风力作用下800kV高压交流隔离开关导电闸刀在合闸过程中动触头偏移的研究

莫 冰 王宇驰 司小伟

（西安西电高压开关有限责任公司，西安 710077）

风力作用下800kV高压交流隔离开关导电闸刀在合闸过程中动触头偏移的研究

莫 冰 王宇驰 司小伟

（西安西电高压开关有限责任公司，西安 710077）

从理论计算和计算机仿真两个角度，对不同风力作用下，800kV双柱水平伸缩式高压交流隔离开关导电闸刀，合闸过程中动触头位置偏移量进行探究。模拟结果表明，下部导电杆的应力应变值远大于上部导电杆，下部导电杆根部是导电闸刀的高应变区，应进行结构优化，以降低动触头端点偏移量。此外，进行上部导电杆端部的导向装置验证，验证结果表明，装有导向板装置的隔离开关可满足12级风力的要求。

双柱水平伸缩式 隔离开关 合闸过程 偏移量 应力 应变

引言

我国西北地区建设中的750kV超高压输变电工程，是1000kV主干网架建设的重要工程，是我国电力技术的又一标志性工程。这有利于发挥我国西北地区能源优势，推动“西电东送”北通道的形成[1]。2005年，我国第一个750kV超高压输变电工程——国家电网公司750kV输变电示范工程投产运行，这意味着西北电网建设全方位提速。因此，我国西北地区电网建设正面临着装备全面升级和技术力量更新的局面[2]。

我国西北地区是多风灾的地区。以新疆为例，在新疆自治区内的八大风区，8级以上的大风一年可达200余次以上[3]。强烈的暴风对人畜、房屋、庄稼破坏力极大，令人谈“风”色变。2006年4月9日至4月10日，受西西伯利亚强冷空气入侵影响，新疆西北部至东南部地区出现大风、沙尘暴和雨雪天气，局部地区风力在12级以上，风速达51m/s。受狂风袭击的该地区克拉玛依变电站，220kV侧断路器母线侧隔离开关A相支持瓷瓶根部折断。受恶劣环境的影响，致使变电站无法进行系统操作以迅速恢复供电，最终造成哈密地区与新疆地区的解网[4]。

本文以800kV交流高压隔离开关为研究对象，以隔离开关在风力作用下合闸过程中动触头偏移量为研究背景，设计适用于强风场（风速不大于34m/s）作用下开关设备为研究目的，进行初步的计算探索，得到适用于隔离开关风力计算的方法，为产品设计、开发提供经验依据以及初步计算基础。

1 产品风载受力的初步计算

本节运用力学原理[5]计算不同风速下导电杆的动触头端点位移，以期为后续试验和数值分析提供基础方案和参考依据。

1.1 不同风级下风速的选取

根据中国气象局于2001年下发的《台风业务和服务规定》，并结合公司高压电器风场运行经验，确定不同风级下风速范围，如图1阴影部分所示。

1.2 隔离开关不同部位受力计算

1.2.1 计算模型的建立

为计算合理，做出以下几点假设：

（1）每级风下的风速认为是常数，取图1中每级风力下的平均值，不考虑风速的时变量；

图1 不同风级下的风速

（2）不同部件间的机械连接认为是刚性连接；

（3）隔离开关底部支架，采用整体式结构，其形变很小，因此不纳入考虑范畴；

（4）本文计算、试验模型仅考虑产品抗风运行过程中最严酷的情形，即认为产品为水平正面迎风。

1.2.2 不同部位承受风力的计算

图2给出了隔离开关外观图，整个产品由底架、绝缘子、均压环、导电闸刀等组成。产品在风力作用下导电闸刀受力主要由导电杆承载的均布力F1和均压环承载的均布力F2组成。

图2 800kV双柱水平伸缩式高压交流隔离开关产品外观图

表1给出了产品不同部位的水平正面投影面积。

表1 产品不同部位投影截面积

图2给出的是800kV双柱水平伸缩式高压交流隔离开关外形图及产品各部位零件结构。将图2所示的受均布力作用下的导电闸刀简化为等截面梁结构，如图3所示。其中，AB段为下部导电、CD段为上部导电。

图3 导电闸刀计算平面内受力示意图

根据式（1），可得到不同风速下产品所受风压P，单位为N/m2。

P=0.6125αv2（1）

式中，α=0.74，为风压阻力系数；v为风速，单位m/s。

将风压与表1给出的产品不同部位的投影面积相乘，得到各部位所受表面均布力，如图4所示。

图4 不同风速下800kV双柱水平伸缩式高压交流隔离开关风压及各部位受力情况

1.3 导电闸刀、单根绝缘子最高点偏移量和等效力的计算

1.3.1 端点偏移量的计算

如图5所示，A点为导电闸刀的根部，设定为固定点；D点为导电闸刀从分闸到完全合闸前的导电杆动触头端点。

图5 导电闸刀计算示意图

（1）导电闸刀动触头端点挠度的计算

D点的挠度可等效为均布力F1和F2分别单独作用时，D点位移的线性叠加，即：

（2）绝缘子端点挠度的计算

绝缘子计算平面等效图，如图6所示。

图6 绝缘子受力偏移计算示意图

最高点E挠度计算公式为：

1.3.2 导电系统中点等效力的计算

如图7所示，利用公式（4）将图5所示均布力F1、F2等效转换为中点集中力F3，即：

图7 中点等效力计算示意图

将式（2）、式（3）、式（4）的计算结果汇总，得到如图8所示的仿真曲线结果。下面将根据图8中给出的等效力数据进行试验方案的设计。

图8 不同风速下偏移量和等效力值

2 导电闸刀结构的应力场和位移场分析

2.1 应力场和位移场的仿真计算

产品不同部位的三维应力应变云图[6]，如图9所示。从图9可以看出，产品高应力多集中于下部导电杆，且下部导电杆根部应变最大。

图9 数值仿真得到的应力和位移场云图（12级风）

导电闸刀的三维模型，如图10所示。以A点为坐标原点，依次提取不同作用力下的AB段（下部导电）、CD段（上部导电）的von mises应力、应变、位移数据点，如图11（a）～（c）所示。

图10 导电闸刀应力分析的三维模型

图11 不同风力下导电闸刀的静力分析

从图11（a）可以看出，不同载荷条件下，下部导电杆承受的应力几乎是上部导电杆的5倍。导电杆根部是产品应力集中区，12级风力作用下，下部导电杆的根部应力为25MPa。图11（b）给出了导电闸刀不同部位的应变值。可以看出，相对于产品其他部分，导电杆根部接近这一区间约0.3m的范围内产生了较大变形，根部应变几乎是导电杆中部应变的3倍。而根部的变形会经长达8m的导电杆传递，从而导致导电闸刀端点动触头产生过度偏离。图11（c）给出了风载作用下导电闸刀不同部位的偏移量的模拟数据。从图中可以看出，随导电杆长度的增加，位移逐步增大。计算结果表明，12级风作用下，导电杆端点动触头附近的偏移量约为110mm。

图12给出了动触头结构。动触头两侧均安装有导向板，安装有导向板的隔离开关可在12级风力下顺利合闸。

图12 动触头结构示意图

3 结果对比

基于1.2.1计算作出的假设，对产品的受力进行计算机模拟，得到导电闸刀的动触头端点偏移量，并和前文得到的计算值进行对比，如图13所示。

图13 仿真值和力学计算值的对比

从图13可以看出，不同计算方法得到的数据与试验数据的变化趋势基本相同。计算机模拟得到的数据值与试验值更为接近，验证了数值计算方法的可行性。

4 结论

导电闸刀是隔离开关的核心部件。在强风外载荷（风速不大于34m/s）的作用下，导电闸刀动触头端点发生偏移。本文对不同风力作用下800kV双柱水平伸缩式高压交流隔离开关导电闸刀动触头端点的位置偏移量进行力学计算和数值仿真，并得出结论如下：

（1）应用力学简化和数值模拟的方法，对产品在不同风力作用下的应力场和位移场进行分析，仿真数据结果与试验结果较为接近，验证了计算机仿真的可行性。

（2）计算结果得到了在水平正面风力作用下，导电闸刀不同部位的应力应变数据。下部导电杆的根部是整个产品的高应变区和应力集中区。虽然根部应力不至使产品金属部件失效或发生塑性变形，但过高的根部应变经长达8m的导电杆传递作用，将导致导电闸刀端点动触头产生较大偏离，进而会对产品合闸产生一定影响。

（3）随风力的逐级增加，导电闸刀动触头端点偏移量呈现显著的递增趋势。当风速为34m/s（相当于12级风力）时，最大偏移量可达110mm（仿真值）。在导向装置的作用下，产品可以在这种情况下可靠操作。当风速超过34m/s时，相关运行部门应避免在过度恶劣的气候条件下进行系统操作，同时应参考当地气候的变化规律，制定相应的系统运行方案。

[1]丁新良.750kV电压等级是西北电网发展的必然选择[J].电网技术，2002，26（3）：23-26.

[2]苏新胜.着力建设空中电力“高速公路”[N].今日新疆，2009，（17）：18.

[3]刘齐更，李长凯.关于新疆电网中风偏的研究[J].华中电力，2008，（2）：20-23.

[4]王旭，王健，马禹.新疆大风天气过程的特点[J].新疆气象，2002，（2）：4-6.

[5]濮良则，纪名刚.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.

Research on the Offset of the 800kV Double Column Horizontal Telescopic AC Disconnector Conductive System under Wind

MO Bing, WANG Yuchi, SI Xiaowei
(Xi’an XD High Voltage Apparatus Co..Ltd, Xi’an 710077)

The theoretical calculation and structure simulation are made to explore the offset of the 800kV double column horizontal telescopic AC disconnector under different winds . Simulation results show that the stress and strain values of lower conductive pole is greater than the upper conductive rod, the root of the conductive system lower conductive pole high strain area, decrease the contact structure optimization should be conducted to limit the offset. On the upper guide to improve the design of the conductive rod end, experience, armed with guide plate isolation switch can meet the requirements of grade 12 wind.

double column horizontal telescopic, disconnector, closing process, offset, stress, strain