復合材料在330 kV變電構架中的力學分析

邱 勇，郁 杰，曹圩娣，朱 勇

(江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇 南通 226553)

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復合材料在330 kV變電構架中的力學分析

邱 勇，郁 杰，曹圩娣，朱 勇

(江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇 南通 226553)

本文以 330 kV GIS變電進出線構架中的復合橫擔為研究對象，基于ANSYS有限元軟件，利用層合板單元對纖維纏繞管進行強度分析，并進一步對復合橫擔的節點進行計算分析。最后，通過力學試驗驗證，說明了該計算方法可為纖維纏繞復合材料結構的選型及設計提供有價值的參考。

變電構架；復合橫擔；GIS；纖維纏繞復合材料管；粘接劑；絕緣

1　引 言

變電構架是變電站中最重要的組成部件之一，長期以來，鋼材憑借它的強度高、性能穩定、易連接等諸多優點成為了變電構架設計的主要材料。但由于鋼材的煉制需要開采大量的礦物，并嚴重的污染了環境。因此，采用新型環保材料代替鋼材成為輸電桿塔用材的一種發展趨勢[1-2]。近年來，復合材料以絕緣性能好，質量輕，耐腐蝕以及好維護等一系列顯著優勢逐步成功應用在輸變電線路中，但由于復合材料鋪層不同導致材料各向異性等結構特點，設計過程中需考慮的參數較多，讓設計人員難以選擇其規格[3-5]。

本文依托西安南某變電站工程，以330kV GIS變電進出線構架中的B相復合橫擔為研究對象，采用有限元軟件ANSYS對復合橫擔進行力學分析，并進一步對纖維纏繞管的強度進行有限元仿真分析[6-8]。該橫擔通過了西安理工大學結構力學試驗驗證，說明了分析模型和分析方法的可行性，為分析纖維纏繞管結構的強度提供一種有效的途徑，該方法可為纖維纏繞復合材料結構的選型及產品設計提供有價值的參考。

2　復合橫擔受力分析

2.1模型確定

330 kV變電構架由四相橫擔組成， A、B、C相橫擔結構相似，其主體部分均是2根水平放置并且呈V字型排列的支柱絕緣子，橫擔端部金具通過2根同樣呈V字型排列的斜拉絕緣串與構架塔相連。復合構架主體結構見圖1。

本文選擇構架中受力最大的B相橫擔作為研究對象，模型的參數為：①支柱絕緣子外徑采用200 mm，內徑采用180 mm；②斜拉索絕緣串的直徑為30 mm；③支柱絕緣子通過法蘭與構架剛性連接，2根支柱絕緣子通過金屬頭膠裝連接成一個整體；④復合絕緣串兩端與構架和支柱絕緣子鉸接連接。根據結構特點，將支柱絕緣子視為梁單元，復合絕緣串視為桿單元。在支柱絕緣子和斜拉絕緣串連接節點處使用剛性單元進行耦合，使梁桿單元協同受力。橫擔B的幾何模型見圖2。

2.2復合橫擔計算結果

作用在B相橫擔上的最大設計荷載：垂直荷載為35.16 kN ，橫向荷載為3.761 kN，縱向荷載為21.6 kN。通過有限元計算可得支柱絕緣子上的最大彎矩為0.524 kN·m，最大軸力為-46.352 kN，最大剪力為13.103 kN,支柱絕緣子和斜拉絕緣串的連接節點處的最大位移為11.8 mm。

圖1　變電構架主體結構形式Fig.1 Body structure form of substation

圖2　復合橫擔B的幾何模型Fig.2 Geometric model of composite cross arm

以上計算可以看出復合橫擔正常工作時，復合橫檔掛線處向下偏移11.8 mm導致支柱絕緣子主要受偏心壓彎荷載。支柱絕緣子的主要壓彎破壞形式有2種，一種是玻璃纖維管中間被壓壞；另一種是纖維纏繞管與法蘭之間膠層受彎矩作用開裂。

3　復合橫擔強度分析

3.1管結構模型分析

支柱絕緣子由法蘭和纖維纏繞管組成。纖維纏繞管材料參數如表1所示。纏繞管子長度為4 039 mm，纏繞角度為60°。采用SHELL281單元模擬纖維纏繞管的鋪層結構，鋪層平均厚度為0.5 mm。纖維纏繞管單元模型見圖3。采用柱坐標系作為復合材料結構坐標系。

圖3　纖維纏繞管單元模型Fig.3 Element model of filament-wound pipe

計算時在纖維絕緣筒一端施加全約束；將支柱絕緣子所受荷載及位移施加在另一端。纖維絕緣管在受壓彎時，其最外層將承受最大應力。應力結果見圖4。從圖4可以看出，最大應力出現在結構的底部為29 MPa，低于纖維纏繞管的屈服抗彎強度90 MPa。最大軸向應力為33.2 MPa，最大環向應力為14.3 MPa，均沒有超過纖維纏繞管材料橫向和縱向拉壓極限強度。

表1　纖維纏繞管材料參數

圖4　最外纏繞層應力分布圖Fig.4 stress distribution of outer layer

3.2復合橫擔節點模型分析

由于纖維纏繞管與法蘭為粘接連接，因此結構膠層的抗剪強度及粘接劑與絕緣管和法蘭之間的粘接強度將直接決定節點的可靠性[9-10]。由于法蘭與纏繞管為套接，不存在初始緊固力，故不考慮摩擦作用。將粘接劑與纖維纏繞管和法蘭之間的接觸視為綁定接觸。在法蘭和纖維纏繞管的界面上插入接觸單元，采用面-面接觸單元，剛度較大的法蘭表面被當做目標面，采用Targe170單元模擬三維的目標面，較柔的纖維纏繞管表面被當做接觸面，采用Conta174單元模擬，目標單元和接觸單元必須設置相同的實常數號。在法蘭的底部，纖維纏繞管與法蘭接觸處視為光滑無摩擦接觸。由于支柱絕緣子在受壓彎荷載及位移荷載時，纏繞管和法蘭底部將逐步出現分離，需要考慮接觸狀態的非線性。將荷載逐步施加在支柱絕緣子一端。最后，粘接劑的計算結果見圖5-6。

圖5　膠層剪切應力分布云圖Fig.5 Shear stress distribution of gelling agent

圖6　纏繞筒和法蘭之間的粘接強度Fig.6 Bonding strength between the tube and flange

從圖5可以看出，粘接劑的最大剪切應力出現在上端，粘接劑的最大剪切應力為2.1 MPa，低于粘接劑材料破壞剪切強度。從圖6中可以看出，粘接劑與纖維纏繞管和法蘭之間的最大粘接應力為2.17 MPa，最大應力出現在纖維纏繞管與法蘭分離最大處，符合支柱絕緣子壓彎的試驗結果，計算能滿足粘接劑的材料性能要求，并能滿足復合材料安全系數的要求。

4　結 語

由于復合材料結構復雜，應考慮材料的各項異性及纖維的鋪層信息，采用最大應力準則可以對纖維纏繞管進行強度預測，并對纖維纏繞管的鋪層及角度的設計有指導性作用，從而達到節約材料，控制成本的目的。

纖維纏繞管與法蘭的膠裝連接，應建立膠層的詳細數值模型，計算粘接劑的剪切應力，并考慮粘接劑與纖維纏繞管和法蘭之間的粘接應力。這樣可以快速的選擇纖維纏繞管的膠裝高度，并能對膠裝結構進行精細化優化，從而很好的解決復合材料連接難設計的問題。

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[7]余偉煒.ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京：中國水利水電出版社,2007:52-53.

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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，江蘇人，碩士，工程師。研究方向：復合桿塔分析研究工作。E-mail：qyong@shenmapower.com.