基于ANSYS Workbench的均压环断裂分析

王益博，杨 乐，孟 忠，莫 冰，马梁丁，康 鹏

(西安西电高压开关有限责任公司，陕西 西安 710018)

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。

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)

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中深色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2.73×103kg/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。

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。

图9 均压环应力云图

3 结语

结合仿真分析结果和实际发生的断裂情况可以看出，运行在大风环境中的高压隔离开关均压环，在设计强度满足使用要求的前提下，其制造质量至关重要。均压环环体与连接板以焊接方式连接，在焊接热循环作用下，如果焊接工艺不规范，焊缝热影响区会出现过热和粗晶区，造成局部材料强度和韧性下降[8]，导致均压环的焊接处出现断裂。

运行在大风环境中，均压环的几个连接板和环体连接处所受应力最大，容易发生局部疲劳，从而产生裂纹，裂纹逐步扩张，最终导致发生断裂。针对上述问题，应从设计、制造和运行等3个方面来提高和保障均压环的稳定性及抵御风载的能力。

1)设计方面。针对高风载地区的高压隔离开关均压环进行结构优化设计，采取减小应力集中的方式，增加连接板数量，使其与环体连接的部位增多，最大限度地减少局部应力幅值和改善应力集中现象。

2)制造方面。加强对均压环制造过程中的质量控制，对其焊接工艺和焊接质量进行有效的监控和检查，防止出现焊接工艺不规范造成的焊接过热和焊接裂纹等微观及宏观焊接缺陷。

3)运行方面。采用红外、紫外成像监测设备对运行中的高压隔离开关均压环进行监测，及时发现可能出现的裂纹，并进行适当的补焊和加固处理。

[1] 朱正一，贾志东，马国祥，等.强风区750 kV 复合绝缘子抗风性能研究[J]. 中国电机工程学报，2015(11)：5648-5655.

[2] 唐岩.基于ANSYS的750 kV输电线路均压环优化研究[J].实验技术与管理，2013(9):53-57.

[3] 李娟，廖峥，张陵，等.新疆强风沙尘环境下750 kV 线路运维技术[J].电力系统保护与控制，2017(1):123-130.

[4] 秦睿，高健，严丽，等.一起均压环断裂故障的分析与处理[J].高压电器,2014(7)：117-121.

[5] 范永斌， 尹明德，丁奇，等.基于ANSYS Workbench 的叉车货叉疲劳寿命研究[J]. 煤矿机械,2015(1)：105-106.

[6] 王亚利.ANSYS 软件在机械结构分析中的应用[J]. 价值工程,2014(3)：203-204.

[7] 丁新兵.基于ANSYS的传动轴有限元分析[J]. 机械工程与自动化,2017(4)：96-100.

[8] 张凯，冀东红，胡春江，等.某330 kV变电站隔离开关均压环断裂原因分析与建议[J].电工技术，2014(8)：52-53.