變電站鋁合金接線板的失效仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳家慧，馮 杰，蘭貴天，趙興虹，彭 倩，王方強(qiáng)，趙莉華，吳隆文

(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；3. 四川蜀能電力有限公司高新分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

鋁合金接線板作為變電站內(nèi)部連接導(dǎo)線和電氣設(shè)備的重要金具，具有導(dǎo)電性良好、質(zhì)量輕、相對(duì)強(qiáng)度高的特點(diǎn)[1-4]。不僅作為電網(wǎng)電路中的一部分，也是支撐導(dǎo)線穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的一部分，對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著重要的輔助作用[5-6]。由于鋁合金接線板在服役期間長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象[7-9]；接線板連接導(dǎo)線具有較大應(yīng)力，長(zhǎng)期服役可能導(dǎo)致接線板斷裂，存在很大潛在的隱患。因此，研究改善接線板的結(jié)構(gòu)性能，降低其斷裂的概率可提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

下面通過(guò)有限元仿真分析接線板受力與形變，分析鋁合金接線板失效原因并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先，根據(jù)實(shí)際斷裂現(xiàn)場(chǎng)初步分析接線板斷裂的可能原因，再采用有限元分析軟件，對(duì)接線板進(jìn)行模型建立；然后，通過(guò)對(duì)應(yīng)力、形變的計(jì)算，深入分析斷裂原因；最后，據(jù)此從多個(gè)角度入手改進(jìn)接線板結(jié)構(gòu)，包括倒角處理、螺栓孔的合理排布，選擇斷裂處最大應(yīng)力和接線板最大形變程度作為參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比，為鋁合金接線板的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 鋁合金接線板失效案例

圖1為某變電站的鋁合金接線板發(fā)生斷裂的實(shí)物照片。斷裂位置為接線板底板兩側(cè)，且導(dǎo)致螺栓周?chē)霈F(xiàn)裂紋，但接線板上部分無(wú)明顯的斷裂；同時(shí)斷裂位置下方出現(xiàn)大量的片狀白色物質(zhì)，而在螺母固定處下方無(wú)白色物質(zhì)。前期分析檢測(cè)結(jié)果[10]表明，白色物質(zhì)為接線板底部因腐蝕所生成的蓬松狀氧化鋁類(lèi)產(chǎn)物。推斷接線板斷裂原因?yàn)榻泳€板在服役過(guò)程中，雨水滲入底板造成底板逐漸腐蝕減薄，最終無(wú)法承受應(yīng)力而導(dǎo)致斷裂失效，這里采用仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 鋁合金接線板斷裂

2 鋁合金接線板斷裂主要原因分析

圖2為根據(jù)失效鋁合金接線板建立的簡(jiǎn)化幾何模型。以樣品底板中心作為原點(diǎn)，底面為x-z平面。模型所用鋁合金材料參數(shù)為：楊氏模量為72 GPa，泊松比為0.33，合金密度為2.7 g/cm3。結(jié)合接線板實(shí)際過(guò)程中受力大小和方向，設(shè)定作用總力為2×105N。從接線板的應(yīng)力分布和形變兩方面進(jìn)行分析。圖3為未腐蝕的原始接線板模型的仿真結(jié)果，其中標(biāo)號(hào)“1”處為實(shí)際斷裂處，標(biāo)號(hào)“2”處為受最大應(yīng)力處。

圖2 鋁合金接線板模型

圖3 接線板受力分布

雖然圖3中的標(biāo)號(hào)“2”處應(yīng)力最大，但是該處位于外側(cè)，實(shí)際情況中未發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，也并未斷裂。斷裂處為圖3中的標(biāo)號(hào)“1”處，此處應(yīng)力也較為集中，而且該處位于倒角處，在鑄造過(guò)程中比較容易產(chǎn)生缺陷，同時(shí)由于底板受力變形，雨水進(jìn)入接線板和變壓器出線端鋼板的接縫處可造成腐蝕。據(jù)此，后續(xù)仿真選取的應(yīng)力和形變分析區(qū)域如圖4所示，其中圖4(a)中藍(lán)色區(qū)域?yàn)闃悠返膽?yīng)力分析區(qū)域，選取該區(qū)域的最大應(yīng)力作為對(duì)比，圖4(b)中紅線為底板形變的分析區(qū)域，選擇該區(qū)域最大的位移進(jìn)行比較。

圖4 仿真分析區(qū)域

此外，該處的背面(與變壓器出線端鋼板貼合面)有腐蝕的現(xiàn)象，螺栓固定處腐蝕產(chǎn)物較少，而中間部分腐蝕產(chǎn)物較多。由于腐蝕產(chǎn)物為氧化鋁類(lèi)物質(zhì)，已從接線板上脫落，對(duì)接線板的結(jié)構(gòu)不再有支持作用，仿真過(guò)程中采用底板減薄的方式進(jìn)行模擬。如圖5所示，d表示切割厚度，用來(lái)模擬接線板不同的腐蝕程度。

圖5 腐蝕仿真模型

分別選取d為0、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm來(lái)模擬接線板在服役過(guò)程中逐漸腐蝕的情況，如圖6所示。隨著腐蝕程度的加劇，斷裂處的應(yīng)力逐漸增大，最終超出原最大應(yīng)力處的應(yīng)力值，此外接線板的形變也隨著腐蝕程度增加而增加。

圖6 腐蝕模擬

推斷接線板斷裂的主要原因?yàn)榻泳€板底板發(fā)生形變導(dǎo)致在服役過(guò)程中雨水滲入底板造成腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致接線板底板腐蝕減薄，最終在應(yīng)力的作用下導(dǎo)致其斷裂。為降低其斷裂的可能性，從減小斷裂處應(yīng)力和減少底板腐蝕兩方面對(duì)接線板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 接線板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合接線板實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)以及前面仿真分析結(jié)果，從倒角處理、螺栓孔布局兩方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 倒角處理

倒圓角可以起到減小應(yīng)力集中的作用[11]，在初始模型基礎(chǔ)上，對(duì)斷裂處倒角位置進(jìn)行倒圓角處理，如圖7所示。為避免出現(xiàn)更多的倒角，選擇的倒角半徑為33 mm(與模型正面倒角半徑一致)，仿真結(jié)果為工件斷裂處最大應(yīng)力為2.55 MPa，減小到未改進(jìn)前的1/4(未改進(jìn)時(shí)約為10.6 MPa)，大幅度減弱了應(yīng)力集中問(wèn)題。底板最大位移也從未改進(jìn)時(shí)的1.354×10-2mm減小到9.99×10-3mm，減少1/4，降低實(shí)際服役過(guò)程中接線板底部被腐蝕的可能性。因此，倒角處理可有效提升接線板的服役性能。

圖7 倒角模型

3.2 螺栓孔布局

3.2.1 增加螺栓孔數(shù)量

為降低接線板的腐蝕，需盡可能減小底板與下方鋼板的縫隙，以避免水分的進(jìn)入，也就是說(shuō)需要減小接線板底板的形變。減小形變可以通過(guò)增加螺栓孔數(shù)量，即增加底板的固定約束實(shí)現(xiàn)。在初始模型基礎(chǔ)上從4個(gè)螺栓孔增加到6個(gè)，仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示。在加裝螺母后接線板底板幾乎不發(fā)生形變。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，接線板斷裂處所受最大應(yīng)力為9.71 MPa，相比原始模型有一定減少。值得注意的是，底板的最大位移減小到了4.45×10-4mm，縮小了96.7%。改進(jìn)后的接線板在受力情況和形變程度上都有較大的改善。

圖8 接線板形變

3.2.2 改變螺栓孔位置

為探尋螺栓孔位置對(duì)接線板的應(yīng)力和形變的影響，在初始模型基礎(chǔ)上，以接線板中心為原點(diǎn)，以接線板長(zhǎng)邊方向?yàn)闄M坐標(biāo)，短邊方向?yàn)榭v坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，如圖1中所示，底板被分成4個(gè)區(qū)域，每個(gè)螺栓孔關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布。選擇其中一個(gè)區(qū)域，通過(guò)改變其橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)以改變螺栓孔位置。不同布局螺栓孔仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 螺栓孔位置變化仿真結(jié)果

由圖9可知，隨著螺栓孔橫坐標(biāo)的增大，底板最大形變也隨之增加，斷裂處的最大應(yīng)力變化無(wú)明顯的變化規(guī)律，但變化相對(duì)不大。螺栓孔的縱坐標(biāo)增大，其底板最大形變隨之減小，斷裂處的應(yīng)力變化也無(wú)明顯的變化規(guī)律。說(shuō)明造成形變明顯變化的原因是固定約束的位置與接線板易形變位置的距離變遠(yuǎn)。由于導(dǎo)致接線板斷裂原因是腐蝕，單純減小形變對(duì)減弱接線板斷裂問(wèn)題仍具有重要意義。

3.3 綜合優(yōu)化

螺栓孔位置改變的同時(shí)進(jìn)行倒角處理，倒角半徑隨著橫坐標(biāo)或者縱坐標(biāo)的變化而變化。處理過(guò)程中需要考慮螺栓孔位置與倒角半徑是否沖突，仿真結(jié)果如圖10。

由圖10可知，在進(jìn)行倒角與螺孔位置協(xié)同優(yōu)化后，可以降低接線板的最大位移和最大應(yīng)力，其減小程度比單一方式大。改變橫坐標(biāo)時(shí)最大形變與斷裂處的最大應(yīng)力為負(fù)相關(guān)，不能同時(shí)達(dá)到使最大位移或最大應(yīng)力大幅度下降的效果，在實(shí)際中需要綜合考慮；改變縱坐標(biāo)時(shí)最大形變與斷裂處的最大應(yīng)力大體上出現(xiàn)正相關(guān)，在一定程度上可以同時(shí)降低接線板的最大位移和最大應(yīng)力，據(jù)此針對(duì)螺紋孔位置的調(diào)整對(duì)接線板的結(jié)構(gòu)調(diào)整具有一定的積極作用。

圖10 綜合優(yōu)化仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

上面針對(duì)變電站鋁合金接線板斷裂問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際失效狀況進(jìn)行分析，建立了仿真模型，提供了一種對(duì)接線板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路，可以有效改進(jìn)接線板的服役狀態(tài)，減低斷裂可能性。主要結(jié)論如下：

1)結(jié)合鋁合金接線板斷裂實(shí)際情況和仿真分析，推斷失效的主要原因是底板腐蝕減薄后在導(dǎo)線的拉力作用下斷裂。

2)倒角處理、增加螺栓孔數(shù)目、螺栓孔位置的合理布局均能有效改善接線板的受力和形變情況，而且綜合采用倒角與螺孔位置的優(yōu)化方法更有效。

3)螺栓孔位置的合理布局對(duì)形變的抑制有較好的效果，但對(duì)應(yīng)力的改善較?。痪C合優(yōu)化方案可以綜合倒角和螺栓孔布局的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和形變的雙重抑制。雖然效果不及增加螺孔數(shù)目，但是不破壞變壓器出線結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)性更高，實(shí)際可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場(chǎng)情況選擇最適合的方案。