基于有限元的強風區斷路器復合空心套管振動仿真

趙海鵬，蔡 晶，石海珍，王金銅，蔣向榮，申子魁，賈志東，張豪峰

（1.國網新疆電力公司檢修公司，烏魯木齊 830000； 2.清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

基于有限元的強風區斷路器復合空心套管振動仿真

趙海鵬1，蔡 晶1，石海珍1，王金銅1，蔣向榮1，申子魁2，賈志東2，張豪峰2

（1.國網新疆電力公司檢修公司，烏魯木齊 830000； 2.清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

高壓出線套管主體在強風下會出現形變以及振動，憑借線路絕緣子經驗，形變會導致應力集中以及電場畸變。本文通過有限元分析軟件ANSYS對750kV斷路器復合空心套管開展流-固耦合仿真，探討了復合套管在強風中的形變幅度、應力分布以及振動模態。應力集中區域應該在以后的檢修工作中重點檢查。

復合空心套管；強風形變；應力分布；模態分析

引言

高壓套管作為高壓引出裝置，是變電站的關鍵設備之一。復合空心套管憑借高抗拉強度、不易爆炸、抗污閃等優點得到廣泛的應用。近年來，全球變電站復合絕緣子的占比越來越高，2016年全球變電站復合絕緣子的占比約為35 %，預計2020年，該比例將超過50 %。首批復合套管投運已近10年，逐漸暴露出一些問題。新疆地區為強風氣候，風速甚至可以達到50 m/s，曾經出現過斷線、線路絕緣子傘裙撕裂以及倒塔等事故，給電網安全運行帶來很大隱患。750 kV斷路器出線套管長度約8 m，在強風中周期性振動，可能會出現材料疲勞或者界面缺陷。利用有限元分析軟件ANSYS對套管開展流-固耦合仿真，分析套管在風壓下的形變幅度以及振動模態，找出應力集中區域，為檢修工作提供參考。

1 仿真環境

仿真工作基于ANSYS軟件，由于套管整體形變量小，對流場的影響可以忽略不計，所以開展單向流-固耦合的風荷載數值模擬，主要分析套管主體在大風作用下的形變、應變以及應力，涉及的模塊為CFX和Static Structural，原理是先假定套管為剛體，計算大風在其表面產生的壓強；然后計算套管在風壓下的狀態。此方法相較雙向流-固耦合計算量小，適合幾何尺寸大且形變幅度小的結構體仿真。

2 仿真計算模型

2．1 空心復合套管計算模型

圖1 套管承受力矩隨風向角度的變化

圖2 750 kV出線套管3維剖面圖

表1 材料的力學參數

750 kV空心復合套管的結構高度8.69 m，考慮頂部均壓環高度約為9.35 m。如圖1所示，斷路器出線套管結構包括為起支撐作用的玻璃纖維增強環氧樹脂（FRP）芯體和外部HTV傘裙護套，內部的導電桿為空心鋁合金材質。底部法蘭位置的內部為雙屏蔽電極用以均衡電場。仿真所需的材料參數如表1所示。

斷路器出線套管與豎直方向夾角約14～17°，不同方向的來風會有不同的迎風面積。通過計算可知，當風向與套管軸向垂直時，產生的風壓最大，套管主體的形變量最大，如圖2所示。仿真過程中，套管為豎直方向，風向從左到右。由于套管的傘裙短小密集，且傘傾角較小，對強風引起的主體振動影響不大，故仿真過程中忽略傘裙降低運算所需內存。

2．2 流場計算模型

流場為30 m×20 m×30 m的長方體，即套管上下左右各預留10 m，前面預留10 m，后面預留20 m。流體默認為空氣，密度為1.18 kg/m3，設置風速為40 m/s。忽略重力對流體的影響。

3 仿真結果分析

3．1 仿真現象

圖3 套管在40 m/s風載荷下的形變

從仿真結果圖3可以看出，套管主體在40 m/s的風載荷作用下在風速方向上發生了形變，且越往上形變量越大。頂部均壓環位置位移最大，最大值達到了10.38 mm。

圖4是套管的玻璃鋼芯體所承受的應力（von-Mises）云圖。（a）圖是迎風面，（b）圖是背風面。其中應力主要分布在形變發生的方向，即垂直紙面的方向，兩個側面應力較小。迎風面的應力大小要整體大于背風面的應力值。在迎風面，應力主要集中于套管與法蘭連接處的靠上部位，最大值達到2.80 MPa。以最大值為中心，向四周逐漸減小，最小值也有1.03 MPa。背風面的應力分布形式與迎風面類似，只是應力達到～2.80 MPa的區域面積較小。比較有趣的是，在套管與法蘭連接的部位，玻璃鋼管的應力值很小，如（c）圖所示。

3．2 模態分析

表2 預應力下套管的特征頻率

運行現場套管主體在強風中會發生振動，振型由套管的結構特性決定。當風速所含頻率與套管的特征頻率接近時，會發生共振現象。此時套管的振動幅度較大，可能會造成機械損傷甚至危害到斷路器的正常工作。所以研究套管的特征頻率以及振動模態具有實際工程意義。

在施加風載荷的情況下，對套管結構做由預應力的模態分析，提取前6階模態，頻率如表2所示。

其中2n-1階與2n階頻率接近，這是套管在兩個正交方向的振動模態。風載荷的存在導致二者的頻率產生差異，風速方向的振動頻率相比下降，但二者的振動形態相同，本文只偶數階也就是風速方向的振動。自然風速譜的能量密度基本在0～3 Hz范圍內，所以6階模態（～23 Hz）可以忽略。

圖5給出了2階和4階的振動形變云圖。

2階模態，越往上部振動幅度越大，與之前的靜力分析一致，此時應力集中區位于底部法蘭上部的FRP管。4階模態，FRP管整體靜止，而內部導電桿發生振動，且兩端為波節，中間為波腹，位移幅度最大。此時應力集中區域在導電桿，FRP管應力較小。

4 結論

本文通過對750 kV斷路器出線套管開展單向流-固耦合仿真以及施加預應力的模態分析，得出以下結論：

圖4 套管的應力分布圖

圖5 套管振動形變云圖

1）高壓套管在強風中會發生形變，形變量在厘米量級。形變引起的最大應力集中于FRP管與法蘭連接處的上部，最大值達到2.80 MPa。

2）存在風載荷的情況下，套管的低頻模態有兩種，一種的振型為套管振動，越往上部振幅越大；另一種的振型為套管不動，內部導電桿振動，端部為波節，中間為波腹。

高壓出線套管為變電站的重要設備，監測與檢修應更有針對性。FRP管與底部法蘭連接處的上部是缺陷的高發區，也是檢修應該注重的區域。同時應該在強風區監測套管的振動信號，對套管的共振現象發出預警或者采取相應措施。

[1]侯億暉.輸電塔風振響應分析及結構內力計算[D]. 成都:西南交通大學, 2016.

[2]趙桂峰,李杰 等.高壓輸電塔線耦聯體系風振響應有限元分析與現場實測對比研究[J].自然災害學報,2014(01): 64-74.

[3]陶嗣巍, 樹木風振特性試驗研究與有限元分析[D]. 北京林業大學, 2013.

[4]盧旦,李承銘,王國儉.上海金茂大廈風振響應的CFD非穩態數值模擬分析[J]. 土木工程學報, 2008(08):31-35.

[5]孔德怡,李黎 等.特高壓架空輸電線微風振動有限元分析[J].振動與沖擊, 2007(08): 64-67+170.

[6] Epackachi, S., et al., Mechanical behavior of electrical hollow composite post insulators: Experimental and analytical study [J]. Engineering Structures, 2015. 93: 129-141.

Simulation on Vibration of Circuit Breaker’s Composite Hollow Insulators under Strong Wind Based on Finite Element Method

SHI Hai-peng1, CAI Jing1, SHI Hai-zhen1, WANG Jin-tong1, JIANG Xiang-rong1, SHEN Zi-kui2, JIA Zhi-dong2,ZHANG Hao-feng2
(1. Xinjiang Power Supply Company Maintenance Company, Urumqi 830000;2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, 518055)

The deformation and vibration of the high-voltage composite hollow insulators under strong wind will lead to stress concentration and electric field distortion. In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to simulate the deformation amplitude, stress distribution and vibration mode of the bushing in strong wind. Stress concentration area should be especially examined in the future maintenance work.

composite hollow insulator; strain, stress distribution；modal analysis

TM216

A

1004-7204(2017)04-0076-04

趙海鵬，男，助理工程師，主要從事電氣設備絕緣檢測方面的研究工作；

蔡晶(1964)，男，高級工程師，研究方向為變電設備檢修；

石海珍（1965），男，高級工程師，主要從事輸變電工程運維及電氣絕緣方面的研究工作；

賈志東（1966），男，教授，博士生導師，主要從事外絕緣研究。

申子魁（1994），男，博士生，主要從事外絕緣研究。