風(fēng)力作用下800kV高壓交流隔離開關(guān)導(dǎo)電閘刀在合閘過程中動觸頭偏移的研究

莫 冰 王宇馳 司小偉

（西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司，西安 710077）

風(fēng)力作用下800kV高壓交流隔離開關(guān)導(dǎo)電閘刀在合閘過程中動觸頭偏移的研究

莫 冰 王宇馳 司小偉

（西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司，西安 710077）

從理論計算和計算機仿真兩個角度，對不同風(fēng)力作用下，800kV雙柱水平伸縮式高壓交流隔離開關(guān)導(dǎo)電閘刀，合閘過程中動觸頭位置偏移量進行探究。模擬結(jié)果表明，下部導(dǎo)電桿的應(yīng)力應(yīng)變值遠大于上部導(dǎo)電桿，下部導(dǎo)電桿根部是導(dǎo)電閘刀的高應(yīng)變區(qū)，應(yīng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以降低動觸頭端點偏移量。此外，進行上部導(dǎo)電桿端部的導(dǎo)向裝置驗證，驗證結(jié)果表明，裝有導(dǎo)向板裝置的隔離開關(guān)可滿足12級風(fēng)力的要求。

雙柱水平伸縮式 隔離開關(guān) 合閘過程 偏移量 應(yīng)力 應(yīng)變

引言

我國西北地區(qū)建設(shè)中的750kV超高壓輸變電工程，是1000kV主干網(wǎng)架建設(shè)的重要工程，是我國電力技術(shù)的又一標志性工程。這有利于發(fā)揮我國西北地區(qū)能源優(yōu)勢，推動“西電東送”北通道的形成[1]。2005年，我國第一個750kV超高壓輸變電工程——國家電網(wǎng)公司750kV輸變電示范工程投產(chǎn)運行，這意味著西北電網(wǎng)建設(shè)全方位提速。因此，我國西北地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)正面臨著裝備全面升級和技術(shù)力量更新的局面[2]。

我國西北地區(qū)是多風(fēng)災(zāi)的地區(qū)。以新疆為例，在新疆自治區(qū)內(nèi)的八大風(fēng)區(qū)，8級以上的大風(fēng)一年可達200余次以上[3]。強烈的暴風(fēng)對人畜、房屋、莊稼破壞力極大，令人談“風(fēng)”色變。2006年4月9日至4月10日，受西西伯利亞強冷空氣入侵影響，新疆西北部至東南部地區(qū)出現(xiàn)大風(fēng)、沙塵暴和雨雪天氣，局部地區(qū)風(fēng)力在12級以上，風(fēng)速達51m/s。受狂風(fēng)襲擊的該地區(qū)克拉瑪依變電站，220kV側(cè)斷路器母線側(cè)隔離開關(guān)A相支持瓷瓶根部折斷。受惡劣環(huán)境的影響，致使變電站無法進行系統(tǒng)操作以迅速恢復(fù)供電，最終造成哈密地區(qū)與新疆地區(qū)的解網(wǎng)[4]。

本文以800kV交流高壓隔離開關(guān)為研究對象，以隔離開關(guān)在風(fēng)力作用下合閘過程中動觸頭偏移量為研究背景，設(shè)計適用于強風(fēng)場（風(fēng)速不大于34m/s）作用下開關(guān)設(shè)備為研究目的，進行初步的計算探索，得到適用于隔離開關(guān)風(fēng)力計算的方法，為產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)提供經(jīng)驗依據(jù)以及初步計算基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)品風(fēng)載受力的初步計算

本節(jié)運用力學(xué)原理[5]計算不同風(fēng)速下導(dǎo)電桿的動觸頭端點位移，以期為后續(xù)試驗和數(shù)值分析提供基礎(chǔ)方案和參考依據(jù)。

1.1 不同風(fēng)級下風(fēng)速的選取

根據(jù)中國氣象局于2001年下發(fā)的《臺風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》，并結(jié)合公司高壓電器風(fēng)場運行經(jīng)驗，確定不同風(fēng)級下風(fēng)速范圍，如圖1陰影部分所示。

1.2 隔離開關(guān)不同部位受力計算

1.2.1 計算模型的建立

為計算合理，做出以下幾點假設(shè)：

（1）每級風(fēng)下的風(fēng)速認為是常數(shù)，取圖1中每級風(fēng)力下的平均值，不考慮風(fēng)速的時變量；

圖1 不同風(fēng)級下的風(fēng)速

（2）不同部件間的機械連接認為是剛性連接；

（3）隔離開關(guān)底部支架，采用整體式結(jié)構(gòu)，其形變很小，因此不納入考慮范疇；

（4）本文計算、試驗?zāi)Ｐ蛢H考慮產(chǎn)品抗風(fēng)運行過程中最嚴酷的情形，即認為產(chǎn)品為水平正面迎風(fēng)。

1.2.2 不同部位承受風(fēng)力的計算

圖2給出了隔離開關(guān)外觀圖，整個產(chǎn)品由底架、絕緣子、均壓環(huán)、導(dǎo)電閘刀等組成。產(chǎn)品在風(fēng)力作用下導(dǎo)電閘刀受力主要由導(dǎo)電桿承載的均布力F1和均壓環(huán)承載的均布力F2組成。

圖2 800kV雙柱水平伸縮式高壓交流隔離開關(guān)產(chǎn)品外觀圖

表1給出了產(chǎn)品不同部位的水平正面投影面積。

表1 產(chǎn)品不同部位投影截面積

圖2給出的是800kV雙柱水平伸縮式高壓交流隔離開關(guān)外形圖及產(chǎn)品各部位零件結(jié)構(gòu)。將圖2所示的受均布力作用下的導(dǎo)電閘刀簡化為等截面梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中，AB段為下部導(dǎo)電、CD段為上部導(dǎo)電。

圖3 導(dǎo)電閘刀計算平面內(nèi)受力示意圖

根據(jù)式（1），可得到不同風(fēng)速下產(chǎn)品所受風(fēng)壓P，單位為N/m2。

P=0.6125αv2（1）

式中，α=0.74，為風(fēng)壓阻力系數(shù)；v為風(fēng)速，單位m/s。

將風(fēng)壓與表1給出的產(chǎn)品不同部位的投影面積相乘，得到各部位所受表面均布力，如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)速下800kV雙柱水平伸縮式高壓交流隔離開關(guān)風(fēng)壓及各部位受力情況

1.3 導(dǎo)電閘刀、單根絕緣子最高點偏移量和等效力的計算

1.3.1 端點偏移量的計算

如圖5所示，A點為導(dǎo)電閘刀的根部，設(shè)定為固定點；D點為導(dǎo)電閘刀從分閘到完全合閘前的導(dǎo)電桿動觸頭端點。

圖5 導(dǎo)電閘刀計算示意圖

（1）導(dǎo)電閘刀動觸頭端點撓度的計算

D點的撓度可等效為均布力F1和F2分別單獨作用時，D點位移的線性疊加，即：

（2）絕緣子端點撓度的計算

絕緣子計算平面等效圖，如圖6所示。

圖6 絕緣子受力偏移計算示意圖

最高點E撓度計算公式為：

1.3.2 導(dǎo)電系統(tǒng)中點等效力的計算

如圖7所示，利用公式（4）將圖5所示均布力F1、F2等效轉(zhuǎn)換為中點集中力F3，即：

圖7 中點等效力計算示意圖

將式（2）、式（3）、式（4）的計算結(jié)果匯總，得到如圖8所示的仿真曲線結(jié)果。下面將根據(jù)圖8中給出的等效力數(shù)據(jù)進行試驗方案的設(shè)計。

圖8 不同風(fēng)速下偏移量和等效力值

2 導(dǎo)電閘刀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場和位移場分析

2.1 應(yīng)力場和位移場的仿真計算

產(chǎn)品不同部位的三維應(yīng)力應(yīng)變云圖[6]，如圖9所示。從圖9可以看出，產(chǎn)品高應(yīng)力多集中于下部導(dǎo)電桿，且下部導(dǎo)電桿根部應(yīng)變最大。

圖9 數(shù)值仿真得到的應(yīng)力和位移場云圖（12級風(fēng)）

導(dǎo)電閘刀的三維模型，如圖10所示。以A點為坐標原點，依次提取不同作用力下的AB段（下部導(dǎo)電）、CD段（上部導(dǎo)電）的von mises應(yīng)力、應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)點，如圖11（a）～（c）所示。

圖10 導(dǎo)電閘刀應(yīng)力分析的三維模型

圖11 不同風(fēng)力下導(dǎo)電閘刀的靜力分析

從圖11（a）可以看出，不同載荷條件下，下部導(dǎo)電桿承受的應(yīng)力幾乎是上部導(dǎo)電桿的5倍。導(dǎo)電桿根部是產(chǎn)品應(yīng)力集中區(qū)，12級風(fēng)力作用下，下部導(dǎo)電桿的根部應(yīng)力為25MPa。圖11（b）給出了導(dǎo)電閘刀不同部位的應(yīng)變值?？梢钥闯?，相對于產(chǎn)品其他部分，導(dǎo)電桿根部接近這一區(qū)間約0.3m的范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大變形，根部應(yīng)變幾乎是導(dǎo)電桿中部應(yīng)變的3倍。而根部的變形會經(jīng)長達8m的導(dǎo)電桿傳遞，從而導(dǎo)致導(dǎo)電閘刀端點動觸頭產(chǎn)生過度偏離。圖11（c）給出了風(fēng)載作用下導(dǎo)電閘刀不同部位的偏移量的模擬數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，隨導(dǎo)電桿長度的增加，位移逐步增大。計算結(jié)果表明，12級風(fēng)作用下，導(dǎo)電桿端點動觸頭附近的偏移量約為110mm。

圖12給出了動觸頭結(jié)構(gòu)。動觸頭兩側(cè)均安裝有導(dǎo)向板，安裝有導(dǎo)向板的隔離開關(guān)可在12級風(fēng)力下順利合閘。

圖12 動觸頭結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果對比

基于1.2.1計算作出的假設(shè)，對產(chǎn)品的受力進行計算機模擬，得到導(dǎo)電閘刀的動觸頭端點偏移量，并和前文得到的計算值進行對比，如圖13所示。

圖13 仿真值和力學(xué)計算值的對比

從圖13可以看出，不同計算方法得到的數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢基本相同。計算機模擬得到的數(shù)據(jù)值與試驗值更為接近，驗證了數(shù)值計算方法的可行性。

4 結(jié)論

導(dǎo)電閘刀是隔離開關(guān)的核心部件。在強風(fēng)外載荷（風(fēng)速不大于34m/s）的作用下，導(dǎo)電閘刀動觸頭端點發(fā)生偏移。本文對不同風(fēng)力作用下800kV雙柱水平伸縮式高壓交流隔離開關(guān)導(dǎo)電閘刀動觸頭端點的位置偏移量進行力學(xué)計算和數(shù)值仿真，并得出結(jié)論如下：

（1）應(yīng)用力學(xué)簡化和數(shù)值模擬的方法，對產(chǎn)品在不同風(fēng)力作用下的應(yīng)力場和位移場進行分析，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，驗證了計算機仿真的可行性。

（2）計算結(jié)果得到了在水平正面風(fēng)力作用下，導(dǎo)電閘刀不同部位的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。下部導(dǎo)電桿的根部是整個產(chǎn)品的高應(yīng)變區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。雖然根部應(yīng)力不至使產(chǎn)品金屬部件失效或發(fā)生塑性變形，但過高的根部應(yīng)變經(jīng)長達8m的導(dǎo)電桿傳遞作用，將導(dǎo)致導(dǎo)電閘刀端點動觸頭產(chǎn)生較大偏離，進而會對產(chǎn)品合閘產(chǎn)生一定影響。

（3）隨風(fēng)力的逐級增加，導(dǎo)電閘刀動觸頭端點偏移量呈現(xiàn)顯著的遞增趨勢。當風(fēng)速為34m/s（相當于12級風(fēng)力）時，最大偏移量可達110mm（仿真值）。在導(dǎo)向裝置的作用下，產(chǎn)品可以在這種情況下可靠操作。當風(fēng)速超過34m/s時，相關(guān)運行部門應(yīng)避免在過度惡劣的氣候條件下進行系統(tǒng)操作，同時應(yīng)參考當?shù)貧夂虻淖兓?guī)律，制定相應(yīng)的系統(tǒng)運行方案。

[1]丁新良.750kV電壓等級是西北電網(wǎng)發(fā)展的必然選擇[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26（3）：23-26.

[2]蘇新勝.著力建設(shè)空中電力“高速公路”[N].今日新疆，2009，（17）：18.

[3]劉齊更，李長凱.關(guān)于新疆電網(wǎng)中風(fēng)偏的研究[J].華中電力，2008，（2）：20-23.

[4]王旭，王健，馬禹.新疆大風(fēng)天氣過程的特點[J].新疆氣象，2002，（2）：4-6.

[5]濮良則，紀名剛.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6]鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2007.

Research on the Offset of the 800kV Double Column Horizontal Telescopic AC Disconnector Conductive System under Wind

MO Bing, WANG Yuchi, SI Xiaowei
(Xi’an XD High Voltage Apparatus Co..Ltd, Xi’an 710077)

The theoretical calculation and structure simulation are made to explore the offset of the 800kV double column horizontal telescopic AC disconnector under different winds . Simulation results show that the stress and strain values of lower conductive pole is greater than the upper conductive rod, the root of the conductive system lower conductive pole high strain area, decrease the contact structure optimization should be conducted to limit the offset. On the upper guide to improve the design of the conductive rod end, experience, armed with guide plate isolation switch can meet the requirements of grade 12 wind.

double column horizontal telescopic, disconnector, closing process, offset, stress, strain