电缆中间接头防爆盒径向冲击响应研究

何嘉兴　庞彪　覃煜　尹旷　方健　王红斌

摘 要：应用ANSYS Workbench建立了电缆中间接头防爆盒有限元模型，对防爆盒壳体内壁承受径向冲击的响应及其影响因素进行仿真分析。结果表明：防爆盒壳体承受径向冲击时变形和应力均集中在主体部分;防爆盒动力响应参数（位移、速度、应力、应变）的最大值随径向冲击峰值的增大和受冲击力环面长度增加而增加，随冲击峰值持续时间的增大而先减小后基本保持稳定。通过研究有望为防爆盒的优化设计提供一定参考，有利于减少电缆起火爆炸事故影响。

关键词：电缆中间接头;防爆盒;动力响应

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.144

1 引言

近年来电网电缆化程度日益增高，集中在狭小沟、井中的电缆易因故障引发火灾，其起火事故占年电气火灾事故50%以上[1-2]。电缆中间接头是电缆的薄弱环节，易起火爆炸对周边的线路、设施造成伤害，需在其上安装防火防爆盒。

本文采用ANSYS Workbench仿真电缆中间接头防爆盒承受径向冲击响应，分析径向冲击大小、时间、受力环面长度对防爆盒壳体变形的影响，旨在为防爆盒的优化设计提供一定参考。

2 防爆盒仿真模型

将防爆盒结构简化为在法兰面固定连接的两片壳体，壳体截面如图1所示，防爆盒壳体厚度为5mm。防爆盒材料选用玻璃钢，参考玻璃钢管道材料参数[2]，设置密度为1800kg/m3、剪切模量为4200MPa、泊松比为0.26。

进行瞬态仿真，采用实体单元模拟防爆盒壳体，在防爆盒内壁中间取一定长度环面作为受力面，受力环面部分采用六面体网格划分，其余部分采用四面体网格划分。

3 仿真结果分析

3.1 参数影响性分析

3.1.1 受力环面长度的影响

保持径向冲击压力峰值250MPa、峰值持续时间0.5ms不变的情况下，将受力环面长度从40mm增加到140mm。随着受力环面长度的增加，防爆盒响应参数极值变化曲线呈现相对一致性，表现为近似线性增长。其中最大位移从0.0258m增长到0.0591m，增长曲线最接近线性;最大应力从3958MPa增加到6330MPa，最大应变从0.376增加到0.598，两者增长曲线较接近线性;最大速度从113m/s增加到216m/s，曲线变化相对其余参数更加复杂，但总体仍符合线性规律。可见受径向冲击力环面长度对防爆盒变形有明显的影响，受力环面长度越大，防爆盒变形越明显。

3.1.2 径向冲击压力峰值的影响

保持受力环面长度100mm、径向冲击力峰值持续时间0.5ms不变的情况下，将径向冲击压力峰值从50MPa增加到350MPa。随着压力峰值的增加，防爆盒响应参数极值变化曲线呈明显的一致性，表现为随压力峰值线性增长。其中最大位移从0.0078m增加到0.0696m，最大應力从1025MPa增加到7256MPa，最大应变从0.098增加到0.686，最大速度从32m/s增加到235m/s。可见径向冲击压力峰值对防爆盒变形有显著影响，压力峰值越大，防爆盒变形越明显。

3.2 峰值持续时间的影响

保持受力环面长度100mm、径向冲击压力峰值250MPa不变的情况下，将径向冲击压力峰值持续时间从0.1ms增加到0.7ms。径向冲击峰值持续时间增加时防爆盒壳体最大位移、速度、应力、应变，随着峰值持续时间的增加，防爆盒的最大位移、应力、应变曲线变化规律较一致，表现为先下降后趋于平缓;防爆盒的最大速度曲线变化则更复杂，但总体也呈下降趋势。其中当峰值持续时间从0.1ms增加到0.3ms，最大位移从0.0608m降低到0.0461m，最大应力从6483MPa降低到5281MPa，最大应变从0.613降低到0.499;当峰值持续时间从0.3ms增加到0.7ms，最大位移缓慢变化到0.0451m，最大应力缓慢变化到5101MPa，最大应变缓慢变化到0.482;当峰值持续时间从0.1ms增加到0.7ms，最大速度从574m/s降低到约150m/s。可见当峰值持续时间小于0.3ms时，径向冲击峰值持续时间对防爆盒变形有明显影响，随峰值持续时间增加，防爆盒变形程度减小;当峰值持续时间超过0.3ms，随峰值持续时间增加，防爆盒变形程度保持不变，峰值持续时间影响不明显。

4 结论

（1）防爆盒承受径向冲击力时变形和应力分布集中在主体部分，切除变截面部分和端部对防爆盒受径向冲击力响应无明显影响。

（2）防爆盒壳体变形与受力环面长度、径向冲击压力峰值近似呈线性正相关。随着受力环面长度增加和径向冲击峰值增加，防爆盒壳体的最大位移、速度、应力、应变也会增加。

（3）当径向冲击峰值持续时间小于0.3ms，防爆盒壳体的最大位移、速度、应力、应变会随峰值持续时间增加而减小;当峰值持续时间大于0.3ms，其对防爆盒变形的影响相对不明显。

参考文献：

[1]邸曼，厉剑，张明，赵长征，孟庆山，高伟，王连铁.电气火灾分析与防治策略的研究[J].消防科学与技术，2008（01）：5-9.

[2]何洁，何勇.电线电缆起火原因的分析与防治[J].建筑与预算，2014（02）：46-48.

[2]胡哲.基于振动方法进行复合材料力学性能检测的研究[D].武汉理工大学，2009.