基于ANSYS 的六分裂導線間隔棒受向心力分析

肖 聰

（中國電建集團電力器材有限公司，北京 100048）

近年來，我國高壓輸電線路發展迅速，尤其是特高壓線路工程建設日新月異。電壓等級的不斷攀升，大大提升了電網整體的輸送能力，但隨之也帶來了線路電暈增強和電抗增大等問題。在此背景下，分裂導線應運而生，即每相導線由幾根直徑較小的分裂導線組成，各分裂導線間隔一定距離并按對稱多角形排列，布置在正多邊形的頂點上[1]。如我國特高壓輸電線路中，±800 千伏常采用六分裂導線的布置方式。

間隔棒作為分裂導線必不可少的保護金具，被安裝在分裂導線上，固定各分裂導線間的間距，以防止子導線之間相互鞭擊，同時抑制微風振動和次檔距振蕩[2]。因此，間隔棒最基本的要求是要有良好的力學性能以保證可靠的機械強度，足夠承受由于短路電流引起的向心力，在發生最大短路電流時，能夠支撐各子導線之間的間距，防止互相碰擊。分裂導線子導線間的短路向心力極易引起間隔棒的機械破壞，嚴重威脅線路運行的安全。分析分裂導線間隔棒的受向心力力學性能，確保間隔棒在生產供貨前能順利通過向心力驗證型式試驗，對提升生產經營經濟性，提高輸電線路安全性具有重要意義。

1 有限元法及ANSYS軟件介紹

有限元法是目前工程領域中最常用的數值模擬方法，其基本理念是單元化和節點化，即將復雜模型簡化為一個個單元和節點，再利用網格和施加外載荷來求解。通過連續結構離散化數值計算，以有限未知量的近似離散系統去逼近無限未知量的真實連續系統，有限元法具有適應性強、計算精度高等諸多優點，是現代設計中分析靜力結構強度和剛度的重要手段[3]。而ANSYS 軟件是最通用的有限元分析軟件，基于與多數計算機輔助設計軟件的接口，實現數據的交換，ANSYS 軟件可以將圖形學和有限元分析結合一起，提供可靠的有限元分析結果，并顯示結構件的變形圖和應力云圖等[4]。

本文針對受向心力的六分裂間隔棒的力學性能，運用ANSYS 軟件的有限元結構分析技術進行模擬運算，使得間隔棒的結構設計不再單純依靠經驗進行，對結構的分析也不僅憑試驗情況來確定。我們可以將有限元分析與試驗結果相結合，利用ANSYS 軟件提供的可視化技術實時觀察計算分析結果，全面掌握間隔棒結構的受力情況，更好的對其進行優化。

2 間隔棒向心力計算原理

間隔棒在輸電線路短路情況下，分裂導線受電磁作用將產生較大的向心壓力，即向心力。向心力使間隔棒受壓，是其承受的主要機械載荷。

輸電線路分裂導線的短路向心力的計算，國際上多采用馬努·佐（C.Manu-zio）公式[5]：

n——按圓周均勻分布的子導線根數；

H——一根子導線的張力，N；

s——子導線分布所在圓周的圓直徑，m；

d——子導線直徑，m。

或按國內間隔棒的向心力計算公式[5]：

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式中：F——短路電流向心力，N；

n——分裂導線根數；

s——分裂導線間距，m；

d——子導線直徑，m。

3 間隔棒受向心力情況仿真分析

3.1 間隔棒相關參數

選取±800 千伏特高壓輸電線路常用間隔棒型號FJZ-650/48D，分裂導線數為六分裂，分裂間距500mm，適用導線外徑48mm。

3.2 間隔棒計算模型

圖1 六分裂間隔棒原始模型圖

為便于計算，將間隔棒的原始模型進行簡化，其處理流程為：首先進行幾何簡化，將原始圓周對稱模型取其1/6，由ANSYS 軟件的特性和間隔棒向心力的受力情況分析可知，對六分裂間隔棒的其中一個握頭進行仿真分析即可得出所需的結果；其次進行結構簡化，將螺栓及螺母的螺紋進行簡化，將線夾中的橡膠墊進行簡化，以去掉非線性部分，這些簡化對結構分析的影響可以忽略不計。模型的簡化可以極大地減少計算量，得到最終計算模型如下圖2 所示。

圖2 六分裂間隔棒結構計算最終模型

3.3 模型材料參數的確定

間隔棒模型主要構成部分，框架、線夾本體、線夾壓板和十字軸的材料為鋁合金ZL104，橡膠柱材料為AB1#，此處采用Rubber 線性等效，螺栓及螺母均采用不銹鋼材料1Cr18Ni9，開口銷采用不銹鋼材料0Cr18Ni9，各種材料對應的參數如下表1所示。

表1 間隔棒各部件采用材料參數表

3.4 有限元模型建立

圖3 自動生成28 對接觸對信息

將簡化后的模型導入ANSYS 軟件中，并設置接觸對。為避免計算冗余，使用workbench 平臺中自動探測各模型體之間的接觸對并生成，得到結果共生成28 個接觸對，其信息如下圖3所示。

檢查模型體之間的接觸面，手動添加并設置遺漏的接觸對，如下圖4 所示。

圖4 手動添加接觸對

在ANSYS workbench 平臺中對模型進行網格劃分以及網格控制，為提高計算效率，對線夾部分和框架部分均采用Path Independent 劃分四面體網格，用Element Size 控制網格單元尺寸5mm，得到有限元網格模型如下圖5 所示。結果共生成204676 個節點，124449 個單元。

圖5 間隔棒有限元模型網格劃分結果

3.5 模型載荷及邊界條件

在間隔棒有限元模型框架對稱邊界面上，施加固定約束；對連接線夾本體和框架的螺栓施加預緊力5kN，將分析步設置為2，第一個載荷步施加預緊力，持續時間1s，第二個載荷步鎖定預緊力，持續時間0.2s；對線夾本體和壓板擋板內部面上施加向心力，方向指向幾何中心。有限元模型載荷及邊界條件設置完畢，如下圖6 所示。

圖6 間隔棒有限元模型載荷及邊界條件設置情況

3.6 間隔棒仿真分析計算結果

經過ANSYS 軟件計算分析，得到間隔棒變形云圖結果如下圖7 所示。

間隔棒應力云圖結果如下圖8 所示。

圖8 間隔棒應力云圖

由分析結果可以看出，應力較大部位出現在線夾鉸鏈銷出，十字軸和螺栓等處也出現了相應的應力集中區域。分析結果反應了間隔棒受向心力作用下的應力及變形情況，為結構分析優化奠定了基礎。

5 結論

（1）本文介紹了特高壓輸電線路中分裂導線采用的間隔棒受向心力計算求解方法。

（2）利用ANSYS 有限元分析軟件實現了特高壓輸電線路六分裂間隔棒的有限元模型的監理，并在ANSYS 軟件Workbench平臺中，分析了間隔棒受向心力的力學性能，分析結果反應了間隔棒應力及變形情況，為結構優化提供一定的參考。

（3）本文只對六分裂間隔棒受向心力情況進行了定性分析，其他類型間隔棒受力等情況仍需另作分析。