高低溫條件下雙柱式隔離開關(guān)機(jī)械性能研究

師麗芳，劉 杰，姚燦江

（河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山 467001）

0 引言

隔離開關(guān)是一種沒(méi)有滅弧裝置的開關(guān)設(shè)備，主要用來(lái)斷開無(wú)負(fù)荷電流的電路，隔離電源，在分閘狀態(tài)時(shí)有明顯的斷開點(diǎn)，以保證其他電氣設(shè)備的安全檢修，在合閘狀態(tài)時(shí)能可靠地通過(guò)正常負(fù)荷電流及短路故障電流[1-5]。此外，雙母線接線中，隔離開關(guān)在其斷口兩端接近等電位的條件下，可以帶負(fù)荷進(jìn)行分合閘操作，進(jìn)行母線轉(zhuǎn)換[6-9]。

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)和國(guó)際市場(chǎng)的開發(fā)，隔離開關(guān)的使用環(huán)境隨之發(fā)生了較大的變化，尤其是在低溫覆冰的苛刻環(huán)境下，對(duì)隔離開關(guān)的機(jī)械性能要求相對(duì)較高，在低溫環(huán)境下操作隔離開關(guān)，容易發(fā)生操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)冰或結(jié)霜而導(dǎo)致機(jī)械故障，且在低溫環(huán)境下，隔離開關(guān)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑油脂性能退化，加上熱脹冷縮引起機(jī)械零件之間裝配間隙變化，易導(dǎo)致機(jī)構(gòu)卡滯，使超高壓隔離開關(guān)產(chǎn)生合閘不到位、動(dòng)作遲緩甚至分合操作失敗。

目前尚未見(jiàn)到國(guó)外關(guān)于隔離開關(guān)的低溫研究，國(guó)內(nèi)各大開關(guān)企業(yè)在東北也有低溫產(chǎn)品的運(yùn)行，但是沒(méi)有深入的低溫研究與數(shù)據(jù)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，對(duì)隔離開關(guān)低溫研究尚屬起步階段。

因此，本文借助現(xiàn)有的有限元分析軟件研究隔離開關(guān)應(yīng)力及變形隨溫度變化情況[10-12]，并重點(diǎn)分析隔離開關(guān)關(guān)鍵零部件受力及變形情況，同時(shí)，為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)相關(guān)零部件應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，為后續(xù)隔離開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)及工作原理

隔離開關(guān)按照絕緣支柱數(shù)量可分為單柱式、雙柱式、三柱式、五柱式和懸掛式，本文以雙柱式隔離開關(guān)為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙柱式隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of double column disconnector

雙柱式隔離開關(guān)主要包括支持底座、導(dǎo)電部分、絕緣子、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操作機(jī)構(gòu)，具體為支持底座、CJ11電動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直連桿裝配、瓷瓶底座裝配、絕緣子裝配、主閘刀裝配和靜觸頭裝配等結(jié)構(gòu)

雙柱式隔離開關(guān)整體結(jié)構(gòu)為機(jī)械手式的單臂折疊型，設(shè)計(jì)原理先進(jìn)，采用雙柱單臂折疊插入式結(jié)構(gòu)，支抗震性能優(yōu)越，其分合閘過(guò)程采用折疊伸縮運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)品操作靈活、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、性能可靠[13-16]。

2 隔離開關(guān)的機(jī)械性能仿真分析

進(jìn)行常溫下（20℃）雙柱式隔離開關(guān)在電機(jī)扭矩恒定時(shí)的靜力學(xué)分析，研究隔離開關(guān)整體及各部件的應(yīng)力與變形，分析其強(qiáng)度剛度是否滿足材料性能要求。

在動(dòng)觸頭接觸區(qū)域施加壓強(qiáng)，模擬最大的500 N夾緊力，對(duì)模型施加重力場(chǎng)，利用ABAQUS軟件的靜力分析來(lái)模擬實(shí)際工況，研究隔離開關(guān)整體機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形。

2.1 上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)仿真分析

雙柱式隔離開關(guān)上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)在夾緊力最大工況時(shí)的應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖如圖2所示。由圖可知，在23℃時(shí)，系統(tǒng)模型最大等效應(yīng)力為83.68 MPa，導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持部分的最大變形為16.22 mm，均小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足材料性能要求。

圖2 上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)應(yīng)力及變形云圖Fig.2 Stress and deformation nephogram of upper conductive tube and movingcontact clampingsystem

2.2 下部導(dǎo)電管仿真分析

在動(dòng)觸頭接觸區(qū)域施加壓強(qiáng)，模擬最大的500 N夾緊力并施加重力場(chǎng)，通過(guò)計(jì)算，獲得20℃下鋁制下部導(dǎo)電管在夾緊力最大工況時(shí)的應(yīng)力云圖及變形云圖如圖3所示。由圖可知，20℃下，下部導(dǎo)電管最大等效應(yīng)力為29.68 MPa，最大變形為0.990 7 mm，遠(yuǎn)小于下部導(dǎo)電管材料的屈服強(qiáng)度，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足材料性能要求。

圖3 下部導(dǎo)電管應(yīng)力及變形云圖Fig.3 Cloud diagram of stress and deformation of lower conductive pipe

2.3 箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)仿真分析

在動(dòng)觸頭接觸區(qū)域施加壓強(qiáng)，模擬最大的500 N夾緊力并施加重力場(chǎng)，通過(guò)計(jì)算，獲得20℃箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)在夾緊力最大工況時(shí)的應(yīng)力云圖及變形云圖如圖4所示。由圖可知，20℃下，箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力為183.38 MPa，最大變形為1.259 mm，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足材料性能要求。

圖4 箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)應(yīng)力及變形云圖Fig.4 Stressand deformation nephogramof internal mechanismof box

3 溫度對(duì)雙柱式隔離開關(guān)關(guān)鍵件機(jī)械性能影響研究

常溫下（20℃）進(jìn)行雙柱式隔離開關(guān)在電機(jī)扭矩恒定時(shí)的靜力學(xué)分析，分析后改變材料和溫度相關(guān)的材料參數(shù)，包括線膨脹系數(shù)、楊氏彈性模量、泊松比、比熱容、熱傳導(dǎo)率等，其他參數(shù)不變，進(jìn)行雙柱式隔離開關(guān)不同溫度下的靜力學(xué)分析，研究隔離開關(guān)整體及各部件的應(yīng)力與變形，分析其強(qiáng)度剛度是否滿足材料性能要求。

在動(dòng)觸頭接觸區(qū)域施加壓強(qiáng)，模擬最大的550 N夾緊力，ABAQUS分析采用靜力分析來(lái)模擬實(shí)際工況，得出-60℃、-40℃、0℃、+20℃、+60℃等溫度下關(guān)鍵件的應(yīng)力云圖和變形云圖。

不同溫度下上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)最大等效應(yīng)力如圖5所示，不同溫度時(shí)上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)變形情況如表1所示。

圖5 上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)應(yīng)力與溫度之間關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between stress and temperature of upper con?ductivetubeand movingcontact clampingsystem

表1 上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)最大變形Tab.1 Maximum deformation of upper conductive tube and movingcontact clampingsystem

根據(jù)圖5可知，上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)的最大等效應(yīng)力隨溫度的變化發(fā)生改變，但變化不大，由表1可知，不同溫度下，上導(dǎo)電管及動(dòng)觸頭夾持系統(tǒng)的最大變形不是恒定的值，當(dāng)溫度變化時(shí)，其最大值有波動(dòng)。

不同溫度下下部導(dǎo)電管最大等效應(yīng)力如圖6所示。由圖可知，下部導(dǎo)電管的最大等效應(yīng)力隨溫度的變化發(fā)生改變，但變化不大。不同溫度時(shí)齒輪軸變形情況如表2所示。由表可知，不同溫度下，箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)的最大變形不是恒定的值，當(dāng)溫度變化時(shí)，其最大值有波動(dòng)，最大變形量的變化將引起隔離開關(guān)零部件內(nèi)部產(chǎn)生和溫度相關(guān)的應(yīng)力，同時(shí)引起動(dòng)觸頭和銅棒之間夾緊力的變化。

圖6 下部導(dǎo)電管應(yīng)力與溫度之間關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curvebetween stress and temperature of lower conductivepipe

表2 下部導(dǎo)電管最大變形量Tab.2 Maximum deformation of lower conductive tube

不同溫度下箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力如圖7所示。由圖可知，箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)的最大等效應(yīng)力隨溫度的變化發(fā)生改變，但變化不大。不同溫度時(shí)齒輪軸變形情況如表3所示，由表可知，不同溫度下，箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)的最大變形不是恒定的值，當(dāng)溫度變化時(shí)，其最大值有波動(dòng)。

圖7 箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)應(yīng)力與溫度之間關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between stress and temperature of internal mechanismof box body

表3 箱體內(nèi)部機(jī)構(gòu)最大變形量Tab.3 Maximum deformation of internal mechanism of box

4 雙柱式隔離開關(guān)上導(dǎo)電管應(yīng)力試驗(yàn)研究

由上述分析可知，隔離開關(guān)上部導(dǎo)電管變形最大，因此本試驗(yàn)以上部導(dǎo)電管為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行應(yīng)力試驗(yàn)研究。

上導(dǎo)電管采用管材，考慮彎曲變形對(duì)導(dǎo)電管壁厚的影響，按照彎曲后管壁變化情況，結(jié)合雙柱式隔離開關(guān)產(chǎn)品工況，對(duì)上導(dǎo)電管進(jìn)行受力分析，此次受力分析，整根導(dǎo)電管管壁變化按相同進(jìn)行計(jì)算。

在上導(dǎo)電管上應(yīng)力較大位置的圓周方向選取8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，使8個(gè)測(cè)試點(diǎn)繞導(dǎo)電管周向均布，8個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的位置選擇如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)Fig.8 Test points

根據(jù)上面設(shè)定的8個(gè)測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)位置，在上導(dǎo)電管上選取8個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，在合閘狀態(tài)下對(duì)上導(dǎo)電管8個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行力了應(yīng)力測(cè)試。應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.4 Stress test data

將仿真數(shù)據(jù)于試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析如圖9所示。由圖可知，仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果接近，測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢(shì)一致。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差小于10%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明仿真結(jié)果正確。

圖9 應(yīng)力仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison between stress simulation value and test data

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）常溫下，對(duì)雙柱式隔離開關(guān)關(guān)鍵件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足材料性能要求。

（2）環(huán)境溫度變化時(shí)，關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形量均發(fā)生改變。

（3）常溫下對(duì)雙柱式隔離開關(guān)上導(dǎo)電管進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，計(jì)算獲得其應(yīng)力，將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所選8個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力結(jié)果均在仿真計(jì)算所獲得的上導(dǎo)電管最大應(yīng)力的范圍之內(nèi)，說(shuō)明了仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的一致性。并且針對(duì)隔離開關(guān)野外工作環(huán)境溫度的復(fù)雜性和多變性，在不能通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試時(shí)，可以通過(guò)仿真的方法進(jìn)行隔離開關(guān)相關(guān)性能的分析及出現(xiàn)故障時(shí)的故障排除，為進(jìn)一步優(yōu)化和提高隔離開關(guān)的性能提供技術(shù)支持。