基于有限元的强风区断路器复合空心套管振动仿真

赵海鹏，蔡 晶，石海珍，王金铜，蒋向荣，申子魁，贾志东，张豪峰

（1.国网新疆电力公司检修公司，乌鲁木齐 830000； 2.清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

基于有限元的强风区断路器复合空心套管振动仿真

赵海鹏1，蔡 晶1，石海珍1，王金铜1，蒋向荣1，申子魁2，贾志东2，张豪峰2

（1.国网新疆电力公司检修公司，乌鲁木齐 830000； 2.清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

高压出线套管主体在强风下会出现形变以及振动，凭借线路绝缘子经验，形变会导致应力集中以及电场畸变。本文通过有限元分析软件ANSYS对750kV断路器复合空心套管开展流-固耦合仿真，探讨了复合套管在强风中的形变幅度、应力分布以及振动模态。应力集中区域应该在以后的检修工作中重点检查。

复合空心套管；强风形变；应力分布；模态分析

引言

高压套管作为高压引出装置，是变电站的关键设备之一。复合空心套管凭借高抗拉强度、不易爆炸、抗污闪等优点得到广泛的应用。近年来，全球变电站复合绝缘子的占比越来越高，2016年全球变电站复合绝缘子的占比约为35 %，预计2020年，该比例将超过50 %。首批复合套管投运已近10年，逐渐暴露出一些问题。新疆地区为强风气候，风速甚至可以达到50 m/s，曾经出现过断线、线路绝缘子伞裙撕裂以及倒塔等事故，给电网安全运行带来很大隐患。750 kV断路器出线套管长度约8 m，在强风中周期性振动，可能会出现材料疲劳或者界面缺陷。利用有限元分析软件ANSYS对套管开展流-固耦合仿真，分析套管在风压下的形变幅度以及振动模态，找出应力集中区域，为检修工作提供参考。

1 仿真环境

仿真工作基于ANSYS软件，由于套管整体形变量小，对流场的影响可以忽略不计，所以开展单向流-固耦合的风荷载数值模拟，主要分析套管主体在大风作用下的形变、应变以及应力，涉及的模块为CFX和Static Structural，原理是先假定套管为刚体，计算大风在其表面产生的压强；然后计算套管在风压下的状态。此方法相较双向流-固耦合计算量小，适合几何尺寸大且形变幅度小的结构体仿真。

2 仿真计算模型

2．1 空心复合套管计算模型

图1 套管承受力矩随风向角度的变化

图2 750 kV出线套管3维剖面图

表1 材料的力学参数

750 kV空心复合套管的结构高度8.69 m，考虑顶部均压环高度约为9.35 m。如图1所示，断路器出线套管结构包括为起支撑作用的玻璃纤维增强环氧树脂（FRP）芯体和外部HTV伞裙护套，内部的导电杆为空心铝合金材质。底部法兰位置的内部为双屏蔽电极用以均衡电场。仿真所需的材料参数如表1所示。

断路器出线套管与竖直方向夹角约14～17°，不同方向的来风会有不同的迎风面积。通过计算可知，当风向与套管轴向垂直时，产生的风压最大，套管主体的形变量最大，如图2所示。仿真过程中，套管为竖直方向，风向从左到右。由于套管的伞裙短小密集，且伞倾角较小，对强风引起的主体振动影响不大，故仿真过程中忽略伞裙降低运算所需内存。

2．2 流场计算模型

流场为30 m×20 m×30 m的长方体，即套管上下左右各预留10 m，前面预留10 m，后面预留20 m。流体默认为空气，密度为1.18 kg/m3，设置风速为40 m/s。忽略重力对流体的影响。

3 仿真结果分析

3．1 仿真现象

图3 套管在40 m/s风载荷下的形变

从仿真结果图3可以看出，套管主体在40 m/s的风载荷作用下在风速方向上发生了形变，且越往上形变量越大。顶部均压环位置位移最大，最大值达到了10.38 mm。

图4是套管的玻璃钢芯体所承受的应力（von-Mises）云图。（a）图是迎风面，（b）图是背风面。其中应力主要分布在形变发生的方向，即垂直纸面的方向，两个侧面应力较小。迎风面的应力大小要整体大于背风面的应力值。在迎风面，应力主要集中于套管与法兰连接处的靠上部位，最大值达到2.80 MPa。以最大值为中心，向四周逐渐减小，最小值也有1.03 MPa。背风面的应力分布形式与迎风面类似，只是应力达到～2.80 MPa的区域面积较小。比较有趣的是，在套管与法兰连接的部位，玻璃钢管的应力值很小，如（c）图所示。

3．2 模态分析

表2 预应力下套管的特征频率

运行现场套管主体在强风中会发生振动，振型由套管的结构特性决定。当风速所含频率与套管的特征频率接近时，会发生共振现象。此时套管的振动幅度较大，可能会造成机械损伤甚至危害到断路器的正常工作。所以研究套管的特征频率以及振动模态具有实际工程意义。

在施加风载荷的情况下，对套管结构做由预应力的模态分析，提取前6阶模态，频率如表2所示。

其中2n-1阶与2n阶频率接近，这是套管在两个正交方向的振动模态。风载荷的存在导致二者的频率产生差异，风速方向的振动频率相比下降，但二者的振动形态相同，本文只偶数阶也就是风速方向的振动。自然风速谱的能量密度基本在0～3 Hz范围内，所以6阶模态（～23 Hz）可以忽略。

图5给出了2阶和4阶的振动形变云图。

2阶模态，越往上部振动幅度越大，与之前的静力分析一致，此时应力集中区位于底部法兰上部的FRP管。4阶模态，FRP管整体静止，而内部导电杆发生振动，且两端为波节，中间为波腹，位移幅度最大。此时应力集中区域在导电杆，FRP管应力较小。

4 结论

本文通过对750 kV断路器出线套管开展单向流-固耦合仿真以及施加预应力的模态分析，得出以下结论：

图4 套管的应力分布图

图5 套管振动形变云图

1）高压套管在强风中会发生形变，形变量在厘米量级。形变引起的最大应力集中于FRP管与法兰连接处的上部，最大值达到2.80 MPa。

2）存在风载荷的情况下，套管的低频模态有两种，一种的振型为套管振动，越往上部振幅越大；另一种的振型为套管不动，内部导电杆振动，端部为波节，中间为波腹。

高压出线套管为变电站的重要设备，监测与检修应更有针对性。FRP管与底部法兰连接处的上部是缺陷的高发区，也是检修应该注重的区域。同时应该在强风区监测套管的振动信号，对套管的共振现象发出预警或者采取相应措施。

[1]侯亿晖.输电塔风振响应分析及结构内力计算[D]. 成都:西南交通大学, 2016.

[2]赵桂峰,李杰 等.高压输电塔线耦联体系风振响应有限元分析与现场实测对比研究[J].自然灾害学报,2014(01): 64-74.

[3]陶嗣巍, 树木风振特性试验研究与有限元分析[D]. 北京林业大学, 2013.

[4]卢旦,李承铭,王国俭.上海金茂大厦风振响应的CFD非稳态数值模拟分析[J]. 土木工程学报, 2008(08):31-35.

[5]孔德怡,李黎 等.特高压架空输电线微风振动有限元分析[J].振动与冲击, 2007(08): 64-67+170.

[6] Epackachi, S., et al., Mechanical behavior of electrical hollow composite post insulators: Experimental and analytical study [J]. Engineering Structures, 2015. 93: 129-141.

Simulation on Vibration of Circuit Breaker’s Composite Hollow Insulators under Strong Wind Based on Finite Element Method

SHI Hai-peng1, CAI Jing1, SHI Hai-zhen1, WANG Jin-tong1, JIANG Xiang-rong1, SHEN Zi-kui2, JIA Zhi-dong2,ZHANG Hao-feng2
(1. Xinjiang Power Supply Company Maintenance Company, Urumqi 830000;2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen, 518055)

The deformation and vibration of the high-voltage composite hollow insulators under strong wind will lead to stress concentration and electric field distortion. In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to simulate the deformation amplitude, stress distribution and vibration mode of the bushing in strong wind. Stress concentration area should be especially examined in the future maintenance work.

composite hollow insulator; strain, stress distribution；modal analysis

TM216

A

1004-7204(2017)04-0076-04

赵海鹏，男，助理工程师，主要从事电气设备绝缘检测方面的研究工作；

蔡晶(1964)，男，高级工程师，研究方向为变电设备检修；

石海珍（1965），男，高级工程师，主要从事输变电工程运维及电气绝缘方面的研究工作；

贾志东（1966），男，教授，博士生导师，主要从事外绝缘研究。

申子魁（1994），男，博士生，主要从事外绝缘研究。