基于ANSYS 的六分裂导线间隔棒受向心力分析

肖 聪

（中国电建集团电力器材有限公司，北京 100048）

近年来，我国高压输电线路发展迅速，尤其是特高压线路工程建设日新月异。电压等级的不断攀升，大大提升了电网整体的输送能力，但随之也带来了线路电晕增强和电抗增大等问题。在此背景下，分裂导线应运而生，即每相导线由几根直径较小的分裂导线组成，各分裂导线间隔一定距离并按对称多角形排列，布置在正多边形的顶点上[1]。如我国特高压输电线路中，±800 千伏常采用六分裂导线的布置方式。

间隔棒作为分裂导线必不可少的保护金具，被安装在分裂导线上，固定各分裂导线间的间距，以防止子导线之间相互鞭击，同时抑制微风振动和次档距振荡[2]。因此，间隔棒最基本的要求是要有良好的力学性能以保证可靠的机械强度，足够承受由于短路电流引起的向心力，在发生最大短路电流时，能够支撑各子导线之间的间距，防止互相碰击。分裂导线子导线间的短路向心力极易引起间隔棒的机械破坏，严重威胁线路运行的安全。分析分裂导线间隔棒的受向心力力学性能，确保间隔棒在生产供货前能顺利通过向心力验证型式试验，对提升生产经营经济性，提高输电线路安全性具有重要意义。

1 有限元法及ANSYS软件介绍

有限元法是目前工程领域中最常用的数值模拟方法，其基本理念是单元化和节点化，即将复杂模型简化为一个个单元和节点，再利用网格和施加外载荷来求解。通过连续结构离散化数值计算，以有限未知量的近似离散系统去逼近无限未知量的真实连续系统，有限元法具有适应性强、计算精度高等诸多优点，是现代设计中分析静力结构强度和刚度的重要手段[3]。而ANSYS 软件是最通用的有限元分析软件，基于与多数计算机辅助设计软件的接口，实现数据的交换，ANSYS 软件可以将图形学和有限元分析结合一起，提供可靠的有限元分析结果，并显示结构件的变形图和应力云图等[4]。

本文针对受向心力的六分裂间隔棒的力学性能，运用ANSYS 软件的有限元结构分析技术进行模拟运算，使得间隔棒的结构设计不再单纯依靠经验进行，对结构的分析也不仅凭试验情况来确定。我们可以将有限元分析与试验结果相结合，利用ANSYS 软件提供的可视化技术实时观察计算分析结果，全面掌握间隔棒结构的受力情况，更好的对其进行优化。

2 间隔棒向心力计算原理

间隔棒在输电线路短路情况下，分裂导线受电磁作用将产生较大的向心压力，即向心力。向心力使间隔棒受压，是其承受的主要机械载荷。

输电线路分裂导线的短路向心力的计算，国际上多采用马努·佐（C.Manu-zio）公式[5]：

n——按圆周均匀分布的子导线根数；

H——一根子导线的张力，N；

s——子导线分布所在圆周的圆直径，m；

d——子导线直径，m。

或按国内间隔棒的向心力计算公式[5]：

张子翔：画院应该通过深化内部改革，首先将领导班子建设好，没有好的带头人一切无从谈起。要按照事业单位人事制度改革的要求，建立岗位目标责任制，明确细化权利和义务；实行双向选择，通过全员聘任制，建立新型的画师与画院的关系。画院必须在创作研究、考核奖惩、财务管理、展览展示等各个方面，有一套符合各画院特点的管理制度，鼓励干事的，鞭策混事的，惩治坏事的。

式中：F——短路电流向心力，N；

n——分裂导线根数；

s——分裂导线间距，m；

d——子导线直径，m。

3 间隔棒受向心力情况仿真分析

3.1 间隔棒相关参数

选取±800 千伏特高压输电线路常用间隔棒型号FJZ-650/48D，分裂导线数为六分裂，分裂间距500mm，适用导线外径48mm。

3.2 间隔棒计算模型

图1 六分裂间隔棒原始模型图

为便于计算，将间隔棒的原始模型进行简化，其处理流程为：首先进行几何简化，将原始圆周对称模型取其1/6，由ANSYS 软件的特性和间隔棒向心力的受力情况分析可知，对六分裂间隔棒的其中一个握头进行仿真分析即可得出所需的结果；其次进行结构简化，将螺栓及螺母的螺纹进行简化，将线夹中的橡胶垫进行简化，以去掉非线性部分，这些简化对结构分析的影响可以忽略不计。模型的简化可以极大地减少计算量，得到最终计算模型如下图2 所示。

图2 六分裂间隔棒结构计算最终模型

3.3 模型材料参数的确定

间隔棒模型主要构成部分，框架、线夹本体、线夹压板和十字轴的材料为铝合金ZL104，橡胶柱材料为AB1#，此处采用Rubber 线性等效，螺栓及螺母均采用不锈钢材料1Cr18Ni9，开口销采用不锈钢材料0Cr18Ni9，各种材料对应的参数如下表1所示。

表1 间隔棒各部件采用材料参数表

3.4 有限元模型建立

图3 自动生成28 对接触对信息

将简化后的模型导入ANSYS 软件中，并设置接触对。为避免计算冗余，使用workbench 平台中自动探测各模型体之间的接触对并生成，得到结果共生成28 个接触对，其信息如下图3所示。

检查模型体之间的接触面，手动添加并设置遗漏的接触对，如下图4 所示。

图4 手动添加接触对

在ANSYS workbench 平台中对模型进行网格划分以及网格控制，为提高计算效率，对线夹部分和框架部分均采用Path Independent 划分四面体网格，用Element Size 控制网格单元尺寸5mm，得到有限元网格模型如下图5 所示。结果共生成204676 个节点，124449 个单元。

图5 间隔棒有限元模型网格划分结果

3.5 模型载荷及边界条件

在间隔棒有限元模型框架对称边界面上，施加固定约束；对连接线夹本体和框架的螺栓施加预紧力5kN，将分析步设置为2，第一个载荷步施加预紧力，持续时间1s，第二个载荷步锁定预紧力，持续时间0.2s；对线夹本体和压板挡板内部面上施加向心力，方向指向几何中心。有限元模型载荷及边界条件设置完毕，如下图6 所示。

图6 间隔棒有限元模型载荷及边界条件设置情况

3.6 间隔棒仿真分析计算结果

经过ANSYS 软件计算分析，得到间隔棒变形云图结果如下图7 所示。

间隔棒应力云图结果如下图8 所示。

图8 间隔棒应力云图

由分析结果可以看出，应力较大部位出现在线夹铰链销出，十字轴和螺栓等处也出现了相应的应力集中区域。分析结果反应了间隔棒受向心力作用下的应力及变形情况，为结构分析优化奠定了基础。

5 结论

（1）本文介绍了特高压输电线路中分裂导线采用的间隔棒受向心力计算求解方法。

（2）利用ANSYS 有限元分析软件实现了特高压输电线路六分裂间隔棒的有限元模型的监理，并在ANSYS 软件Workbench平台中，分析了间隔棒受向心力的力学性能，分析结果反应了间隔棒应力及变形情况，为结构优化提供一定的参考。

（3）本文只对六分裂间隔棒受向心力情况进行了定性分析，其他类型间隔棒受力等情况仍需另作分析。