配網開關接地裝置結構模態分析

方浩騰 徐 展

（國網安徽省電力有限公司蕪湖縣供電公司，安徽 蕪湖241100）

隨著電網公司對電流接地系統單相接地故障處理的重視以及故障選線、定位技術的發展，電力領域涌現出來一批更好的接地故障處置方案[1-3]。配網過程自動化今后也將成為該行業發展的重點，然而在此過程中，配網開關是整個自動化流程中比較核心的一個環節[4]。在發展的過程中，傳統多路電閘開關略顯不足，其只能使得同一線路接通或斷開，不可以做到兩線路接通或斷開。

目前在電力領域，對于雙刀多路開關等開關機械結構方面的設計與研究較少。在保證不發生配網開關接地故障問題的前提下，為了進一步避免人工對電閘合閘后的復位工作，本文針對配網開關接地方面設計了一種雙刀多路電閘開關的機械裝置，并對其進行了結構分析，為進行雙刀多路電閘的結構設計與性能優化提供依據。

1 建立有限元分析模型

1.1 模型簡化

在進行有限元分析之前，一般會為了便于模型的網格劃分，將那些對分析結果影響不大的結構特征進行簡化，從而會大大的降低所要分析模型的難度；通過對這些部分的簡化，可以省略掉模型的一些不必要的細節特征，從而可以有效地減少后續分析環節的運算量；此外，在配網開關的模型分析過程中，一般也不考慮電閘的通電問題。

1.2 劃分有限元分析網格

在比較常用的工業三維結構建模軟件SolidWorks 中，對配網開關進行了三維結構建模，然后將完好的模型另存為有限元分析的格式，通過對結構特點的分析，再將該中間格式用HYPERMESH 單元模塊進行網格劃分。結合配網開關模型的整體尺寸大小，采用網格單元尺寸為70mm。在對配網開關的網格劃分過程中，首先開關三維結構模型的表面進行精細的網格劃分，然后再通過經驗對表面質量進行一定程度的相關優化，最后在完成所需要的實體單元生成。當完成實體單元生成后，采用結構件與結構件間點焊的方式將每個結構件進行連接。物體共有1662696 個節點和98840 個單元。

1.3 相關參數以及條件設定

這套配網電閘所涉及到的所有金屬結構件材料均選取較常用的合金鋼，材料的彈性模量為2.1×105MPa，該材料的泊松比為0.28。質量密度為770kg/m3。約束圖1 中的6 給接口標出部件的6 個自由度，如圖1。

2 配電開關的模型模態分析

2.1 理論基礎

圖1 電閘實體模型

在傳統的動力學仿真分析當中，對結構進行模態分析是對所涉及的機械設備結構動力特性的一種研究方式；模態分析也是在工程領域中對系統進行精確識別的應用。簡單來說，模態分析研究就是通過相關數學知識對所設計的系統當中機械結構的固有震動特性進行科學的研究和分析；一般來說，所設計的不同結構，每個模態都擁有他們自己的特定固有頻率、阻尼比以及振動模型。在配網開關中，所涉及到的結構具有大搖臂，可以基本忽略相關阻尼，因此可以采用以下方程來表示其動力學特性：

我們在對一套裝置結構進行分析的時候，一般重點考慮低階模態對系統的影響，因為低階模態對一個系統的結構影響一般是最大的，因此，在本文所涉及到的模型分析過程中，只重點分析配電電閘的前四階模態的相關參數和結果。

2.2 配電開關的分析要求及分析結果

電閘一般安裝在高空電纜上，電閘本體會隨著人為對電閘的開關激勵而產生震動，低階模態對電閘使用影響最大，要避免電閘與外部激勵產生共振，我們在對配電電閘的機構設計過程中，需要考慮到配電開關的整體結構模型的一階模態值，相較于我們人為操控開關所產生的震動大，因此可以有效地避開共振。

表1 電閘震動數據分析

用SOLIDWORKS 將電閘進行網格劃分并進行模態分析求解，求解結果及振型圖如圖2，表2。

圖2 電閘1～4 階整型圖

表2 頻率分析圖

3 結構體積剛度分析及結果

電閘在工作過程中，結構會受到外界環境中不同的因素影響而導致配電電閘的相關關鍵零部件的失效（斷裂或者損壞）。當電閘開關接觸體受到4.433 N 的力時，材料開始發生變形。使用材料符合企業要求，產品合格。電閘受力分析如圖3。

圖3 電閘結構受力圖