GW27型隔離開關風致振動研究及可靠性分析

師麗芳， 劉杰， 楊秋蓉， 陳曉麗， 姚燦江

（平高集團有限公司，河南平頂山 467001）

0 引言

發展特高壓輸電可以推動國家清潔能源開發目標實現及清潔能源的高效利用，也可促進以電代煤和煤電布局優化，大幅度減少“三華”電網范圍內燃煤消耗，有效利用洗精煤和外來電力，提高已有電廠燃煤質量和利用效率，改善當地環境質量[1-3]。相對于超高壓輸電，特高壓輸電能夠大量節省輸電走廊，顯著提高單位走廊寬度的輸送容量和線路走廊的輸電效率，節約寶貴的土地資源。GW27型隔離開關作為特高壓換流站的主要設備，其結構的穩定性將直接影響電網運行的可靠性。

GW27型隔離開關采用水平回轉式結構，此類型隔離開關為雙斷口配置，且在超特高壓換流站中應用廣泛。GW27型隔離開關屬于特高壓輸電設備，且產品相對地面較高，運行環境較惡劣，在微風載荷的影響下，易發生導電桿振動現象[4-6]。如某特高壓換流站水平回轉式隔離開關在分閘過程中，在3～4級風作用下，導電桿出現振動，因此，為了解決導電管在風載荷作用下的振動問題，進行導電桿振動原因分析，建立相應的簡化模型，進行模態和力學性能分析，并提出相應的解決方案，為提高電網運行可靠性提供技術支撐。

1 GW27型隔離開關結構與原理

GW27型隔離開關是由底座裝配、絕緣子、主閘刀系統和接地開關系統等5部分組成。GW27型隔離開關合閘時，導電桿先隨旋轉瓷瓶一起轉動，導電桿前端的動觸頭進入靜觸頭后被靜觸頭的底板阻擋，導電桿不再隨旋轉瓷瓶一起轉動，此時導電桿翻轉系統迫使導電桿繞自身軸線旋轉，直至動觸頭成直立狀態與靜觸指完全接觸，實現合閘。分閘則是相反的運動過程。GW27型隔離開關結構如圖1所示。

圖1 GW27型隔離開關圖

2 風速及渦激頻率計算

通過現場觀測及后期原因分析可知，在風載荷作用下GW27型隔離開關導電管背風側產生卡門渦街，導致導電管產生振動。這種渦激振動與導電管的固有頻率相關，也和風載荷對導電管振動的渦激頻率有關，所以對風載荷渦激頻率及整機模態進行計算分析[7-8]。

采用頻率上、下限和斯特勞哈爾定律進行渦激頻率計算：

式中：Sr為斯特勞哈爾數，圓柱體一般為常數，取0.2；v為風速；D為圓柱體直徑。

采用國際通用的蒲福風力等級，風力等級與GW27型隔離開關導電管渦激頻率對應關系如圖2所示。

圖2 風級與導電管渦激頻率關系圖

3 GW27型隔離開關導電桿模態分析

3.1 模型簡化

由于原模型中包含大量的倒角、圓角、螺栓連接件，首先對其進行模型簡化，然后再進行模態分析。GW27型隔離開關模型簡化如圖3所示。

圖3 GW27型隔離開關簡化模型

通過分析可知，GW27型隔離開關模型支柱部分對導電管固有頻率結果影響不大，采用等效替代的原則，對導電管部分添加約束，同時考慮到計算機資源和仿真結果的準確性，僅對導電管部分進行模態分析，其相應的結構簡化如圖4所示。

圖4 GW27型隔離開關導電管簡化模型

3.2 模態分析

通過ANSYS有限元模態分析，計算前20階模態，計算結果如表1所示[9-11]。GW27型隔離開關前6階振型如圖5所示。

圖5 GW27 型隔離開關前6 階振型圖

表1 GW27型隔離開關前20階固有頻率

通過表1和圖5對比分析可知，第4階模態振型為導電管兩端的上下振動，其對應固有頻率為3.5 Hz。與現場反饋情況基本一致，因此認定是第4階固有頻率引起的振動。

根據風速及渦激頻率計算可知，GW27型隔離開關第4階固有頻率在2級風引起的渦激頻率范圍內，因此初步認定由2級風引起GW27型隔離開關導電管振動。

4 GW27型隔離開關優化設計

4.1 GW27型隔離開關減振措施

通過風速渦激頻率及模態分析可知，是2級風引起的渦機共振。現在擬采用一種在導電管中添加1根松弛的鋼芯鋁絞線的方案，此方案通過鋼芯鋁絞線導電管管壁之間形成摩擦和沖擊來達到減振的目的[12-13]。

通過在導電管中加入與導電管等長度的鋼芯鋁絞線，直徑為28 mm，利用有限元諧響應仿真分析，得到0～5 Hz范圍內的頻率響應，結構修改前后在二級風激勵下導電管的響應幅值對比如圖6所示。

由圖6可知，在原導電管中，加入一直徑為28 mm、等長度的鋼芯鋁絞線后，在2級風激勵下的導電管兩端的振幅為17.88 mm，振幅下降75.55%，減振效果良好。

圖6 二級風激勵下導電管振動幅值對比

4.2 隔離開關靜力學校核

對方案修改前后的導電管整體進行靜力學分析，主要是針對重力條件下導電管端部的變形校核。將模型導入到ANSYS中設置各個零部件的材料，底部施加固定約束[14-16]，所有接觸設置為綁定接觸，進行靜力學分析，變形云圖如圖7所示，應力云圖如圖8所示。

圖7 隔離開關結構修改前后變形云圖

圖8 隔離開關結構修改前后應力云圖

由圖7可知，在重力條件下，原模型最大變形位置在導電管兩個端點，最大變形為24.15 mm。結構修改后，導電管端部的變形為25.73 mm，比原模型端部變形增加了1.58 mm。修改后模型相對變形較小。

在重力條件下，導電管的最大等效應力為20.61 MPa，添加鋼芯鋁絞線之后最大應力為22.15 MPa，兩者變化不大，且鋁合金的屈服強度為215 MPa，最大應力遠小于屈服強度。

由此說明所加裝的鋼芯鋁絞線對原結構影響甚微，且均在安全范圍內，滿足產品設計要求。

4.3 隔離開關2級風激勵下校核

對修改后的模型加載2級風載荷的激勵，計算風激勵下的導電管應力，仿真結果如圖9所示，最大應力為17.97 MPa。由于導電管材料的屈服強度為215 MPa，結構所受最大應力為17.97 MPa，遠遠小于材料的屈服應力（215 MPa）。

圖9 2 級風載荷激勵下的應力云圖

4.4 隔離開關8級風激勵下校核

對修改后的模型施加8級風的激勵，8級風對應的風速為17.2～20.7 m/s，對應的渦激頻率為21.5～25.875 Hz，對應的風激勵載荷為152.653 44～221.100 84 N，按照此數據對導電管進行掃頻處理，可以得到結果：在25.875 Hz處端部位移最大，幅值為0.075 mm。對應頻率處的應力云圖如圖10所示，最大應力為0.049 MPa，遠遠小于材料的許用應力（215 MPa），所以校核是合格的。

4.5 GW27型隔離開關合閘可靠性分析

GW27型隔離開關合閘分為兩個過程，導電管繞立柱旋轉和導電管繞其軸線旋轉。首先是T字形結構繞立柱的旋轉，這一部分是導電桿隨旋轉瓷瓶水平轉動70°，使動觸頭旋轉到靜觸頭位置處；第二個過程是導電管繞其自身軸線旋轉60°，使動靜觸頭接觸，靜觸頭的觸指夾緊動觸頭，保證可靠合閘。

要保證可靠合閘，需要使萬向節處提供的動力矩大于導電管自身旋轉時的阻力矩。由于導電管與軸套之間的摩擦力矩較小，可忽略不計，在不考慮導電管與軸套之間的摩擦力矩的情況下，導電管翻轉的總阻力矩如圖11所示。

由圖11可知，在GW27型隔離開關導電管內部添加鋼芯鋁絞線后，仍能可靠合閘。

圖11 導電管翻轉總阻力矩與翻轉角度關系圖

5 結論

1）根據風速及渦激頻率計算可知，GW27型隔離開關導電管在微風下振動的原因為渦激共振，且其第4階固有頻率與2級風引起的渦激頻率基本一致。

2）通過在導電管中加入直徑為28 mm且與導電管等長度的鋼芯鋁絞線，可有效抑制導電管的渦激共振現象，振幅下降了75.55%。

3）通過對加入鋼芯鋁絞線的導電桿結構進行合閘可靠性分析可知，在GW27型隔離開關導電管內部添加鋼芯鋁絞線后，總阻力矩變化可忽略不計，滿足合閘可靠性要求。