基于ANSYS Workbench的均压环断裂分析 大型盆景花盆
王益博;杨乐;孟忠;莫冰;马梁丁;康鹏
【摘 要】The grading ring is an important part of the high voltage electrical equipment. It is mainly used for balancing the stray capacitance and distributing the voltage evenly. Under a large force of wind load, the HV switch disconnectorgrading ring operating in high winds area is very important for its own design strength and operational reliability. Based on the ANSYS Workbench18. 1finite element analysis software, a fracture problem of the HV switch disconnector-grading ring caused by strong wind force is analyzed. The calculation condition determination, the stress analysis, the model establishment, the stress surface cutting and the simulation calculation are carried out in step. The displacement and stress of the HV switch disconnector-grading ring under wind load are obtained. The results show that the manufacturing quality of the grading ring is the main factor affecting the strength and reliability of the grading ring when the design strength of the grading ring meets the requirements of operation. Some measures to improve the strength and reliability of the HV so.csdn/api/v3/search?p=1&t=all&q=
switch disconnector- grading ring are put forward.%均压环是高压电器设备的重要组成部分, 其主要作用是均衡对地杂散电容, 使电压分布均匀.运行在大风地区的高压隔离开关均压环, 在风载荷的较大作用力下, 其自身的设计强度和运行可靠性至关重要.基于ANSYS Workbench18. 1有限元分析软件, 对由于大风作用力引起的均压环断裂问题进行逐步分析, 通过确定计算条件、进行受力分析、建立模型和仿真计算等, 分析得出该均压环在较大的风载荷作用力下的位移和应力情况.结果表明, 在保证均压环的设计强度满足使用要求的情况下, 均压环的制造质量是影响其强度和运行可靠性的主要因素.给出了提高高压隔离开关均压环强度及运行可靠性的具体措施. 【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】3页(P67-69)
【关键词】高压隔离开关均压环;大风;ANSYS;强度;分析;可靠性
【作 者】王益博;杨乐;孟忠;莫冰;马梁丁;康鹏
【作者单位】西安西电高压开关有限责任公司,陕西 西安 710018;西安西电高压开关有限责任公司,陕西 西安 710018;西安西电高压开关有限责任公司,陕西 西安 710018;西安西电高压开关有限责任公司,陕西 西安 710018;西安西电高压开关有限责任公司,陕西 西安 710018;西安西电高压开关有限责任公司,陕西 西安 710018
【正文语种】中 文
【中图分类】TM564.1
stkx我国西北部存在诸多强风气候区域， 以新疆为例，从其西部的阿拉山口到东部的哈密地区之间就存在八大著名风区，其中，以达坂城至吐鲁番、 阿拉山口至七角井最为著名[1]。据国家发改委和国家电网公司的规划，到2020年左右，西北电网结构将以750 kV电压等级为骨干。然而，超高压电网的快速发展，使输电线路的高速建设已经很难绕过这些恶劣的自然环境[2]。近20年来，新疆大风和沙尘暴年发生频次在波动中减少，但是突发性风沙灾害、强沙尘暴的频数和成灾次数不断增加，对电网的损害明显增大[3]。
高压电器设备上均压环的作用是均衡对地杂散电容，使电压分布均匀，防止电压畸变造成
局部的闪烙和击穿而损坏设备[4]。在高风载地区运行高压隔离开关，在受到大风的频繁冲击下，其顶部的均压环由于承受较大的风载荷会产生变形，均压环环体与连接板连接部位会被拉薄甚至拉断，对高压隔离开关的安全稳定运行带来很大的隐患；因此，运行在大风地区的均压环的设计可靠性和焊接质量显得尤为重要。
1 断裂均压环概况
2016年9月，受较强的风载荷作用，新疆达坂城的某750 kV电站一高压隔离开关旋转绝缘子顶端下部圆形均压环环体和其连接板焊接部位出现裂纹并断裂(见图1)。均压环环体(见图2)由1个圆形铝管构成，圆的直径为1 350 mm，铝管的材料为150×3铝管1035—O。均压环共有4个连接板，连接板材料为16铝板1035—O，经过机加和折弯而成，末端折弯10°，在均压环的中间部位按一定尺寸对称分布，并采用氩弧焊焊接至均压环环体。
图1 断裂的均压环 图2 均压环结构图
2 强度分析
2.1 分析条件确定
以国标要求最大风速35 m/s(12级风)计算作用在隔离开关均压环上的风力载荷。为计算和分析合理，做出如下几点假设：1)风速认为是常数，不考虑风速的时变量；2)均压环连接板和均压环圈之间的焊接是刚性的；3)均压环连接板迎风面积较小，不考虑受力；4)以最严酷的情形考虑，即认为均压环为水平正面迎风。
刮刮卡制作2.2 风载荷计算
将均压环在大风环境中运行状态简化为水平正面迎风，根据均压环实际安装方向和位置，确定其受到最大风力载荷的分布(见图3)，均压环的单侧外部半圆面受到均布的风力载荷。 承受均布载荷的均压环半圆面的投影区域如图4所示。
图3 风载荷示意图
图4 迎风面投影区
由图4可知，迎风面投影区面积S为0.22 m2。均压环半圆面所受的风压P计算式如下。
P=0.612 5av2
(1)
式中，a为风压阻力系数，a=0.74；0.612 5为标准状态下空气密度；v为风速，单位m/s。将v=35 m/s代入，得：
P=0.612 5av2 =0.612 5×0.74×352 =555 (N/m2)
水性阻燃剂
根据迎风面积和风压，计算得均布力值F=PS=555×0.22=122 (N)。
2.3 分析模型建立
准确可靠的模型是进行有限元分析的基础[5]，本文利用UG NX8.5软件，根据均压环的实际尺寸建立均压环的三维模型(见图5)，然后将模型转化为ANSYS可以读取的格式之一，即保存为*.x_t类型的文件。由于均压环的单侧外部半圆面受到均布的风力载荷，因此将模型按照分析需要进行面分割，先以环体的中性面切割环为外侧面环形半圆面和内侧环形半圆面，再以XY平面将外侧环形半圆面切割为两部分(见图6)，图6中深半圆面即是最终需要加载风力载荷的面。
图5 均压环三维模型 图6 均压环面分割
2.4 ANSYS有限元应力分析
ANSYS 是一款以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一[6]。本文应用ANSYS Workbench18.1软件中的Structral模块对均压环进行强度分析。
从材料手册中查得， 1035铝材的弹性模量为71 GPa，泊松比为0.33，密度为2.73×103 kg/m3，屈服强度为35 MPa，抗拉强度为75 MPa。
在Structral中的Engineering data中，按所查的1035铝材各项参数重新定义材料属性，各项参数定义如图7所示。
图7 材料参数表
定义完成后更新材料属性数据，进入Structral mechanical界面选取对应材料。
材料属性重新定义完成后，对模型进行网格划分[7]，最终生成网格的节点数为29 049，单元数为11 704。
钾霞石
网格划分完成后，给模型添加对应载荷。由于现场的均压环的4个连接板末端的长条孔和绝缘子上端面的通孔是通过螺栓固定联接，因此，给4个连接板末端装配平面添加Fixed support约束模拟螺栓固定联接。选取图6所示半圆面，给均压环添加模拟风载荷力，插入Force，将方向类型定义为Components，选取Z轴为正方向，即水平正面迎风的方向输入力值122 N。
对模型进行解算，在解算结果中添加Total Deformation及Equivalent Stress，对结果进行求值。
均压环在对应风载荷下的位移云图如图8 所示，图8中阴影部分为均压环未变形状态。由图8可知，均压环在分载荷下的最大位移在迎风侧的管壁正中处，最大位移值为0.28 mm，方向大致沿X轴负方向，即大致垂直向下；均压环的另一侧环壁沿X轴的正方向偏移0.25 mm；均压环的4个连接板在迎风侧的一对拱起，另一对连接板凹进。
图8 均压环位移云图
均压环在对应风载荷下的应力云图如图9 所示。由图9可知，均压环的4个连接板和环体连
接的地方应力较为集中，另外4个连接板根部最大应力为7.83 MPa。其材料的屈服强度为35 MPa，材料的许用应力为17.5 MPa(取安全系数为2时)，可见均压环所受的最大应力小于许用应力，满足强度要求，且有一定的余量。
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