基于COMSOL的低熔點合金電連接頭力學(xué)性能分析

趙佳麗 尹志宏 張文斌

摘? 要： 針對輸配電線路電連接頭異常發(fā)熱導(dǎo)致能源損耗甚至引發(fā)供電事故的問題，分析了影響電連接件異常發(fā)熱的原因。本文以輸配電線路接續(xù)金具中典型實用的耐張線夾為研究對象，低熔點合金材料為接觸界面添加材料，采用三維建模對其接觸部分進(jìn)行建模，通過COMSOL有限元分析軟件對連接試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)和固流耦合仿真分析，對比研究接續(xù)金具耐張線夾試樣界面結(jié)構(gòu)改變前后受張力的情況。仿真結(jié)果表明：在添加低熔點合金前后輸配電線路接續(xù)金具受到的導(dǎo)線的張力變化很小，滿足電力金具的機(jī)械性能。

關(guān)鍵詞： 低熔點合金;COMSOL;結(jié)構(gòu)力學(xué);機(jī)械性能

【Abstract】： Aiming at the problem of energy loss and even power supply accident caused by abnormal heating of the electrical connection of transmission and distribution lines， the causes of abnormal heating of electrical connectors are analyzed. In this paper， the typical practical tension clamps in the transmission and distribution line connection fittings are taken as the research object. The low melting point alloy material is added to the contact interface. The three-dimensional modeling is used to carry out three-dimensional modeling of the contact parts. The COMSOL finite element analysis software is used. The specimens were connected for structural mechanics and solid-fluid coupling simulation analysis， and the tension of the interface structure of the strip-resistant clamps was analyzed. The simulation results show that the tension of the wire subjected to the transmission and distribution line connection before and after the addition of the low melting point alloy is small， which satisfies the mechanical properties of the power fitting.

【Key words】： Low melting point alloy; COMSOL; Structural mechanics; Mechanical properties

0? 引言

輸配電線路電連接頭普遍存在異常發(fā)熱現(xiàn)象，是電網(wǎng)的一個頑疾。這種缺陷涉及電力傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)，小到配網(wǎng)設(shè)備連接頭發(fā)熱，大到超高壓輸變電設(shè)備及線路接頭過熱故障[1-2]。電連接件異常發(fā)熱不但增加線損，嚴(yán)重的還會引發(fā)供電事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)統(tǒng)計分析，若不考慮外力破壞造成的輸配電線路故障，電纜附件造成的輸配電線路故障占總故障的一半以上，且其中超過90%為連接頭發(fā)熱故障[3]。輸配電線路電連接頭主要有連接金具和接續(xù)金具兩種類型，其在導(dǎo)線間起接續(xù)作用，用于滿足導(dǎo)線所具有的機(jī)械和電氣性能要求并承擔(dān)導(dǎo)線全部的張力。

本文提出將低熔點合金材料用于電連接頭接觸界面間，以典型實用的壓縮型耐張線夾為研究對象，對其進(jìn)行選型并簡化接觸部分。運用SolidWorks三維建模軟件建模，通過有限元分析軟件COMSOL進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真和分析壓縮型耐張線夾所受導(dǎo)線張力的情況[4]。再將低熔點合金添加在電連接頭接觸面，改變常規(guī)的連接結(jié)構(gòu)，并對此時的結(jié)構(gòu)進(jìn)行COMSOL固流耦合仿真分析，對比不同接續(xù)金具結(jié)構(gòu)的張力變化情況，判斷填充低熔點合金界面材料后的接續(xù)金具是否滿足機(jī)械性能要求，驗證低熔點合金在電力金具上應(yīng)用的可行性，為后續(xù)低熔點合金在電連接上應(yīng)用后的機(jī)械性能試驗測試和填充量的控制提供仿真基礎(chǔ)。

1? 輸配電線路電連接頭模型的建立

對輸配電線路電連接頭接續(xù)部分進(jìn)行模型建立和有限元分析，由于在此過程中，要對整個模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和每個網(wǎng)格單元進(jìn)行仿真分析，因此，在模型的建立中，需對模型進(jìn)行簡化，所以本部分的建模主要針對電連接頭的電氣接觸部分，在添加低熔點合金材料前后均無影響的其它部分不建模。

1.1? 輸配電線路電連接頭接續(xù)金具選擇

本文選用型號為NY-70G的壓縮型耐張線夾為研究對象，這類電力金具是由鋁管和鋼錨兩部分組成，其中鋼錨用來接續(xù)和錨固鋼芯鋁絞線的鋼芯，鋼錨與鋼芯固定后再套上鋁體，以此產(chǎn)生壓力使金屬發(fā)生塑性變形將線夾與導(dǎo)線結(jié)合為一個整體[5，6]。壓縮型耐張線夾除承受導(dǎo)線或避雷線的全部拉力以外，它在輸配電線路中的也屬于導(dǎo)電體，作為導(dǎo)電體的線夾，在額定電壓下長期通過最大允許電流時，線夾的溫升應(yīng)不大于被安裝導(dǎo)線的溫升，電阻也不大于被安裝等長導(dǎo)線電阻的1.1倍。線夾承受電氣負(fù)荷時，其載流量應(yīng)不小于被安裝導(dǎo)線的載流量。

1.2? 壓縮型耐張線夾NY-70G引流端子板的建模

輸配電線路中廣泛應(yīng)用的耐張線夾其本體端子板和引流線夾端子板均為平面接觸，接觸面間通過螺栓緊固，用來保證接觸面的正壓力和接觸面的載流性能。兩者在進(jìn)行配合安裝時，需將引流線夾端子板開口處從耐張線夾本體側(cè)面穿入耐張線夾本體端子板，并沿端子板方向向引流線夾上施加適當(dāng)?shù)牧?，以消除安裝時存在的間隙。利用SolidWorks三維建模軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其中引流端子板的主要尺寸為83 mm×40 mm×10 mm。簡化模型如圖1所示。

建模后對對兩個一樣的引流端子板進(jìn)行反向安裝，仿真模擬壓縮耐張線夾安裝后的受力情況。再對加入低熔點合金的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，采用厚度為2mm的低熔點合金進(jìn)行界面填充材料部分建模，最后把低熔點合金模型夾在壓縮型耐張線夾引流端子板之間，完成建模，并進(jìn)行裝配。

2? 輸配電線路電連接頭仿真分析

本文利用COMSOL Multiphysics平臺附加的專業(yè)模塊“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”對壓縮型耐張線夾進(jìn)行受力分析，可用于求解應(yīng)力和應(yīng)變水平、變形、剛度和柔度、固有頻率、動載荷響應(yīng)以及屈曲不穩(wěn)定性等多種問題[7-8]。這一模塊中包含預(yù)置的材料模型可供選擇，還支持用戶自定義材料模型。當(dāng)與優(yōu)化模塊結(jié)合使用時，用戶可以對幾何尺寸、載荷及材料屬性等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。也可將“結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊”與COMSOL中的其他模塊相結(jié)合，擴(kuò)展建模功能。文中主要對結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真和流體力學(xué)的耦合仿真分析。

2.1? 壓縮型耐張線夾引流端子板的仿真

導(dǎo)入由SolidWorks創(chuàng)建幾何體中提前準(zhǔn)備好的裝配體，在模型開發(fā)器中使本模型生成裝配體。SolidWorks中建立好的壓縮型耐張線夾引流端子板的模型如圖2所示。

進(jìn)行仿真前先根據(jù)增廣拉格朗日法定義接觸（兩塊引流端子板間存在著接觸），增廣拉格朗日法的特點是準(zhǔn)確的表征接觸壓力，收斂趨于精確求解。定義接觸時有接觸對和一致邊界對，通常用接觸對和一致邊界對分別定義裝配體表面的接觸和聯(lián)合體表面的接觸。由于此模型是裝配體，因此只需定義一組接觸對即可，選取接觸時，需要確定目標(biāo)和源邊界的區(qū)別，要求如下：

（1）較大剛度的部分作為源邊界，剛體部件必須作為源邊界。

（2）較小彎曲半徑的部件作為目標(biāo)邊界。

（3）目標(biāo)邊界有限元網(wǎng)格要細(xì)。

（4）施加的力的邊界作為源邊界。

添加完接觸對后需要對模型施加邊界載荷和固定約束，其示意圖如圖3所示。

首先，對裝配好的模型添加400 N的受力邊界載荷和2000 N的張力邊界載荷，且在相應(yīng)的方向上，添加其受到的總力。由于前面設(shè)置好的接觸對需要在模型中表征出來，因此在固體力學(xué)中還需添加接觸和連續(xù)性。其次，設(shè)置好以上材料及邊界條件后，在COMSOL中對壓縮型耐張線夾引流端子板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于不同的網(wǎng)格對計算精度有影響，因此在兩引流端子板接觸表面需提高網(wǎng)格的密度。最后，進(jìn)行求解器的設(shè)置，上述邊界條件的設(shè)置中，設(shè)了兩組邊界條件和邊界載荷，一組是裝

配好時螺栓產(chǎn)生的力，另一組是線夾受到的張力，這兩組邊界條件間存在著先后順序，因此需要兩個求解器。在第一個求解器“物理場和變量選擇”中禁用第二組的邊界條件，在第二個求解器“因變量”中把求解變量初始值改為第一個求解器的解，并禁用第一組的邊界條件，然后模擬引流端子板所受的螺栓力和導(dǎo)線張力。

2.2? 壓縮型耐張線夾引流端子板的仿真結(jié)果分析

壓縮型耐張線夾裝配后的受力情況如圖4、圖5所示。

其中裝配體上的曲面為等值曲面，由圖4和圖5可得壓縮型耐張線夾引流端子板裝配后受到的最大應(yīng)力為3.07×103 N/m2，而受力后產(chǎn)生的最大位移為7.74×10–7 mm;引流端子板受到來自導(dǎo)線的張力時最大的應(yīng)力為4.61×106 N/m2，產(chǎn)生的最大位移為5.33×10–3 mm。

3? 低熔點合金填充后新結(jié)構(gòu)的固流耦合分析

流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉而生成的一門力學(xué)分支，用于研究變形固體在流場作用下的各種行為以及固體位形對流場影響這二者相互作用。其重要特征是兩相介質(zhì)之間的相互作用，變形固體在流體載荷作用下會產(chǎn)生變形或運動。變形或運動又反過來影響流體運動，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生不同的流固耦合現(xiàn)象。

3.1? 新結(jié)構(gòu)的固流耦合仿真

對模型參數(shù)的設(shè)定在軟件上依次選擇三維，固

流耦合，穩(wěn)態(tài)后進(jìn)入模型開發(fā)器。導(dǎo)入在SolidWorks中預(yù)先建立好添加低熔點合金后的壓縮型耐張線夾引流端子板的模型，其模型如圖6所示。

新結(jié)構(gòu)在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，兩塊引流端子板間多了一塊低熔點合金域，然后對此模型進(jìn)行受力分析并觀察模型添加低熔點合金前后的應(yīng)力變化情況。首先，需對兩金屬平板定義接觸，使靠近低熔點合金一側(cè)的兩個平面定義為接觸對，這是由于低熔點合金在平面間存在的潛在的接觸，若取消定義接觸對則會導(dǎo)致壓接仿真時受力的平板會朝著固定的平板移動，直接穿過平板向下移動。其次，在流固耦合物理場，線彈性材料中選擇兩個金屬平板域，并對模型的固體部分和流體部分進(jìn)行區(qū)分。最后，對模型的材料進(jìn)行定義，其中耐張線夾的材料為鋁合金6061，低熔點合金為二元錫基材料Sn-1.6 Ag，密度為7.3368 kg/m3，動力粘度為10–3 Pa×s。由于材料庫中沒有這種材料，需根據(jù)COMSOL提供的空材料進(jìn)行添加并定義材料密度和動力粘度，進(jìn)行流固耦合分析。

對于流體的流動采用移動網(wǎng)格ALE方法，通過移動網(wǎng)格來處理幾何的變形和邊界的移動。COMSOL Multiphysics基于結(jié)構(gòu)的移動邊界和網(wǎng)格平滑處理來計算通道區(qū)域的新網(wǎng)格坐標(biāo)，在移動坐標(biāo)系中求解用來描述流體流動的Navier-Stokes方程。Navier- Stokes方程在自由移動的變形網(wǎng)格上求解，該網(wǎng)格構(gòu)成流體域。與域的初始形狀有關(guān)的網(wǎng)格變形使用Winslow平滑處理，這是使用“流-固耦合”接口時的默認(rèn)平滑[9-10]。

在模型開發(fā)器中，對流固耦合物理場定義邊界條件，可分為結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)模塊進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)的邊界條件的設(shè)定，分別定義裝配時的引流端子板的受力和引流端子板受來自導(dǎo)線的張力，如圖7所示。

對引流端子板模型進(jìn)行流體力學(xué)的邊界條件設(shè)定，首先流體沒有固定的邊界，對低熔點合金域的六個面都定義為開邊界，開邊界會自動替代流-固界面邊界，其次是指定網(wǎng)格的移動，對流體不與鋁合金接觸的四個面分別指定網(wǎng)格位移，朝各自的方向指定移動5mm。在完成對物理場邊界條件的設(shè)定后，需對引流端子板模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，低熔點合金域采用較細(xì)的網(wǎng)格，并把網(wǎng)格普通物理場校準(zhǔn)為流體動力學(xué)物理場，鋁合金域采用普通的網(wǎng)格即可。最后采用與上述固體力學(xué)中相同的方式設(shè)置求解器，添加兩個研究對引流端子板模型進(jìn)行前后兩次仿真。

3.2? 新結(jié)構(gòu)的固流耦合仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可知，添加低熔點合金后，引流端子板上的最大應(yīng)力與未添加時的應(yīng)力相差不大，故添加低熔點合金對電連接頭影響很小，所以添加液態(tài)金屬在架空輸電線路上具有很好的適應(yīng)性。

4? 結(jié)論

輸電線路中壓縮型耐張線夾引流板處，在添加低熔點合金前后電力金具受到的導(dǎo)線的張力變化很小，即添加低熔點合金后，電力金具仍然能滿足電力金具的機(jī)械性能，驗證了低熔點合金在電力金具上運用的可行性，為后續(xù)研究低熔點合金用于填充電力金具時，其他性能仿真研究，試驗測試等提供了仿真基礎(chǔ)。

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