基于COMSOL的低熔点合金电连接头力学性能分析

赵佳丽 尹志宏 张文斌

摘  要： 针对输配电线路电连接头异常发热导致能源损耗甚至引发供电事故的问题，分析了影响电连接件异常发热的原因。本文以输配电线路接续金具中典型实用的耐张线夹为研究对象，低熔点合金材料为接触界面添加材料，采用三维建模对其接触部分进行建模，通过COMSOL有限元分析软件对连接试样进行结构力学和固流耦合仿真分析，对比研究接续金具耐张线夹试样界面结构改变前后受张力的情况。仿真结果表明：在添加低熔点合金前后输配电线路接续金具受到的导线的张力变化很小，满足电力金具的机械性能。

关键词： 低熔点合金;COMSOL;结构力学;机械性能

【Abstract】： Aiming at the problem of energy loss and even power supply accident caused by abnormal heating of the electrical connection of transmission and distribution lines， the causes of abnormal heating of electrical connectors are analyzed. In this paper， the typical practical tension clamps in the transmission and distribution line connection fittings are taken as the research object. The low melting point alloy material is added to the contact interface. The three-dimensional modeling is used to carry out three-dimensional modeling of the contact parts. The COMSOL finite element analysis software is used. The specimens were connected for structural mechanics and solid-fluid coupling simulation analysis， and the tension of the interface structure of the strip-resistant clamps was analyzed. The simulation results show that the tension of the wire subjected to the transmission and distribution line connection before and after the addition of the low melting point alloy is small， which satisfies the mechanical properties of the power fitting.

【Key words】： Low melting point alloy; COMSOL; Structural mechanics; Mechanical properties

0  引言

輸配电线路电连接头普遍存在异常发热现象，是电网的一个顽疾。这种缺陷涉及电力传输的各个环节，小到配网设备连接头发热，大到超高压输变电设备及线路接头过热故障[1-2]。电连接件异常发热不但增加线损，严重的还会引发供电事故，造成重大的经济损失。根据统计分析，若不考虑外力破坏造成的输配电线路故障，电缆附件造成的输配电线路故障占总故障的一半以上，且其中超过90%为连接头发热故障[3]。输配电线路电连接头主要有连接金具和接续金具两种类型，其在导线间起接续作用，用于满足导线所具有的机械和电气性能要求并承担导线全部的张力。

本文提出将低熔点合金材料用于电连接头接触界面间，以典型实用的压缩型耐张线夹为研究对象，对其进行选型并简化接触部分。运用SolidWorks三维建模软件建模，通过有限元分析软件COMSOL进行结构力学仿真和分析压缩型耐张线夹所受导线张力的情况[4]。再将低熔点合金添加在电连接头接触面，改变常规的连接结构，并对此时的结构进行COMSOL固流耦合仿真分析，对比不同接续金具结构的张力变化情况，判断填充低熔点合金界面材料后的接续金具是否满足机械性能要求，验证低熔点合金在电力金具上应用的可行性，为后续低熔点合金在电连接上应用后的机械性能试验测试和填充量的控制提供仿真基础。

1  输配电线路电连接头模型的建立

对输配电线路电连接头接续部分进行模型建立和有限元分析，由于在此过程中，要对整个模型进行网格划分和每个网格单元进行仿真分析，因此，在模型的建立中，需对模型进行简化，所以本部分的建模主要针对电连接头的电气接触部分，在添加低熔点合金材料前后均无影响的其它部分不建模。

1.1  输配电线路电连接头接续金具选择

本文选用型号为NY-70G的压缩型耐张线夹为研究对象，这类电力金具是由铝管和钢锚两部分组成，其中钢锚用来接续和锚固钢芯铝绞线的钢芯，钢锚与钢芯固定后再套上铝体，以此产生压力使金属发生塑性变形将线夹与导线结合为一个整体[5，6]。压缩型耐张线夹除承受导线或避雷线的全部拉力以外，它在输配电线路中的也属于导电体，作为导电体的线夹，在额定电压下长期通过最大允许电流时，线夹的温升应不大于被安装导线的温升，电阻也不大于被安装等长导线电阻的1.1倍。线夹承受电气负荷时，其载流量应不小于被安装导线的载流量。

1.2  压缩型耐张线夹NY-70G引流端子板的建模

输配电线路中广泛应用的耐张线夹其本体端子板和引流线夹端子板均为平面接触，接触面间通过螺栓紧固，用来保证接触面的正压力和接触面的载流性能。两者在进行配合安装时，需将引流线夹端子板开口处从耐张线夹本体侧面穿入耐张线夹本体端子板，并沿端子板方向向引流线夹上施加适当的力，以消除安装时存在的间隙。利用SolidWorks三维建模软件对其结构进行建模，其中引流端子板的主要尺寸为83 mm×40 mm×10 mm。简化模型如图1所示。

建模后对对两个一样的引流端子板进行反向安装，仿真模拟压缩耐张线夹安装后的受力情况。再对加入低熔点合金的新型结构进行装配，采用厚度为2mm的低熔点合金进行界面填充材料部分建模，最后把低熔点合金模型夹在压缩型耐张线夹引流端子板之间，完成建模，并进行装配。

2  输配电线路电连接头仿真分析

本文利用COMSOL Multiphysics平台附加的专业模块“结构力学模块”对压缩型耐张线夹进行受力分析，可用于求解应力和应变水平、变形、刚度和柔度、固有频率、动载荷响应以及屈曲不稳定性等多种问题[7-8]。这一模块中包含预置的材料模型可供选择，还支持用户自定义材料模型。当与优化模块结合使用时，用户可以对几何尺寸、载荷及材料属性等设计参数进行优化。也可将“结构力学模块”与COMSOL中的其他模块相结合，扩展建模功能。文中主要对结构力学仿真和流体力学的耦合仿真分析。

2.1  压缩型耐张线夹引流端子板的仿真

导入由SolidWorks创建几何体中提前准备好的装配体，在模型开发器中使本模型生成装配体。SolidWorks中建立好的压缩型耐张线夹引流端子板的模型如图2所示。

进行仿真前先根据增广拉格朗日法定义接触（两块引流端子板间存在着接触），增广拉格朗日法的特点是准确的表征接触压力，收敛趋于精确求解。定义接触时有接触对和一致边界对，通常用接触对和一致边界对分别定义装配体表面的接触和联合体表面的接触。由于此模型是装配体，因此只需定义一组接触对即可，选取接触时，需要确定目标和源边界的区别，要求如下：

（1）较大刚度的部分作为源边界，刚体部件必须作为源边界。

（2）较小弯曲半径的部件作为目标边界。

（3）目标边界有限元网格要细。

（4）施加的力的边界作为源边界。

添加完接触对后需要对模型施加边界载荷和固定约束，其示意图如图3所示。

首先，对装配好的模型添加400 N的受力边界载荷和2000 N的张力边界载荷，且在相应的方向上，添加其受到的总力。由于前面设置好的接触对需要在模型中表征出来，因此在固体力学中还需添加接触和连续性。其次，设置好以上材料及边界条件后，在COMSOL中对压缩型耐张线夹引流端子板模型进行网格划分，由于不同的网格对计算精度有影响，因此在两引流端子板接触表面需提高网格的密度。最后，进行求解器的设置，上述边界条件的设置中，设了两组边界条件和边界载荷，一组是装

配好时螺栓产生的力，另一组是线夹受到的张力，这两组边界条件间存在着先后顺序，因此需要两个求解器。在第一个求解器“物理场和变量选择”中禁用第二组的边界条件，在第二个求解器“因变量”中把求解变量初始值改为第一个求解器的解，并禁用第一组的边界条件，然后模拟引流端子板所受的螺栓力和導线张力。

2.2  压缩型耐张线夹引流端子板的仿真结果分析

压缩型耐张线夹装配后的受力情况如图4、图5所示。

其中装配体上的曲面为等值曲面，由图4和图5可得压缩型耐张线夹引流端子板装配后受到的最大应力为3.07×103 N/m2，而受力后产生的最大位移为7.74×10–7 mm;引流端子板受到来自导线的张力时最大的应力为4.61×106 N/m2，产生的最大位移为5.33×10–3 mm。

3  低熔点合金填充后新结构的固流耦合分析

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，用于研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用。其重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生不同的流固耦合现象。

3.1  新结构的固流耦合仿真

对模型参数的设定在软件上依次选择三维，固

流耦合，稳态后进入模型开发器。导入在SolidWorks中预先建立好添加低熔点合金后的压缩型耐张线夹引流端子板的模型，其模型如图6所示。

新结构在原有结构的基础上，两块引流端子板间多了一块低熔点合金域，然后对此模型进行受力分析并观察模型添加低熔点合金前后的应力变化情况。首先，需对两金属平板定义接触，使靠近低熔点合金一侧的两个平面定义为接触对，这是由于低熔点合金在平面间存在的潜在的接触，若取消定义接触对则会导致压接仿真时受力的平板会朝着固定的平板移动，直接穿过平板向下移动。其次，在流固耦合物理场，线弹性材料中选择两个金属平板域，并对模型的固体部分和流体部分进行区分。最后，对模型的材料进行定义，其中耐张线夹的材料为铝合金6061，低熔点合金为二元锡基材料Sn-1.6 Ag，密度为7.3368 kg/m3，动力粘度为10–3 Pa×s。由于材料库中没有这种材料，需根据COMSOL提供的空材料进行添加并定义材料密度和动力粘度，进行流固耦合分析。

对于流体的流动采用移动网格ALE方法，通过移动网格来处理几何的变形和边界的移动。COMSOL Multiphysics基于结构的移动边界和网格平滑处理来计算通道区域的新网格坐标，在移动坐标系中求解用来描述流体流动的Navier-Stokes方程。Navier- Stokes方程在自由移动的变形网格上求解，该网格构成流体域。与域的初始形状有关的网格变形使用Winslow平滑处理，这是使用“流-固耦合”接口时的默认平滑[9-10]。

在模型开发器中，对流固耦合物理场定义边界条件，可分为结构力学和流体力学模块进行边界条件的设定，首先进行结构力学的边界条件的设定，分别定义装配时的引流端子板的受力和引流端子板受来自导线的张力，如图7所示。

对引流端子板模型进行流体力学的边界条件设定，首先流体没有固定的边界，对低熔点合金域的六个面都定义为开边界，开边界会自动替代流-固界面边界，其次是指定网格的移动，对流体不与铝合金接触的四个面分别指定网格位移，朝各自的方向指定移动5mm。在完成对物理场边界条件的设定后，需对引流端子板模型进行网格的划分，低熔点合金域采用较细的网格，并把网格普通物理场校准为流体动力学物理场，铝合金域采用普通的网格即可。最后采用与上述固体力学中相同的方式设置求解器，添加两个研究對引流端子板模型进行前后两次仿真。

3.2  新结构的固流耦合仿真结果分析

由仿真结果可知，添加低熔点合金后，引流端子板上的最大应力与未添加时的应力相差不大，故添加低熔点合金对电连接头影响很小，所以添加液态金属在架空输电线路上具有很好的适应性。

4  结论

输电线路中压缩型耐张线夹引流板处，在添加低熔点合金前后电力金具受到的导线的张力变化很小，即添加低熔点合金后，电力金具仍然能满足电力金具的机械性能，验证了低熔点合金在电力金具上运用的可行性，为后续研究低熔点合金用于填充电力金具时，其他性能仿真研究，试验测试等提供了仿真基础。

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