一種電子式互感器二次出線結構的可行性分析

張超軍，江經華，李俊鋒，孫清超

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

1 概 述

通過電子式電流互感器與傳統電流互感器二次出線結構的對比分析，指出傳統電流互感器的二次出線不能滿足電子式互感器小型化發展需求，并結合電子式互感器二次出線的結構和特點，提出用新型電連接器代替傳統二次接線盤，同時對其可行性進行分析

正常工況下，傳統電磁式電流互感器二次出線輸出電壓近乎為0、電流為標準值1 A/5 A，但是在二次側開路情況下會有高電壓產生。為了避免二次側高電壓產生的危害，一般二次接線盤普遍采用環氧樹脂澆注式結構，如圖1所示。此結構一般二次絕緣距離大、比較笨重，不能滿足電子式互感器產品對小型化、智能化的發展需求。電子式互感器出線盒內需要放置采集器、電源模塊、充放氣接頭等，空間狹小（如圖2所示，圖2為配套GIS用電子式互感器出線模塊），現有的二次出線方式不能滿足產品的使用要求。

圖1 澆注式接線盤

電子式互感器采用羅氏線圈結構，不同于傳統的電磁式鐵芯結構，不存在磁飽和問題，因此沒有二次側開路過電壓的問題[1]。電子式互感器的二次線圈輸出功率很小（通常為毫伏級、毫安級），直接供給二次采集器使用。因此，二次接線盤可以做得很小，能夠大大縮小出線盤的空間位置。綜合考慮以上特點，在產品設計中選用插針型電連接器，如圖3所示。該電連接器采用卡口式連接，具有快速連接、連接可靠、體積小、接觸偶密度高等優點。互感器線圈二次引出線焊接在電連接器插座上，電連接器插座固定在互感器筒體上，然后信號線通過一個專用插頭把傳感器信號引出。

圖2 接線盒內布置圖

圖3 插針型電連接器外形圖

本電子式互感器產品配套GIS使用，需要考慮該連接器要承受互感器氣室0.4 MPa的額定SF6氣體壓力。所以，需要依據其外形尺寸和材質（如圖4所示）進行機械強度校核，以確認其受力情況和密封性能。

2 問題分析

在二次出線位置，電連接器承受來自產品本體0.4 MPa的SF6額定壓力。連接器尺寸較小，如果不能承受額定氣體壓力，在額定壓力條件下將會發生螺栓連接失效，危害產品和人身健康。因此，需要對電連接器進行強度校核，以保證連接的可靠性。該電連接器在0.4 MPa氣體壓力（相對壓力）的條件下工作，主要包括對電連接器緊固螺栓連接的受力分析和對接頭固定連接板的受力分析。

圖4 電連接器外形尺寸

3 簡化模型

無論電連接器形狀和內容結構如何，重點需核實插座連接板是否能承受正常工作時的額定氣體壓力。模型簡化后如圖5所示，電連接器簡化為連接板，材質為不銹鋼板12Cr13，母材材質為鋁材5052鍛胚，電連接器與母材的固定方式為螺栓連接，螺栓規格為M2.5×15。

圖5 簡化后模型圖

4 螺紋連接計算分析

模型簡化后可清晰知道，前文提到的問題其實就是對兩個危險截面的校核，一是螺栓連接的可靠性分析，二是3 mm法蘭板在0.4 MPa的氣體壓力下是否變形失效。由于是兩種不同材質的連接，故而鋁材螺紋孔的螺紋更容易變形失效（相對于鋼制螺栓而言）。明確問題后，查找機械設計手冊中螺栓強度設計的條件，可進行相應的校核計算。其中，用到的符號及其意義表述如下：F1為殘余預緊力；F0為預緊力（螺栓擰緊所用的力）；F為工作壓力。

根據機械設計手冊可知，常規情況下，有密封要求的螺栓連接，經驗公式為F1=（1.5～1.8）F，因此F1取 1.8F。

又知正常工作情況下連接板所受的工作載荷F為均布載荷，可知：

由于有4個螺栓，從而每個螺栓受力為F0：

而每個螺栓總拉力為：

在一般的強度計算中，對于塑性材料安全系數有行業經驗可知，通常取1.5～2[2]。鋼制螺栓旋合在鋁制的螺栓孔內，所以鋁制的螺紋孔在相同的壓力條件下更容易變形失效。校核螺栓連接的可靠性，也就是校核鋁制螺紋孔是否失效，危險截面在于鋁制的螺紋孔。查資料知，鋁材5052-H112抗拉強度大于190 MPa，取安全系數為S=2.0，從而許用應力[σ]=95 MPa。同時，查閱機械設計手冊可知，M2.5的螺栓標準小徑為d1=2.013 mm。此小徑處為受力最薄弱部位，螺栓受力時容易在此處斷裂失效。

于是，正常工作狀態下螺栓危險截面的最大應力為：

從以上計算可知，σca=77.36 MPa，此應力即為螺栓在0.4 MPa正常工作條件下所承受的最大應力，也即在正常載荷條件下螺紋孔所承受的最大應力。螺紋孔所受的最大應力小于鋁材的最小許用應力（σca＜[σ]=95 MPa），并留有相當的裕度，所以這樣的螺紋連接是穩定可靠的，能夠耐受住0.4 MPa氣體的壓力。

5 分析連接板受力

對于連接板的分析，由于模型和受力都比較簡單，可借助軟件進行有限元分析，結果如圖6所示。

圖6 連接板受力圖

可知，在0.4 MPa氣體壓力下，鋼制連接板承受應力為6.03 MPa，遠小于鋼質材料12Cr13的屈服應力350 MPa，滿足使用要求。后續對連接部位進行定性檢漏和定量檢漏，證明此連接器穩定可靠，不存在漏氣現象。

6 結 論

插針型電連接器是一種新型的電連接器，能夠較好地適應電子式互感器小型化的發展需求，同時傳輸信號穩定可靠，連接簡單方便，是電子式互感器二次出線的一個很好的出線方式。