移曲線不再是線性關系，并且荷載增量逐漸減小，位移增量卻在逐漸增大，各荷載位移曲線的最高點即為不同孔徑比下安全銷的極限承載力。

根據不同孔徑比下的安全銷的荷載-位移曲線，建立安全銷的孔徑比與安全銷極限承載力的關系圖（如圖11所示）。

安全銷的孔徑比與安全銷極限承載力的關系圖，直觀的展現了兩者之間的關系，安全銷的孔徑比對安全銷極限承載力的影響顯著，為安全銷合理尺寸的確定提供了有益的參考。為了既保證安全銷能夠在危險情況下及時斷開防止倒塔，而又不影響正常工作，塔線分離控制荷載由不均勻荷載，也可以用不均勻覆冰來控制，確定當導線不均勻覆冰時導線覆冰厚度為22mm時塔線分離，此時的塔線分離控制荷載為130kN。由圖11可以看出，當安全銷其他參數保持不變時，隨著孔徑比的增大，安全銷的極限承載力下降，彈性極限也逐漸減小，當安全銷孔徑比為12.5%時，安全銷極限荷載為128kN,在一定的安全裕度內，能夠在導線不均勻覆冰厚度達到22mm時安全銷發生強度破壞，可以起到塔線分離保護鐵塔的作用。

6 建議及展望

安全銷的后續設計中，如考慮安全銷在動荷載作用下疲勞造成的影響，參考安全銷在動荷載作用下發生疲勞斷裂時的極限承載力對安全銷進行設計，其結果將更加接近安全銷的實際工作狀況。

為了得到適合不同的塔型和線路電壓等級下的合適的安全銷的尺寸，有必要結合相應電壓等級下懸垂絕緣子串的規格及GB/T2315-1999《電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》有關規定，依照GB700—79《普通碳素結構鋼技術條件》選擇合適的碗頭掛板和聯板的規格，建立安全銷與特定線路的聯系，研發出適合不同塔型、檔距等工程條件的防災減災過載保護金具安全銷的規格。

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