基于ANSYS Workbench的均壓環(huán)斷裂分析

王益博，楊 樂，孟 忠，莫 冰，馬梁丁，康 鵬

(西安西電高壓開關有限責任公司，陜西 西安 710018)

我國西北部存在諸多強風氣候區(qū)域， 以新疆為例，從其西部的阿拉山口到東部的哈密地區(qū)之間就存在八大著名風區(qū)，其中，以達坂城至吐魯番、 阿拉山口至七角井最為著名[1]。據(jù)國家發(fā)改委和國家電網(wǎng)公司的規(guī)劃，到2020年左右，西北電網(wǎng)結構將以750 kV電壓等級為骨干。然而，超高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，使輸電線路的高速建設已經(jīng)很難繞過這些惡劣的自然環(huán)境[2]。近20年來，新疆大風和沙塵暴年發(fā)生頻次在波動中減少，但是突發(fā)性風沙災害、強沙塵暴的頻數(shù)和成災次數(shù)不斷增加，對電網(wǎng)的損害明顯增大[3]。

高壓電器設備上均壓環(huán)的作用是均衡對地雜散電容，使電壓分布均勻，防止電壓畸變造成局部的閃烙和擊穿而損壞設備[4]。在高風載地區(qū)運行高壓隔離開關，在受到大風的頻繁沖擊下，其頂部的均壓環(huán)由于承受較大的風載荷會產(chǎn)生變形，均壓環(huán)環(huán)體與連接板連接部位會被拉薄甚至拉斷，對高壓隔離開關的安全穩(wěn)定運行帶來很大的隱患；因此，運行在大風地區(qū)的均壓環(huán)的設計可靠性和焊接質(zhì)量顯得尤為重要。

1 斷裂均壓環(huán)概況

2016年9月，受較強的風載荷作用，新疆達坂城的某750 kV電站一高壓隔離開關旋轉(zhuǎn)絕緣子頂端下部圓形均壓環(huán)環(huán)體和其連接板焊接部位出現(xiàn)裂紋并斷裂(見圖1)。均壓環(huán)環(huán)體(見圖2)由1個圓形鋁管構成，圓的直徑為1 350 mm，鋁管的材料為150×3鋁管1035—O。均壓環(huán)共有4個連接板，連接板材料為16鋁板1035—O，經(jīng)過機加和折彎而成，末端折彎10°，在均壓環(huán)的中間部位按一定尺寸對稱分布，并采用氬弧焊焊接至均壓環(huán)環(huán)體。

圖1 斷裂的均壓環(huán) 圖2 均壓環(huán)結構圖

2 強度分析

2.1 分析條件確定

以國標要求最大風速35 m/s(12級風)計算作用在隔離開關均壓環(huán)上的風力載荷。為計算和分析合理，做出如下幾點假設：1)風速認為是常數(shù)，不考慮風速的時變量；2)均壓環(huán)連接板和均壓環(huán)圈之間的焊接是剛性的；3)均壓環(huán)連接板迎風面積較小，不考慮受力；4)以最嚴酷的情形考慮，即認為均壓環(huán)為水平正面迎風。

2.2 風載荷計算

將均壓環(huán)在大風環(huán)境中運行狀態(tài)簡化為水平正面迎風，根據(jù)均壓環(huán)實際安裝方向和位置，確定其受到最大風力載荷的分布(見圖3)，均壓環(huán)的單側外部半圓面受到均布的風力載荷。 承受均布載荷的均壓環(huán)半圓面的投影區(qū)域如圖4所示。

圖3風載荷示意圖

圖4迎風面投影區(qū)

由圖4可知，迎風面投影區(qū)面積S為0.22 m2。均壓環(huán)半圓面所受的風壓P計算式如下。

P=0.612 5av2

(1)

式中，a為風壓阻力系數(shù)，a=0.74；0.612 5為標準狀態(tài)下空氣密度；v為風速，單位m/s。將v=35 m/s代入，得：

P=0.612 5av2=0.612 5×0.74×352=555 (N/m2)

根據(jù)迎風面積和風壓，計算得均布力值F=PS=555×0.22=122 (N)。

2.3 分析模型建立

準確可靠的模型是進行有限元分析的基礎[5]，本文利用UG NX8.5軟件，根據(jù)均壓環(huán)的實際尺寸建立均壓環(huán)的三維模型(見圖5)，然后將模型轉(zhuǎn)化為ANSYS可以讀取的格式之一，即保存為*.x_t類型的文件。由于均壓環(huán)的單側外部半圓面受到均布的風力載荷，因此將模型按照分析需要進行面分割，先以環(huán)體的中性面切割環(huán)為外側面環(huán)形半圓面和內(nèi)側環(huán)形半圓面，再以XY平面將外側環(huán)形半圓面切割為兩部分(見圖6)，圖6中深色半圓面即是最終需要加載風力載荷的面。

圖5 均壓環(huán)三維模型 圖6 均壓環(huán)面分割

2.4 ANSYS有限元應力分析

ANSYS 是一款以有限元分析為基礎的大型通用CAE軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD 工具之一[6]。本文應用ANSYS Workbench18.1軟件中的Structral模塊對均壓環(huán)進行強度分析。

從材料手冊中查得， 1035鋁材的彈性模量為71 GPa，泊松比為0.33，密度為2.73×103kg/m3，屈服強度為35 MPa，抗拉強度為75 MPa。

在Structral中的Engineering data中，按所查的1035鋁材各項參數(shù)重新定義材料屬性，各項參數(shù)定義如圖7所示。

圖7 材料參數(shù)表

定義完成后更新材料屬性數(shù)據(jù)，進入Structral mechanical界面選取對應材料。

材料屬性重新定義完成后，對模型進行網(wǎng)格劃分[7]，最終生成網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)為29 049，單元數(shù)為11 704。

網(wǎng)格劃分完成后，給模型添加對應載荷。由于現(xiàn)場的均壓環(huán)的4個連接板末端的長條孔和絕緣子上端面的通孔是通過螺栓固定聯(lián)接，因此，給4個連接板末端裝配平面添加Fixed support約束模擬螺栓固定聯(lián)接。選取圖6所示半圓面，給均壓環(huán)添加模擬風載荷力，插入Force，將方向類型定義為Components，選取Z軸為正方向，即水平正面迎風的方向輸入力值122 N。

對模型進行解算，在解算結果中添加Total Deformation及Equivalent Stress，對結果進行求值。

均壓環(huán)在對應風載荷下的位移云圖如圖8 所示，圖8中陰影部分為均壓環(huán)未變形狀態(tài)。由圖8可知，均壓環(huán)在分載荷下的最大位移在迎風側的管壁正中處，最大位移值為0.28 mm，方向大致沿X軸負方向，即大致垂直向下；均壓環(huán)的另一側環(huán)壁沿X軸的正方向偏移0.25 mm；均壓環(huán)的4個連接板在迎風側的一對拱起，另一對連接板凹進。

圖8 均壓環(huán)位移云圖

均壓環(huán)在對應風載荷下的應力云圖如圖9 所示。由圖9可知，均壓環(huán)的4個連接板和環(huán)體連接的地方應力較為集中，另外4個連接板根部最大應力為7.83 MPa。其材料的屈服強度為35 MPa，材料的許用應力為17.5 MPa(取安全系數(shù)為2時)，可見均壓環(huán)所受的最大應力小于許用應力，滿足強度要求，且有一定的余量。

圖9 均壓環(huán)應力云圖

3 結語

結合仿真分析結果和實際發(fā)生的斷裂情況可以看出，運行在大風環(huán)境中的高壓隔離開關均壓環(huán)，在設計強度滿足使用要求的前提下，其制造質(zhì)量至關重要。均壓環(huán)環(huán)體與連接板以焊接方式連接，在焊接熱循環(huán)作用下，如果焊接工藝不規(guī)范，焊縫熱影響區(qū)會出現(xiàn)過熱和粗晶區(qū)，造成局部材料強度和韌性下降[8]，導致均壓環(huán)的焊接處出現(xiàn)斷裂。

運行在大風環(huán)境中，均壓環(huán)的幾個連接板和環(huán)體連接處所受應力最大，容易發(fā)生局部疲勞，從而產(chǎn)生裂紋，裂紋逐步擴張，最終導致發(fā)生斷裂。針對上述問題，應從設計、制造和運行等3個方面來提高和保障均壓環(huán)的穩(wěn)定性及抵御風載的能力。

1)設計方面。針對高風載地區(qū)的高壓隔離開關均壓環(huán)進行結構優(yōu)化設計，采取減小應力集中的方式，增加連接板數(shù)量，使其與環(huán)體連接的部位增多，最大限度地減少局部應力幅值和改善應力集中現(xiàn)象。

2)制造方面。加強對均壓環(huán)制造過程中的質(zhì)量控制，對其焊接工藝和焊接質(zhì)量進行有效的監(jiān)控和檢查，防止出現(xiàn)焊接工藝不規(guī)范造成的焊接過熱和焊接裂紋等微觀及宏觀焊接缺陷。

3)運行方面。采用紅外、紫外成像監(jiān)測設備對運行中的高壓隔離開關均壓環(huán)進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的裂紋，并進行適當?shù)难a焊和加固處理。

[1] 朱正一，賈志東，馬國祥，等.強風區(qū)750 kV 復合絕緣子抗風性能研究[J]. 中國電機工程學報，2015(11)：5648-5655.

[2] 唐巖.基于ANSYS的750 kV輸電線路均壓環(huán)優(yōu)化研究[J].實驗技術與管理，2013(9):53-57.

[3] 李娟，廖崢，張陵，等.新疆強風沙塵環(huán)境下750 kV 線路運維技術[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2017(1):123-130.

[4] 秦睿，高健，嚴麗，等.一起均壓環(huán)斷裂故障的分析與處理[J].高壓電器,2014(7)：117-121.

[5] 范永斌， 尹明德，丁奇，等.基于ANSYS Workbench 的叉車貨叉疲勞壽命研究[J]. 煤礦機械,2015(1)：105-106.

[6] 王亞利.ANSYS 軟件在機械結構分析中的應用[J]. 價值工程,2014(3)：203-204.

[7] 丁新兵.基于ANSYS的傳動軸有限元分析[J]. 機械工程與自動化,2017(4)：96-100.

[8] 張凱，冀東紅，胡春江，等.某330 kV變電站隔離開關均壓環(huán)斷裂原因分析與建議[J].電工技術，2014(8)：52-53.