基于LMS 高壓斷路器絕緣支撐疲勞可靠性分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

李小蘭 朱科軍* 羅 斌 雷先明 陳志剛

（ 1、邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽422000 2、邵陽學(xué)院高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽422000）

作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一, 高壓斷路器肩負(fù)著控制和保護(hù)雙重任務(wù),通過對高壓斷路器發(fā)生故障后果的統(tǒng)計(jì)表明,平均每次斷路器事故造成數(shù)百萬千瓦時的電量損失[1-2]。高壓斷路器常見的機(jī)械故障有傳動機(jī)構(gòu)變形、電磁鐵卡澀、曲柄卡滯、鎖扣失靈、螺絲松動、部件破裂等[3-5]。由于缺乏對斷路器機(jī)械故障機(jī)理的研究,況且故障與征兆之間對應(yīng)關(guān)系復(fù)雜,各種狀態(tài)之間界限模糊，斷路器及其操動機(jī)操動機(jī)構(gòu)種類多種多樣,涉及到多學(xué)科知識,很難找到通用性較好的方法[6-8]。本文所處理的絕緣子易斷裂故障也是困擾某企業(yè)生產(chǎn)的難題之一，企業(yè)生產(chǎn)的高壓斷路器的絕緣子斷裂并不具隨機(jī)性，總是發(fā)生在同一個身上，因此有必要對高壓斷路器的部件絕緣子的可靠性進(jìn)行研究，對其壽命進(jìn)行預(yù)測，探明其發(fā)生故障的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。

1 斷路器的瞬態(tài)響應(yīng)分析

由于瞬態(tài)分析非常耗費(fèi)計(jì)算資源，計(jì)算速度非常慢，故本節(jié)只取一組斷路器進(jìn)行瞬態(tài)沖擊過程分析，以得到產(chǎn)品動作過程中，主要構(gòu)件（包括底架、金屬及絕緣殼體、絕緣支撐件等）在動載荷作用下的應(yīng)力分布情況；尤其是破壞件絕緣支撐件2 的應(yīng)力分瞬態(tài)分析模型如圖1 所示。

圖1 瞬態(tài)分析模型圖

參照工程上常用的瞬態(tài)分析方法，將載荷其形式設(shè)為半正弦形式，如下圖2 所示。

圖2 分閘瞬態(tài)響應(yīng)載荷設(shè)置圖

分閘過程中在瞬態(tài)沖擊下，斷路器整體結(jié)構(gòu)各個零件（除絕緣子1 與絕緣子2）瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)力均比較低，遠(yuǎn)低于所用材料強(qiáng)度，因此，可以認(rèn)為整體結(jié)構(gòu)各個零件（除絕緣子1 與絕緣子2）較為安全。而整機(jī)其他部分如支架等也未發(fā)現(xiàn)危險。下面著重考慮絕緣子的情況。圖3 是分閘狀態(tài)下，分閘時絕緣子1（左）和絕緣子2（右）應(yīng)力。

圖3 分閘時絕緣子1（左）和絕緣子2（右）應(yīng)力分布圖

同樣的，對于合閘狀態(tài)下，圖4 是分閘狀態(tài)下，分閘時絕緣子1（左）和絕緣子2（右）應(yīng)力。

圖4 合閘時絕緣子1（左）和絕緣子2（右）應(yīng)力分布圖

由上面計(jì)算結(jié)果可以得到，在斷路器操作過程中的沖擊作用下，絕緣子2 危險處應(yīng)力在分閘時為63MPa，合閘時為41MPa。而對絕緣子1，其危險處應(yīng)力在分閘時為2.37MPa，合閘時為1.55MPa，可見，絕緣子2 應(yīng)力高，容易發(fā)生故障。

2 基于LMS Durability 的壽命預(yù)測

由于絕緣子2 應(yīng)力高，因此有必要對其進(jìn)行壽命預(yù)測，在此采用LMS Durability 輸入材料的基本材料信息，按照如下流程進(jìn)行分析：(1)應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入；(2)生成耐久性應(yīng)力壽命分析；(3)輸入材料的參數(shù)值；(4)設(shè)置相關(guān)的疲勞參數(shù)；(5)運(yùn)行疲勞計(jì)算。通過Generate Image 查看疲勞壽命。疲勞壽命顯示的是因?yàn)槠谧饔弥钡绞У难h(huán)次數(shù)，得到的疲勞壽命云圖如下：

圖5 絕緣子2 疲勞壽命云圖

由壽命云圖可知，該絕緣子2 最先出現(xiàn)疲勞損壞的部分同樣在危險截面處，與瞬態(tài)沖擊分析的結(jié)果相互印證，其壽命最短為1300 次應(yīng)力循環(huán)，考慮到實(shí)際試驗(yàn)中每次應(yīng)力循環(huán)包括分閘和合閘2 次，即表示650 次絕緣子開始斷裂。這企業(yè)對該斷路器工作時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，企業(yè)測得為620 次左右發(fā)生斷裂。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化

將絕緣支撐2 的功能分離，增加專門的承力件，將絕緣子2的承力功能與密封等其它功能分離。即：絕緣子2 通過軟連接和單相斷路器本體相聯(lián)，只承擔(dān)密封和使運(yùn)動部件通過的功能，而工作過程中的沖擊力由增加的專門承力件來承受。對結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的斷路器在分閘、合閘時的瞬態(tài)響應(yīng)和諧響應(yīng)均進(jìn)行了分析計(jì)算，這里取瞬態(tài)分析時絕緣子危險處的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)前后對比。對于分閘工況，改進(jìn)前絕緣子2 的危險處應(yīng)力為63Mpa（絕緣子1 為2.37MPa）。改進(jìn)后絕緣子1 的危險處應(yīng)力為1.21MPa，而新絕緣子2 的危險處應(yīng)力為1.24MPa。對于合閘工況，改進(jìn)前絕緣子2 的危險處應(yīng)力為近41Mpa（絕緣子1為1.55MPa）。改進(jìn)后為絕緣子1 的危險處應(yīng)力為1.03MPa，而新絕緣子2 的危險處應(yīng)力為1.05MPa。

表1 斷路器系統(tǒng)整體瞬態(tài)響應(yīng)分析表

通過上面的數(shù)據(jù)比較可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，受力絕緣子的應(yīng)力在分閘時減小了近50 倍（即：安全系數(shù)提高近50 倍），在合閘時應(yīng)力減小了近40 倍，從而驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度來分析可以認(rèn)為，改進(jìn)后絕緣子支撐組變得安全了，方案是可行的。

4 結(jié)論

本文針對高壓斷路器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模、靜態(tài)強(qiáng)度校核、瞬態(tài)分析、壽命預(yù)測，在此基礎(chǔ)上對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，得到以下結(jié)論：

4.1 該斷路器的靜強(qiáng)度滿足使用要求。

4.2 絕緣支撐2 在瞬態(tài)沖擊下應(yīng)力高，其高應(yīng)力區(qū)也位于實(shí)際斷裂發(fā)生處，這與實(shí)際故障發(fā)生的位置相符。

4.3 絕緣支撐2 壽命最先出現(xiàn)疲勞損壞的部分同樣在危險截面處，與瞬態(tài)沖擊分析的結(jié)果相互印證。

4.4 通過將絕緣支撐2 的功能分離，增加專門的承力件，將絕緣子2 的承力功能與密封等其它功能分離，實(shí)驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)方案可行，滿足了斷路器的性能使用要求。