基于ANSYS 的六分裂導(dǎo)線間隔棒受向心力分析

肖 聰

（中國電建集團(tuán)電力器材有限公司，北京 100048）

近年來，我國高壓輸電線路發(fā)展迅速，尤其是特高壓線路工程建設(shè)日新月異。電壓等級(jí)的不斷攀升，大大提升了電網(wǎng)整體的輸送能力，但隨之也帶來了線路電暈增強(qiáng)和電抗增大等問題。在此背景下，分裂導(dǎo)線應(yīng)運(yùn)而生，即每相導(dǎo)線由幾根直徑較小的分裂導(dǎo)線組成，各分裂導(dǎo)線間隔一定距離并按對(duì)稱多角形排列，布置在正多邊形的頂點(diǎn)上[1]。如我國特高壓輸電線路中，±800 千伏常采用六分裂導(dǎo)線的布置方式。

間隔棒作為分裂導(dǎo)線必不可少的保護(hù)金具，被安裝在分裂導(dǎo)線上，固定各分裂導(dǎo)線間的間距，以防止子導(dǎo)線之間相互鞭擊，同時(shí)抑制微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩[2]。因此，間隔棒最基本的要求是要有良好的力學(xué)性能以保證可靠的機(jī)械強(qiáng)度，足夠承受由于短路電流引起的向心力，在發(fā)生最大短路電流時(shí)，能夠支撐各子導(dǎo)線之間的間距，防止互相碰擊。分裂導(dǎo)線子導(dǎo)線間的短路向心力極易引起間隔棒的機(jī)械破壞，嚴(yán)重威脅線路運(yùn)行的安全。分析分裂導(dǎo)線間隔棒的受向心力力學(xué)性能，確保間隔棒在生產(chǎn)供貨前能順利通過向心力驗(yàn)證型式試驗(yàn)，對(duì)提升生產(chǎn)經(jīng)營經(jīng)濟(jì)性，提高輸電線路安全性具有重要意義。

1 有限元法及ANSYS軟件介紹

有限元法是目前工程領(lǐng)域中最常用的數(shù)值模擬方法，其基本理念是單元化和節(jié)點(diǎn)化，即將復(fù)雜模型簡化為一個(gè)個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)，再利用網(wǎng)格和施加外載荷來求解。通過連續(xù)結(jié)構(gòu)離散化數(shù)值計(jì)算，以有限未知量的近似離散系統(tǒng)去逼近無限未知量的真實(shí)連續(xù)系統(tǒng)，有限元法具有適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)算精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中分析靜力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的重要手段[3]。而ANSYS 軟件是最通用的有限元分析軟件，基于與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，ANSYS 軟件可以將圖形學(xué)和有限元分析結(jié)合一起，提供可靠的有限元分析結(jié)果，并顯示結(jié)構(gòu)件的變形圖和應(yīng)力云圖等[4]。

本文針對(duì)受向心力的六分裂間隔棒的力學(xué)性能，運(yùn)用ANSYS 軟件的有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算，使得間隔棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再單純依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，對(duì)結(jié)構(gòu)的分析也不僅憑試驗(yàn)情況來確定。我們可以將有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，利用ANSYS 軟件提供的可視化技術(shù)實(shí)時(shí)觀察計(jì)算分析結(jié)果，全面掌握間隔棒結(jié)構(gòu)的受力情況，更好的對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2 間隔棒向心力計(jì)算原理

間隔棒在輸電線路短路情況下，分裂導(dǎo)線受電磁作用將產(chǎn)生較大的向心壓力，即向心力。向心力使間隔棒受壓，是其承受的主要機(jī)械載荷。

輸電線路分裂導(dǎo)線的短路向心力的計(jì)算，國際上多采用馬努·佐（C.Manu-zio）公式[5]：

n——按圓周均勻分布的子導(dǎo)線根數(shù)；

H——一根子導(dǎo)線的張力，N；

s——子導(dǎo)線分布所在圓周的圓直徑，m；

d——子導(dǎo)線直徑，m。

或按國內(nèi)間隔棒的向心力計(jì)算公式[5]：

張子翔：畫院應(yīng)該通過深化內(nèi)部改革，首先將領(lǐng)導(dǎo)班子建設(shè)好，沒有好的帶頭人一切無從談起。要按照事業(yè)單位人事制度改革的要求，建立崗位目標(biāo)責(zé)任制，明確細(xì)化權(quán)利和義務(wù)；實(shí)行雙向選擇，通過全員聘任制，建立新型的畫師與畫院的關(guān)系。畫院必須在創(chuàng)作研究、考核獎(jiǎng)懲、財(cái)務(wù)管理、展覽展示等各個(gè)方面，有一套符合各畫院特點(diǎn)的管理制度，鼓勵(lì)干事的，鞭策混事的，懲治壞事的。

式中：F——短路電流向心力，N；

n——分裂導(dǎo)線根數(shù)；

s——分裂導(dǎo)線間距，m；

d——子導(dǎo)線直徑，m。

3 間隔棒受向心力情況仿真分析

3.1 間隔棒相關(guān)參數(shù)

選取±800 千伏特高壓輸電線路常用間隔棒型號(hào)FJZ-650/48D，分裂導(dǎo)線數(shù)為六分裂，分裂間距500mm，適用導(dǎo)線外徑48mm。

3.2 間隔棒計(jì)算模型

圖1 六分裂間隔棒原始模型圖

為便于計(jì)算，將間隔棒的原始模型進(jìn)行簡化，其處理流程為：首先進(jìn)行幾何簡化，將原始圓周對(duì)稱模型取其1/6，由ANSYS 軟件的特性和間隔棒向心力的受力情況分析可知，對(duì)六分裂間隔棒的其中一個(gè)握頭進(jìn)行仿真分析即可得出所需的結(jié)果；其次進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，將螺栓及螺母的螺紋進(jìn)行簡化，將線夾中的橡膠墊進(jìn)行簡化，以去掉非線性部分，這些簡化對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響可以忽略不計(jì)。模型的簡化可以極大地減少計(jì)算量，得到最終計(jì)算模型如下圖2 所示。

圖2 六分裂間隔棒結(jié)構(gòu)計(jì)算最終模型

3.3 模型材料參數(shù)的確定

間隔棒模型主要構(gòu)成部分，框架、線夾本體、線夾壓板和十字軸的材料為鋁合金ZL104，橡膠柱材料為AB1#，此處采用Rubber 線性等效，螺栓及螺母均采用不銹鋼材料1Cr18Ni9，開口銷采用不銹鋼材料0Cr18Ni9，各種材料對(duì)應(yīng)的參數(shù)如下表1所示。

表1 間隔棒各部件采用材料參數(shù)表

3.4 有限元模型建立

圖3 自動(dòng)生成28 對(duì)接觸對(duì)信息

將簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，并設(shè)置接觸對(duì)。為避免計(jì)算冗余，使用workbench 平臺(tái)中自動(dòng)探測(cè)各模型體之間的接觸對(duì)并生成，得到結(jié)果共生成28 個(gè)接觸對(duì)，其信息如下圖3所示。

檢查模型體之間的接觸面，手動(dòng)添加并設(shè)置遺漏的接觸對(duì)，如下圖4 所示。

圖4 手動(dòng)添加接觸對(duì)

在ANSYS workbench 平臺(tái)中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格控制，為提高計(jì)算效率，對(duì)線夾部分和框架部分均采用Path Independent 劃分四面體網(wǎng)格，用Element Size 控制網(wǎng)格單元尺寸5mm，得到有限元網(wǎng)格模型如下圖5 所示。結(jié)果共生成204676 個(gè)節(jié)點(diǎn)，124449 個(gè)單元。

圖5 間隔棒有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.5 模型載荷及邊界條件

在間隔棒有限元模型框架對(duì)稱邊界面上，施加固定約束；對(duì)連接線夾本體和框架的螺栓施加預(yù)緊力5kN，將分析步設(shè)置為2，第一個(gè)載荷步施加預(yù)緊力，持續(xù)時(shí)間1s，第二個(gè)載荷步鎖定預(yù)緊力，持續(xù)時(shí)間0.2s；對(duì)線夾本體和壓板擋板內(nèi)部面上施加向心力，方向指向幾何中心。有限元模型載荷及邊界條件設(shè)置完畢，如下圖6 所示。

圖6 間隔棒有限元模型載荷及邊界條件設(shè)置情況

3.6 間隔棒仿真分析計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過ANSYS 軟件計(jì)算分析，得到間隔棒變形云圖結(jié)果如下圖7 所示。

間隔棒應(yīng)力云圖結(jié)果如下圖8 所示。

圖8 間隔棒應(yīng)力云圖

由分析結(jié)果可以看出，應(yīng)力較大部位出現(xiàn)在線夾鉸鏈銷出，十字軸和螺栓等處也出現(xiàn)了相應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)域。分析結(jié)果反應(yīng)了間隔棒受向心力作用下的應(yīng)力及變形情況，為結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）本文介紹了特高壓輸電線路中分裂導(dǎo)線采用的間隔棒受向心力計(jì)算求解方法。

（2）利用ANSYS 有限元分析軟件實(shí)現(xiàn)了特高壓輸電線路六分裂間隔棒的有限元模型的監(jiān)理，并在ANSYS 軟件Workbench平臺(tái)中，分析了間隔棒受向心力的力學(xué)性能，分析結(jié)果反應(yīng)了間隔棒應(yīng)力及變形情況，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

（3）本文只對(duì)六分裂間隔棒受向心力情況進(jìn)行了定性分析，其他類型間隔棒受力等情況仍需另作分析。