短路電流下間隔棒受力仿真研究

司學(xué)振　陶亞光　宋高麗　任鵬亮　陳釗　謝凱

摘 要：間隔棒的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其受到損傷時(shí)將極大影響輸電線路的安全運(yùn)行。因此本文利用有限元仿真軟件對(duì)某雙框板間隔棒在線路發(fā)生短路時(shí)所承受的向心力進(jìn)行了仿真研究，明確了間隔棒各部件在線路發(fā)生短路故障時(shí)的受力狀況及薄弱點(diǎn)。結(jié)果表明：在這種工況下，間隔棒線夾端部、框架中部位移變化最大;間隔棒線夾本體與框架連接的根部、框架中部出現(xiàn)最大應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：輸電線路;間隔棒;向心力

中圖分類號(hào)：TM752文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）13-0138-04

Research on the Stress of Spacer Rod under Short Circuit Current

SI Xuezhen1 TAO Yguang1 SONG GaoLi2 REN PengLiang2 CHEN Zhao2 XIE Kai1

（1.State Grid Key Laboratory of Power Overhead Transmission Line Galloping Prevention Technique， State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450052;2. Henan Jiuyu Epri Electric Technology Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： The application of spacer rods is more and more widespread， and when they are damaged， it will greatly affect the safe operation of transmission lines. Therefore， in this paper， the finite element simulation software was used to simulate the centripetal force that a double-frame spacer rod was subjected when a short circuit occurs. The results show that under this condition， the displacement of the end of the spacer clamp and the middle of the frame changes the most， and the maximum stress appears at the root of the connection between the spacer clamp and the frame and the middle of the frame.

Keywords： transmission line;spacer rod;centripetal force

遠(yuǎn)距離、大容量的超、特高壓輸電線路每相導(dǎo)線采用了二、四、六、八分裂導(dǎo)線。為了保證分裂導(dǎo)線線束間距保持不變，以滿足電氣性能，降低表面電位梯度，并在短路情況下，導(dǎo)線線束間不致產(chǎn)生電磁力，造成相互吸引碰撞，或雖引起瞬間的吸引碰撞，但事故消除后即能恢復(fù)到正常狀態(tài)，因而在檔距中相隔一定距離安裝了間隔棒。安裝間隔棒對(duì)次檔距震蕩和微風(fēng)振動(dòng)也可起到一定的抑制作用[1-3]。

子間隔棒作為電力金具的一種，在輸電線路中的作用是使一相導(dǎo)線中的多根子導(dǎo)線保持一定的相對(duì)間隔位置。在輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)，間隔棒就會(huì)承受由于短路電流產(chǎn)生的向心力，這就要求間隔棒的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)滿足一定要求[4]。

本文基于ANSYS有限元仿真軟件，對(duì)某種雙框板間隔棒進(jìn)行了仿真建模，通過(guò)對(duì)間隔棒施加向心力載荷，模擬其在輸電發(fā)生短路故障時(shí)的工況，仿真結(jié)果可以為間隔棒的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)為間隔棒在特高壓輸電線路上的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 間隔棒有限元建模

某間隔棒如圖1所示，線夾本體和框架的材料為鑄造鋁合金ZL102A，關(guān)節(jié)橡膠墊的材料為聚氨酯;線夾本體和框架選用SOLID45單元，關(guān)節(jié)橡膠墊選用HYPER58單元。所用鋁合金的材質(zhì)性能如表1所示。

2 子間隔棒向心力工況模型建立

2.1 工況分析

參照《間隔棒技術(shù)條件和實(shí)驗(yàn)方法》（DL/T 1098—2009）[3]中的子間隔棒向心力試驗(yàn)要求可知，該試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)導(dǎo)線短路時(shí)間隔棒承受壓縮作用力的能力，試驗(yàn)布置如圖2所示。在水平方向施加拉力，然后逐漸增大拉力，使作用在子間隔棒上的向心力達(dá)到要求值，子間隔棒不出現(xiàn)變形、損傷，則試驗(yàn)通過(guò)。本文就按照上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)四分裂子間隔棒進(jìn)行有限元仿真分析。

間隔棒向心力計(jì)算公式如式（1）所示：

其中，[Pmax]是短路電流引起的向心力，N;[n]是子導(dǎo)線根數(shù);[I]是短路電流，kA;[H]是子導(dǎo)線張力，N;S是子導(dǎo)線分裂圓直徑，mm;D是子導(dǎo)線直徑，mm。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 單元選擇與網(wǎng)格劃分。結(jié)合上述參數(shù)，建立的子間隔棒有限元模型如圖3所示。

2.2.2 載荷、約束的施加。通過(guò)間隔棒向心力計(jì)算公式可得出子間隔棒的向心力為12.9 kN，方向與框架對(duì)角線平行，約束位置為四分之一框架的截?cái)嗝?，約束類型為對(duì)稱約束，載荷和約束施加情況如圖4所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

在向心力工況下，子間隔棒[X]、[Z]方向位移云圖如圖5、圖6所示。其中，[X]方向最大位移為5.1 mm，出現(xiàn)在線夾本體端部位置;[Z]方向最大位移為3.3 mm，出現(xiàn)在線夾本體端部位置。子間隔棒應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力為91 MPa。

在向心力工況下，框架[X]、[Z]方向位移云圖如圖8、圖9所示。其中，[X]方向最大位移為0.06 mm，出現(xiàn)在框架中間位置，主要是由框架中間彎曲變形造成的[Z]方向最大位移為0.08 mm，也是出現(xiàn)在框架中間位置，也是由框架中間彎曲變形造成的?？蚣軕?yīng)力云圖如圖10所示，最大應(yīng)力為91 MPa。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某間隔棒進(jìn)行有限元建模，以施加向心力載荷模擬輸電線路短路工況，得出結(jié)論如下：①在這種工況下，間隔棒線夾端部、框架中部位移變化最大;②在這種工況下，間隔棒線夾本體與框架連接的根部、框架中部出現(xiàn)最大應(yīng)力。該仿真結(jié)果為以后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)指明了方向，其計(jì)算模型為分析間隔棒在超高壓輸電線路系統(tǒng)短路事故的工況奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯景鵬，紀(jì)星，陳加寶.JZF-45400阻尼間隔棒建模及力學(xué)性能分析[J].水電能源科學(xué)，2012（3）：165-166.

[2]劉春田，姚文軍，景有富，等.500 kV線路四分裂導(dǎo)線翻轉(zhuǎn)扭絞的修復(fù)措施與思考[J].電力建設(shè)，2004（8）：34-36.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家能源局.間隔棒技術(shù)條件和試驗(yàn)方法：DL/T 1098—2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4]廖雙泉，趙艷芬，廖小雪.熱塑性彈性體及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2014.

收稿日期：2020-04-05

作者簡(jiǎn)介：司學(xué)振（1963—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：輸電線路舞動(dòng)防治。