复合材料在330 kV变电构架中的力学分析

邱 勇，郁 杰，曹圩娣，朱 勇

(江苏神马电力股份有限公司，江苏 南通 226553)



复合材料在330 kV变电构架中的力学分析

邱 勇，郁 杰，曹圩娣，朱 勇

(江苏神马电力股份有限公司，江苏 南通 226553)

本文以 330 kV GIS变电进出线构架中的复合横担为研究对象，基于ANSYS有限元软件，利用层合板单元对纤维缠绕管进行强度分析，并进一步对复合横担的节点进行计算分析。最后，通过力学试验验证，说明了该计算方法可为纤维缠绕复合材料结构的选型及设计提供有价值的参考。

变电构架；复合横担；GIS；纤维缠绕复合材料管；粘接剂；绝缘

1　引 言

变电构架是变电站中最重要的组成部件之一，长期以来，钢材凭借它的强度高、性能稳定、易连接等诸多优点成为了变电构架设计的主要材料。但由于钢材的炼制需要开采大量的矿物，并严重的污染了环境。因此，采用新型环保材料代替钢材成为输电杆塔用材的一种发展趋势[1-2]。近年来，复合材料以绝缘性能好，质量轻，耐腐蚀以及好维护等一系列显著优势逐步成功应用在输变电线路中，但由于复合材料铺层不同导致材料各向异性等结构特点，设计过程中需考虑的参数较多，让设计人员难以选择其规格[3-5]。

本文依托西安南某变电站工程，以330kV GIS变电进出线构架中的B相复合横担为研究对象，采用有限元软件ANSYS对复合横担进行力学分析，并进一步对纤维缠绕管的强度进行有限元仿真分析[6-8]。该横担通过了西安理工大学结构力学试验验证，说明了分析模型和分析方法的可行性，为分析纤维缠绕管结构的强度提供一种有效的途径，该方法可为纤维缠绕复合材料结构的选型及产品设计提供有价值的参考。

2　复合横担受力分析

2.1模型确定

330 kV变电构架由四相横担组成， A、B、C相横担结构相似，其主体部分均是2根水平放置并且呈V字型排列的支柱绝缘子，横担端部金具通过2根同样呈V字型排列的斜拉绝缘串与构架塔相连。复合构架主体结构见图1。

本文选择构架中受力最大的B相横担作为研究对象，模型的参数为：①支柱绝缘子外径采用200 mm，内径采用180 mm；②斜拉索绝缘串的直径为30 mm；③支柱绝缘子通过法兰与构架刚性连接，2根支柱绝缘子通过金属头胶装连接成一个整体；④复合绝缘串两端与构架和支柱绝缘子铰接连接。根据结构特点，将支柱绝缘子视为梁单元，复合绝缘串视为杆单元。在支柱绝缘子和斜拉绝缘串连接节点处使用刚性单元进行耦合，使梁杆单元协同受力。横担B的几何模型见图2。

2.2复合横担计算结果

作用在B相横担上的最大设计荷载：垂直荷载为35.16 kN ，横向荷载为3.761 kN，纵向荷载为21.6 kN。通过有限元计算可得支柱绝缘子上的最大弯矩为0.524 kN·m，最大轴力为-46.352 kN，最大剪力为13.103 kN,支柱绝缘子和斜拉绝缘串的连接节点处的最大位移为11.8 mm。

图1　变电构架主体结构形式Fig.1 Body structure form of substation

图2　复合横担B的几何模型Fig.2 Geometric model of composite cross arm

以上计算可以看出复合横担正常工作时，复合横档挂线处向下偏移11.8 mm导致支柱绝缘子主要受偏心压弯荷载。支柱绝缘子的主要压弯破坏形式有2种，一种是玻璃纤维管中间被压坏；另一种是纤维缠绕管与法兰之间胶层受弯矩作用开裂。

3　复合横担强度分析

3.1管结构模型分析

支柱绝缘子由法兰和纤维缠绕管组成。纤维缠绕管材料参数如表1所示。缠绕管子长度为4 039 mm，缠绕角度为60°。采用SHELL281单元模拟纤维缠绕管的铺层结构，铺层平均厚度为0.5 mm。纤维缠绕管单元模型见图3。采用柱坐标系作为复合材料结构坐标系。

图3　纤维缠绕管单元模型Fig.3 Element model of filament-wound pipe

计算时在纤维绝缘筒一端施加全约束；将支柱绝缘子所受荷载及位移施加在另一端。纤维绝缘管在受压弯时，其最外层将承受最大应力。应力结果见图4。从图4可以看出，最大应力出现在结构的底部为29 MPa，低于纤维缠绕管的屈服抗弯强度90 MPa。最大轴向应力为33.2 MPa，最大环向应力为14.3 MPa，均没有超过纤维缠绕管材料横向和纵向拉压极限强度。

表1　纤维缠绕管材料参数

图4　最外缠绕层应力分布图Fig.4 stress distribution of outer layer

3.2复合横担节点模型分析

由于纤维缠绕管与法兰为粘接连接，因此结构胶层的抗剪强度及粘接剂与绝缘管和法兰之间的粘接强度将直接决定节点的可靠性[9-10]。由于法兰与缠绕管为套接，不存在初始紧固力，故不考虑摩擦作用。将粘接剂与纤维缠绕管和法兰之间的接触视为绑定接触。在法兰和纤维缠绕管的界面上插入接触单元，采用面-面接触单元，刚度较大的法兰表面被当做目标面，采用Targe170单元模拟三维的目标面，较柔的纤维缠绕管表面被当做接触面，采用Conta174单元模拟，目标单元和接触单元必须设置相同的实常数号。在法兰的底部，纤维缠绕管与法兰接触处视为光滑无摩擦接触。由于支柱绝缘子在受压弯荷载及位移荷载时，缠绕管和法兰底部将逐步出现分离，需要考虑接触状态的非线性。将荷载逐步施加在支柱绝缘子一端。最后，粘接剂的计算结果见图5-6。

图5　胶层剪切应力分布云图Fig.5 Shear stress distribution of gelling agent

图6　缠绕筒和法兰之间的粘接强度Fig.6 Bonding strength between the tube and flange

从图5可以看出，粘接剂的最大剪切应力出现在上端，粘接剂的最大剪切应力为2.1 MPa，低于粘接剂材料破坏剪切强度。从图6中可以看出，粘接剂与纤维缠绕管和法兰之间的最大粘接应力为2.17 MPa，最大应力出现在纤维缠绕管与法兰分离最大处，符合支柱绝缘子压弯的试验结果，计算能满足粘接剂的材料性能要求，并能满足复合材料安全系数的要求。

4　结 语

由于复合材料结构复杂，应考虑材料的各项异性及纤维的铺层信息，采用最大应力准则可以对纤维缠绕管进行强度预测，并对纤维缠绕管的铺层及角度的设计有指导性作用，从而达到节约材料，控制成本的目的。

纤维缠绕管与法兰的胶装连接，应建立胶层的详细数值模型，计算粘接剂的剪切应力，并考虑粘接剂与纤维缠绕管和法兰之间的粘接应力。这样可以快速的选择纤维缠绕管的胶装高度，并能对胶装结构进行精细化优化，从而很好的解决复合材料连接难设计的问题。

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Mechanics Analysis of Composite Materials for 330 kV Substation

QIU Yong,YU Jie,CAO Weidi,ZHU Yong

(Jiangsu Shenma Electric Scientific and Technical Co.Ltd,Nantong 226553，Jiangsu，China)

Based on the composite cross arm of 330kV substation framework,the strength in the layer of filament-wound pipe is evaluated by the finite element software ANSYS.The joint in cross arm is further analyzed.The analyzing method is verified that can provide reference for the construction selection and design through mechanical tests.

substation framework；composite cross arm；GIS；filament- wound pipe；adhevise； insulation

2014-12-30)

邱勇(1987-)，男，江苏人，硕士，工程师。研究方向：复合杆塔分析研究工作。E-mail：qyong@shenmapower.com.