配網(wǎng)開關(guān)接地裝置結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

方浩騰 徐 展

（國網(wǎng)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(wǎng)公司對電流接地系統(tǒng)單相接地故障處理的重視以及故障選線、定位技術(shù)的發(fā)展，電力領(lǐng)域涌現(xiàn)出來一批更好的接地故障處置方案[1-3]。配網(wǎng)過程自動(dòng)化今后也將成為該行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，然而在此過程中，配網(wǎng)開關(guān)是整個(gè)自動(dòng)化流程中比較核心的一個(gè)環(huán)節(jié)[4]。在發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)多路電閘開關(guān)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(lǐng)域，對于雙刀多路開關(guān)等開關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)與研究較少。在保證不發(fā)生配網(wǎng)開關(guān)接地故障問題的前提下，為了進(jìn)一步避免人工對電閘合閘后的復(fù)位工作，本文針對配網(wǎng)開關(guān)接地方面設(shè)計(jì)了一種雙刀多路電閘開關(guān)的機(jī)械裝置，并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，為進(jìn)行雙刀多路電閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 建立有限元分析模型

1.1 模型簡化

在進(jìn)行有限元分析之前，一般會(huì)為了便于模型的網(wǎng)格劃分，將那些對分析結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡化，從而會(huì)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(xì)節(jié)特征，從而可以有效地減少后續(xù)分析環(huán)節(jié)的運(yùn)算量；此外，在配網(wǎng)開關(guān)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(wǎng)格

在比較常用的工業(yè)三維結(jié)構(gòu)建模軟件SolidWorks 中，對配網(wǎng)開關(guān)進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，再將該中間格式用HYPERMESH 單元模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)合配網(wǎng)開關(guān)模型的整體尺寸大小，采用網(wǎng)格單元尺寸為70mm。在對配網(wǎng)開關(guān)的網(wǎng)格劃分過程中，首先開關(guān)三維結(jié)構(gòu)模型的表面進(jìn)行精細(xì)的網(wǎng)格劃分，然后再通過經(jīng)驗(yàn)對表面質(zhì)量進(jìn)行一定程度的相關(guān)優(yōu)化，最后在完成所需要的實(shí)體單元生成。當(dāng)完成實(shí)體單元生成后，采用結(jié)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)件間點(diǎn)焊的方式將每個(gè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行連接。物體共有1662696 個(gè)節(jié)點(diǎn)和98840 個(gè)單元。

1.3 相關(guān)參數(shù)以及條件設(shè)定

這套配網(wǎng)電閘所涉及到的所有金屬結(jié)構(gòu)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(zhì)量密度為770kg/m3。約束圖1 中的6 給接口標(biāo)出部件的6 個(gè)自由度，如圖1。

2 配電開關(guān)的模型模態(tài)分析

2.1 理論基礎(chǔ)

圖1 電閘實(shí)體模型

在傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真分析當(dāng)中，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析是對所涉及的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種研究方式；模態(tài)分析也是在工程領(lǐng)域中對系統(tǒng)進(jìn)行精確識(shí)別的應(yīng)用。簡單來說，模態(tài)分析研究就是通過相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)當(dāng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有震動(dòng)特性進(jìn)行科學(xué)的研究和分析；一般來說，所設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)，每個(gè)模態(tài)都擁有他們自己的特定固有頻率、阻尼比以及振動(dòng)模型。在配網(wǎng)開關(guān)中，所涉及到的結(jié)構(gòu)具有大搖臂，可以基本忽略相關(guān)阻尼，因此可以采用以下方程來表示其動(dòng)力學(xué)特性：

我們在對一套裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的時(shí)候，一般重點(diǎn)考慮低階模態(tài)對系統(tǒng)的影響，因?yàn)榈碗A模態(tài)對一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)分析配電電閘的前四階模態(tài)的相關(guān)參數(shù)和結(jié)果。

2.2 配電開關(guān)的分析要求及分析結(jié)果

電閘一般安裝在高空電纜上，電閘本體會(huì)隨著人為對電閘的開關(guān)激勵(lì)而產(chǎn)生震動(dòng)，低階模態(tài)對電閘使用影響最大，要避免電閘與外部激勵(lì)產(chǎn)生共振，我們在對配電電閘的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮到配電開關(guān)的整體結(jié)構(gòu)模型的一階模態(tài)值，相較于我們?nèi)藶椴倏亻_關(guān)所產(chǎn)生的震動(dòng)大，因此可以有效地避開共振。

表1 電閘震動(dòng)數(shù)據(jù)分析

用SOLIDWORKS 將電閘進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行模態(tài)分析求解，求解結(jié)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(jié)構(gòu)體積剛度分析及結(jié)果

電閘在工作過程中，結(jié)構(gòu)會(huì)受到外界環(huán)境中不同的因素影響而導(dǎo)致配電電閘的相關(guān)關(guān)鍵零部件的失效（斷裂或者損壞）。當(dāng)電閘開關(guān)接觸體受到4.433 N 的力時(shí)，材料開始發(fā)生變形。使用材料符合企業(yè)要求，產(chǎn)品合格。電閘受力分析如圖3。

圖3 電閘結(jié)構(gòu)受力圖