短路電流下間隔棒受力仿真研究

司學振　陶亞光　宋高麗　任鵬亮　陳釗　謝凱

摘 要：間隔棒的應用越來越廣泛，其受到損傷時將極大影響輸電線路的安全運行。因此本文利用有限元仿真軟件對某雙框板間隔棒在線路發生短路時所承受的向心力進行了仿真研究，明確了間隔棒各部件在線路發生短路故障時的受力狀況及薄弱點。結果表明：在這種工況下，間隔棒線夾端部、框架中部位移變化最大;間隔棒線夾本體與框架連接的根部、框架中部出現最大應力。

關鍵詞：輸電線路;間隔棒;向心力

中圖分類號：TM752文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0138-04

Research on the Stress of Spacer Rod under Short Circuit Current

SI Xuezhen1 TAO Yguang1 SONG GaoLi2 REN PengLiang2 CHEN Zhao2 XIE Kai1

（1.State Grid Key Laboratory of Power Overhead Transmission Line Galloping Prevention Technique， State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450052;2. Henan Jiuyu Epri Electric Technology Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： The application of spacer rods is more and more widespread， and when they are damaged， it will greatly affect the safe operation of transmission lines. Therefore， in this paper， the finite element simulation software was used to simulate the centripetal force that a double-frame spacer rod was subjected when a short circuit occurs. The results show that under this condition， the displacement of the end of the spacer clamp and the middle of the frame changes the most， and the maximum stress appears at the root of the connection between the spacer clamp and the frame and the middle of the frame.

Keywords： transmission line;spacer rod;centripetal force

遠距離、大容量的超、特高壓輸電線路每相導線采用了二、四、六、八分裂導線。為了保證分裂導線線束間距保持不變，以滿足電氣性能，降低表面電位梯度，并在短路情況下，導線線束間不致產生電磁力，造成相互吸引碰撞，或雖引起瞬間的吸引碰撞，但事故消除后即能恢復到正常狀態，因而在檔距中相隔一定距離安裝了間隔棒。安裝間隔棒對次檔距震蕩和微風振動也可起到一定的抑制作用[1-3]。

子間隔棒作為電力金具的一種，在輸電線路中的作用是使一相導線中的多根子導線保持一定的相對間隔位置。在輸電線路發生短路故障時，間隔棒就會承受由于短路電流產生的向心力，這就要求間隔棒的材質及結構滿足一定要求[4]。

本文基于ANSYS有限元仿真軟件，對某種雙框板間隔棒進行了仿真建模，通過對間隔棒施加向心力載荷，模擬其在輸電發生短路故障時的工況，仿真結果可以為間隔棒的優化設計提供參考，同時為間隔棒在特高壓輸電線路上的推廣應用提供理論基礎。

1 間隔棒有限元建模

某間隔棒如圖1所示，線夾本體和框架的材料為鑄造鋁合金ZL102A，關節橡膠墊的材料為聚氨酯;線夾本體和框架選用SOLID45單元，關節橡膠墊選用HYPER58單元。所用鋁合金的材質性能如表1所示。

2 子間隔棒向心力工況模型建立

2.1 工況分析

參照《間隔棒技術條件和實驗方法》（DL/T 1098—2009）[3]中的子間隔棒向心力試驗要求可知，該試驗是為了檢驗導線短路時間隔棒承受壓縮作用力的能力，試驗布置如圖2所示。在水平方向施加拉力，然后逐漸增大拉力，使作用在子間隔棒上的向心力達到要求值，子間隔棒不出現變形、損傷，則試驗通過。本文就按照上述實驗內容對四分裂子間隔棒進行有限元仿真分析。

間隔棒向心力計算公式如式（1）所示：

其中，[Pmax]是短路電流引起的向心力，N;[n]是子導線根數;[I]是短路電流，kA;[H]是子導線張力，N;S是子導線分裂圓直徑，mm;D是子導線直徑，mm。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 單元選擇與網格劃分。結合上述參數，建立的子間隔棒有限元模型如圖3所示。

2.2.2 載荷、約束的施加。通過間隔棒向心力計算公式可得出子間隔棒的向心力為12.9 kN，方向與框架對角線平行，約束位置為四分之一框架的截斷面，約束類型為對稱約束，載荷和約束施加情況如圖4所示。

3 計算結果及分析

在向心力工況下，子間隔棒[X]、[Z]方向位移云圖如圖5、圖6所示。其中，[X]方向最大位移為5.1 mm，出現在線夾本體端部位置;[Z]方向最大位移為3.3 mm，出現在線夾本體端部位置。子間隔棒應力云圖如圖7所示，最大應力為91 MPa。

在向心力工況下，框架[X]、[Z]方向位移云圖如圖8、圖9所示。其中，[X]方向最大位移為0.06 mm，出現在框架中間位置，主要是由框架中間彎曲變形造成的[Z]方向最大位移為0.08 mm，也是出現在框架中間位置，也是由框架中間彎曲變形造成的。框架應力云圖如圖10所示，最大應力為91 MPa。

4 結論

本文通過對某間隔棒進行有限元建模，以施加向心力載荷模擬輸電線路短路工況，得出結論如下：①在這種工況下，間隔棒線夾端部、框架中部位移變化最大;②在這種工況下，間隔棒線夾本體與框架連接的根部、框架中部出現最大應力。該仿真結果為以后的結構改進指明了方向，其計算模型為分析間隔棒在超高壓輸電線路系統短路事故的工況奠定了基礎。

參考文獻：

[1]侯景鵬，紀星，陳加寶.JZF-45400阻尼間隔棒建模及力學性能分析[J].水電能源科學，2012（3）：165-166.

[2]劉春田，姚文軍，景有富，等.500 kV線路四分裂導線翻轉扭絞的修復措施與思考[J].電力建設，2004（8）：34-36.

[3]中華人民共和國國家能源局.間隔棒技術條件和試驗方法：DL/T 1098—2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4]廖雙泉，趙艷芬，廖小雪.熱塑性彈性體及其應用[M].北京：中國石化出版社，2014.

收稿日期：2020-04-05

作者簡介：司學振（1963—），男，碩士，教授級高級工程師，研究方向：輸電線路舞動防治。