考慮風(fēng)載作用的絕緣穿刺線夾多物理場耦合研究

馮 玉, 吳少雷, 吳 凱, 汪張寶, 何文信, 王 偉

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,用電需求的不斷增加給電力傳輸帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。高壓架空線路是電力傳輸?shù)暮诵?需要大量使用接續(xù)金具實現(xiàn)電能分流,為城市、農(nóng)村和企業(yè)等提供電能。接續(xù)金具因具有操作便捷、對導(dǎo)線的損傷小、可以帶電作業(yè)等優(yōu)勢,在導(dǎo)線接續(xù)工作中得到廣泛應(yīng)用。然而,在實際服役中,大量分布的接續(xù)金具會出現(xiàn)性能退化,導(dǎo)致供電線路故障甚至引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)[1]。相關(guān)研究表明,在多場耦合工況下,接續(xù)金具的接觸電阻增大或大載流等會產(chǎn)生顯著溫升,進(jìn)一步惡化金具的服役性能,最終導(dǎo)致架空線路故障[2-3]。因此,有必要對接續(xù)金具的多場耦合特性展開相關(guān)的研究。

有限元法(finite element method,FEM)是接續(xù)金具多場耦合分析常用的方法。但眾多的分析是基于電接觸的靜態(tài)理想工況建立相應(yīng)的耦合模型,文獻(xiàn)[4-5]采用有限元仿真分析電連接器在室溫、靜態(tài)下的溫度分布特性,并結(jié)合溫度場結(jié)果分析了電連接器的結(jié)構(gòu)特性;文獻(xiàn)[6]在絕熱環(huán)境下考慮接觸表面狀態(tài)對接觸電阻和生熱的影響,并進(jìn)行了溫度場與結(jié)構(gòu)場的耦合演變分析;文獻(xiàn)[7]研究了絕熱工況下電源連接器的熱行為,對熱結(jié)構(gòu)耦合失效機(jī)理進(jìn)行深層次的分析。研究表明電接觸會產(chǎn)生明顯的生熱現(xiàn)象,使得電連接器承受較大的熱負(fù)荷,而生熱量取決于多方面的影響因素;文獻(xiàn)[8]建立了多尺度粗糙表面的多場耦合電接觸模型,并結(jié)合該模型分析接觸材料屬性、表面粗糙度等對電連接器的生熱影響,進(jìn)一步分析某溫度下電接觸性能與可靠性;文獻(xiàn)[9]建立大電流電接觸的熱電耦合模型,研究了電流脈沖和短路工況下觸點(diǎn)的瞬態(tài)溫升,并分析了瞬態(tài)熱效應(yīng)對接觸電阻的影響。因此,材料屬性、表面接觸狀況及通電電流等對溫升具有較大的影響,導(dǎo)致電連接器在不同的服役條件下溫升也有較大的差別,尤其是在大電流及靜態(tài)理想條件下,連接器溫升更加顯著。

眾多研究表明電連接器的失效主要與溫度有關(guān)。文獻(xiàn)[10-11]針對GIS梅花接頭的過早失效展開研究,建立該接頭的多場耦合模型,研究發(fā)現(xiàn)接頭插入深度不足時接頭過熱,發(fā)生過熱性故障,并進(jìn)行接頭的溫升實驗,驗證該計算模型的有效性;文獻(xiàn)[12]基于ANSYS分析導(dǎo)線直徑對汽車電連接器電接觸性能的影響,研究結(jié)果表明適合的導(dǎo)線直徑能夠降低連接器的溫升,高溫使得連接器發(fā)生粘接而失效;文獻(xiàn)[13]建立了AgNi10觸頭的熱電力耦合模型,并考慮溫度對材料特性的影響,發(fā)現(xiàn)電流密度在接觸區(qū)域呈環(huán)形分布,形成環(huán)形熱源,造成接觸區(qū)域熱應(yīng)力集中,易于形成裂紋源,最后斷裂失效。綜上所述,多場耦合下電連接器的電接觸性能及壽命受到多方面因素的影響,其中溫度是重要的影響因素,溫度過高會進(jìn)一步惡化電接觸性能,最終導(dǎo)致連接器燒蝕或斷裂失效。風(fēng)載作用可以緩解連接器相對高溫帶來的不利影響,但也會讓連接器承受較大的循環(huán)應(yīng)力,尤其是穿刺線夾的風(fēng)載作用更加劇烈。

為研究風(fēng)載作用時穿刺線夾的溫度分布及結(jié)構(gòu)應(yīng)力,本文建立穿刺線夾電熱力多場耦合模型,并完成穿刺線夾在不同安裝扭矩下接觸電阻的測量實驗,將通電下的接觸電阻熱換算成生熱量施加到有限元模型中,考慮風(fēng)載作用對穿刺線夾散熱及結(jié)構(gòu)應(yīng)力波動的影響,定義合理的熱對流邊界條件和循環(huán)振動載荷,得到線夾在不同安裝扭矩下的溫度場及結(jié)構(gòu)場特性,分析安裝扭矩對線夾溫升、應(yīng)力分布等的影響,為線夾更好的服役提供理論依據(jù)。

1 分析基礎(chǔ)理論

1.1 接觸電阻理論

金屬材料的加工表面并非理論上的光滑表面,而是存在無數(shù)個微小粗糙峰,同時存在氧化膜及其他污染膜。當(dāng)2個金屬表面在一定的壓力作用下相互接觸時,微觀粗糙峰會刺破接觸表面的絕緣膜層,從而形成無數(shù)微小的接觸斑點(diǎn)(稱為α斑點(diǎn)),這些斑點(diǎn)是電流導(dǎo)通的唯一路徑[14]。當(dāng)電流通過接觸表面時,由于α斑點(diǎn)的離散分布,電流線會產(chǎn)生收縮,形成收縮電阻,與膜層電阻共同構(gòu)成接觸電阻,穿刺線夾-導(dǎo)線的接觸電阻示意圖如圖1所示。

圖1 穿刺線夾-導(dǎo)線接觸電阻示意圖

1.2 穿刺線夾受力分析

絕緣穿刺線夾(以下簡稱線夾)通過線夾上的2個定扭矩螺栓安裝在導(dǎo)線上，螺栓擰緊過程中，由于螺栓與被連接件表面粗糙不平，各部件之間會存在摩擦作用。螺栓安裝示意圖如圖2所示。

圖2 螺栓安裝示意圖

安裝時扭矩需要克服螺紋接觸面間摩擦力矩Mk以及螺母與被連接件間的摩擦力矩Mg，余下扭矩Mr轉(zhuǎn)化為螺栓的預(yù)緊力。相關(guān)計算表明，螺栓擰緊過程中大約50%的扭矩用于克服有關(guān)部件之間的摩擦力，大約40%的扭矩用于克服螺紋副之間的摩擦力，真正轉(zhuǎn)化為螺栓預(yù)緊力的部分大約為10%。

擰緊過程中所需的安裝扭矩計算公式為:

M=Mr+Mk+Mg=

(1)

其中:F0為螺栓預(yù)緊力;P為螺距;μk、μg分別為螺紋連接面間和螺母壓面處摩擦系數(shù);d2為螺紋中徑;Dkm為中心直徑。

本文研究的線夾型號為JJC 10-240/150,采用M8緊固螺栓,該螺栓相關(guān)參數(shù)見表1所列。

表1 螺栓相關(guān)參數(shù)

考慮到線夾在安裝過程中會對導(dǎo)線產(chǎn)生較大的接觸壓力,該穿刺線夾允許施加的最大安裝扭矩為32 N·m,于是取14～32 N·m的范圍,并以2 N·m作為梯度選取數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,螺栓在每一級安裝扭矩下對應(yīng)的預(yù)緊力見表2所列。

表2 線夾螺栓預(yù)緊力

1.3 接觸電阻等效處理

接觸電阻是線夾工作時熱量的主要來源,對接觸電阻進(jìn)行準(zhǔn)確的等效處理是線夾多場耦合分析的關(guān)鍵。因為接觸電阻是接觸表面的粗糙不平造成的,接觸電阻產(chǎn)生的熱量也集中在兩導(dǎo)體接觸表面處,所以在電-熱耦合仿真的過程中可以通過接觸面的產(chǎn)熱量來進(jìn)行模擬[15]。

對于線夾-導(dǎo)線模型來說,因為接觸電阻只存在于穿刺刀片與導(dǎo)線的接觸部位,所以接觸電阻造成的功率損耗僅存在于穿刺刀片兩端的接觸面上,因此穿刺刀片金屬觸頭處接觸電阻的生熱率q計算公式為:

(2)

其中:i為電流;Rc為總的接觸電阻;S為所有觸頭的接觸面積總和。

接觸電阻數(shù)值與安裝扭矩的關(guān)系如圖3所示。通過實驗測量線夾-導(dǎo)線在不同安裝扭矩及激勵電流下的接觸電阻,結(jié)合(2)式計算載流量為290 A時不同安裝扭矩下接觸電阻的生熱率，即可得到表2中的數(shù)據(jù)。

圖3 接觸電阻與安裝扭矩的關(guān)系

2 仿真模型建立

2.1 模型簡化與前處理

在建立線夾的有限元模型時,為減少模型規(guī)模,節(jié)約計算資源,避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)造成網(wǎng)格質(zhì)量差使得計算結(jié)果難收斂的問題，本文對穿刺線夾模型進(jìn)行如下簡化。

(1)舍去線夾兩絕緣外殼之間的配合凹槽、表面凹凸結(jié)構(gòu)及細(xì)小的過度圓角等。

(2)去除螺栓上方定扭矩斷裂部分,對線夾的螺栓、螺母上的螺紋進(jìn)行簡化。

(3)簡化電纜導(dǎo)線,將與線夾配合的輸電線簡化為單一線徑的圓柱導(dǎo)線。

將簡化后的線夾3D模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中,簡化后的模型如圖4所示。

圖4 簡化模型示意圖

2.2 定義材料屬性及網(wǎng)格劃分

線夾結(jié)構(gòu)中有多種材料類型,需要在模型中定義合理的材料屬性參數(shù)。在電-熱耦合分析中,需要使用的材料屬性參數(shù)見表3所列。表3中,絕緣外殼及導(dǎo)線絕緣層的電阻率理論上無窮大,可以設(shè)置為9 999。熱-結(jié)構(gòu)耦合分析中所采用的材料屬性參數(shù)見表4所列。

表3 線夾電-熱耦合分析材料屬性

表4 線夾熱-結(jié)構(gòu)耦合分析材料屬性

為保證仿真高精度的同時降低計算周期,對線夾-導(dǎo)線接觸部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理,采用六面體單元,整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1.0 mm,其余沒有接觸部分的整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3.0 mm,絕緣外殼設(shè)置為4.0 mm。導(dǎo)線外部的絕緣層根據(jù)其厚度,主導(dǎo)線絕緣層與支導(dǎo)線絕緣層網(wǎng)格大小分別設(shè)置為1.5、1.0 mm。網(wǎng)格劃分后整個有限元模型中包含575 591個節(jié)點(diǎn)、184 285個單元,平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.804 39。

2.3 線夾邊界條件

線夾多場耦合分析時,先進(jìn)行電-熱耦合穩(wěn)態(tài)分析,再進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析。在電-熱分析中,假設(shè)環(huán)境溫度為30 ℃,考慮空氣流速為5 m/s,對應(yīng)工況下的線夾表面對流換熱系數(shù)為5.78 W/(m2·℃),在主導(dǎo)線的端面施加290 A的穩(wěn)定電流,在副導(dǎo)線的另一端面設(shè)置0的電壓以模仿電流的導(dǎo)通。最后在穿刺觸頭表面以熱通量的形式施加接觸電阻生熱率,以模仿接觸電阻生熱現(xiàn)象。

線夾-導(dǎo)線的電-熱耦合穩(wěn)態(tài)分析邊界條件如圖5所示。

圖5 電-熱耦合穩(wěn)態(tài)分析邊界條件

在電-熱耦合穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上,將溫度場仿真結(jié)果導(dǎo)入熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析中,作為初始載荷條件。此外,線夾還承受其他外載荷,如螺栓預(yù)緊力、自重、架空導(dǎo)線張拉力、風(fēng)載荷等。根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，該導(dǎo)線張拉力約為6 935.8 N,導(dǎo)線的風(fēng)載作用根據(jù)卡門渦街及輸電導(dǎo)線的風(fēng)載理論振幅計算得到,并以循環(huán)位移載荷的形式施加在導(dǎo)線的一側(cè)。基于瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析法可以設(shè)置2個載荷步,設(shè)定第1個載荷步模擬穿刺線夾的安裝過程,即對螺栓施加24 N·m的預(yù)緊力,為第2個載荷步分析提供預(yù)接觸。其總時長約占總分析時長的1/10,初始分析子步數(shù)為10、最小子步數(shù)為1、最大子步數(shù)為20;第2個載荷步總時長設(shè)置為20倍導(dǎo)線單次振動的周期,子步數(shù)為100。熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析邊界條件如圖6所示。

圖6 熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析邊界條件

3 仿真結(jié)果分析

3.1 溫度場結(jié)果分析

線夾電-熱耦合穩(wěn)態(tài)分析的最終溫度分布如圖7所示。

圖7 線夾溫度分布云圖

從圖7可以看出,線夾整體溫度分布呈現(xiàn)不均勻的狀態(tài)。刀片的溫度是整個線夾溫度最高的區(qū)域,高達(dá)55.44 ℃,最低溫度則出現(xiàn)在絕緣外殼兩端及兩絕緣外殼相互接觸的部位,最低溫度為35.14 ℃,溫差為20.33 ℃。

從圖7還可以看出,穿刺刀片的整體溫度較為均勻,這是由于線夾內(nèi)部處于封閉的狀態(tài),僅與絕緣外殼產(chǎn)生熱交換,而絕緣外殼是由于低熱傳導(dǎo)率材料及刀片較高的熱傳導(dǎo)性能使得刀片維持在較高的溫度；同時看出絕緣外殼與穿刺刀片接觸的部分溫度較高而絕緣外殼整體的溫度較低,造成這種現(xiàn)象的原因在于絕緣外殼與空氣存在對流熱交換,并且絕緣外殼的導(dǎo)熱性能較差,造成了內(nèi)外的溫差現(xiàn)象。這種內(nèi)部溫度集中現(xiàn)象不利于線夾的長期溫度運(yùn)行,會造成部件材料的受力不均易于老化失效。因此,絕緣外殼材料在保證高絕緣性、高強(qiáng)度的同時需要具備良好的導(dǎo)熱性能。

線夾在不同安裝扭矩作用下的最高溫度、平均溫度、最低溫度變化如圖8所示。

從圖8可以看出,隨著安裝扭矩的增大,溫度均呈現(xiàn)下降趨勢,隨后趨于平穩(wěn),這與接觸電阻值隨安裝扭矩的變化趨勢基本一致。在同樣290 A載流量工況下,14、32 N·m安裝扭矩下線夾的最高溫度分別為49.03、86.42 ℃,溫差達(dá)到37.39 ℃,可見安裝扭矩對線夾溫升特性具有重要的影響。文獻(xiàn)[16]的研究表明，線夾在長期工作時允許的最高溫度不應(yīng)超過75 ℃,結(jié)合仿真結(jié)果可知,在額定載流量范圍內(nèi),安裝扭矩應(yīng)大于18 N·m。

圖8 不同安裝扭矩作用下線夾溫度曲線

3.2 結(jié)構(gòu)場結(jié)果分析

由線夾熱-結(jié)構(gòu)耦合瞬態(tài)分析結(jié)果表明,可以得到在0.023 s時線夾-導(dǎo)線的應(yīng)力分布云圖，如圖9所示。

由圖9可知，線夾的最大應(yīng)力位于穿刺刀片上,除去刀尖等應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力大小基本維持在350 MPa以內(nèi)。

圖9 線夾-導(dǎo)線的應(yīng)力分布云圖

線夾不同安裝扭矩下的最大應(yīng)力隨時間的動態(tài)變化如圖10所示。

由圖10可知,線夾安裝完畢后,大約0.03 s時線夾的最大應(yīng)力達(dá)到最大,且隨安裝扭矩的增加而增大,在32 N·m安裝扭矩時最大應(yīng)力達(dá)到900 MPa,而后加入溫度與風(fēng)載振動載荷,線夾-導(dǎo)線的最大應(yīng)力開始波動。當(dāng)安裝扭矩在24 N·m以下時,由于原始最大應(yīng)力的差異使得最大應(yīng)力圍繞某一水平進(jìn)行波動,但不同安裝扭矩下的最大應(yīng)力波動趨勢基本一致;當(dāng)安裝扭矩在28 N·m以上時,各應(yīng)力波動曲線大致在同一水平,僅有波動幅度的差異,安裝扭矩越大總體上應(yīng)力波動幅度越小,據(jù)此推測在大安裝扭矩工況下,風(fēng)載振動對線夾的最大應(yīng)力波動影響越小。

圖10 安裝扭矩對線夾最大應(yīng)力的影響

針對風(fēng)載振動對線夾應(yīng)力分布的影響,線夾風(fēng)載振動導(dǎo)致最大應(yīng)力波動幅度和最大應(yīng)力增長量與安裝扭矩的關(guān)系如圖11所示。圖11中,波動幅度為最大應(yīng)力波動曲線峰值與谷值間的差,穩(wěn)態(tài)均值為穩(wěn)定波動時間段內(nèi)通過曲線數(shù)據(jù)計算的平均值。

圖11 安裝扭矩對線夾最大應(yīng)力波動特性影響

由圖11a可知,隨著安裝扭矩的增加,線夾的最大應(yīng)力波動幅度總體上變小,但局部存在明顯的突變,造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于改變安裝扭矩導(dǎo)致接觸電阻改變,使得多場耦合間的相互作用發(fā)生變化。當(dāng)安裝扭矩為24～28 N·m時,線夾的最大應(yīng)力波動幅度明顯降低,分別為44.25、43.75、46.89 MPa,可以認(rèn)為在該安裝扭矩范圍內(nèi)線夾的應(yīng)力波動幅度受風(fēng)載振動的影響較小。由圖11b可知,隨著安裝扭矩的增加,穩(wěn)態(tài)均值基本呈增長趨勢,增長量也各不相同。當(dāng)安裝扭矩從26 N·m增加到28 N·m時,穩(wěn)態(tài)均值增量最大,約為91.1 MPa,但較大的安裝扭矩會大幅度地減小應(yīng)力波動幅度,較小的應(yīng)力波動幅度有利于延長線夾的疲勞壽命。綜上所述,電-熱耦合分析結(jié)果表明線夾適宜的安裝扭矩范圍為24～28 N·m。

4 結(jié) 論

(1)線夾接觸電阻測量實驗表明,隨著安裝扭矩的增加,接觸電阻越小,多場耦合分析表明其溫升也越小,有利于改善線夾的工作狀態(tài),但線夾最高溫度位于穿刺刀片上,在應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注刀片的溫度分布,盡可能采用具有良好導(dǎo)熱性的外殼體,有利于線夾內(nèi)部結(jié)構(gòu)的散熱。

(2)電-熱耦合穩(wěn)態(tài)分析表明線夾最高溫度隨安裝扭矩的減小與載流量的增加呈現(xiàn)加速上升趨勢,因為10 kV架空導(dǎo)線的穩(wěn)定運(yùn)行溫度要求在75 ℃以下,所以線夾在該風(fēng)載工況下的安裝扭矩至少達(dá)到18 N·m。

(3)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析結(jié)果表明,線夾安裝扭矩越大,其最大應(yīng)力越大,但能夠減小風(fēng)載振動引起的最大應(yīng)力波動幅度,尤其在24～28 N·m的安裝扭矩范圍內(nèi),線夾最大應(yīng)力波動幅度驟降,延長了線夾的疲勞壽命。