楊志廣 楊志斌 陳 強(qiáng)

（1.國網(wǎng)江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌330043；2.國網(wǎng)江西省送變電建設(shè)公司，江西 南昌 330043）

0 引言

過載保護(hù)金具的研發(fā)的主要目的是設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型帶有過載分離開關(guān)的輸電線路金具，同時(shí)不改變原有金具的基本形狀和尺寸。通過舍棄某些小投入的金具來保持輸電塔的完好無損，利于線路的快速恢復(fù)，從而間接取得了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。防災(zāi)減災(zāi)安全銷的設(shè)計(jì)思想，就是要當(dāng)過載造成的導(dǎo)地線上的荷載達(dá)到輸電塔的極限荷載前使塔線分離，防止倒塔，以便迅速進(jìn)行災(zāi)后重建，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀

2003年以來，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院陳景彥等人在現(xiàn)有的輸電線路金具及覆冰研究理論的基礎(chǔ)上，開展了輸電線路主動(dòng)防災(zāi)減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)研究以及輸電線路抗冰過載保護(hù)金具的研發(fā)的項(xiàng)目。2009年，薛慶蓮等人進(jìn)行了輸電線路抗冰雪災(zāi)害過載保護(hù)金具的開發(fā)這一項(xiàng)目的前期工作。2010年，張建祿在上述工作基礎(chǔ)上，確定了塔線分離荷載，進(jìn)行了塔線分離金具的設(shè)計(jì)。并采用增量加載非線性有限元法計(jì)算安全銷的極限承載力，與設(shè)計(jì)的塔線分離控制荷載相吻合。設(shè)計(jì)的安全銷經(jīng)靜力加載試驗(yàn)分析滿足正常的使用和強(qiáng)度的要求，并基于疲勞壽命預(yù)測的相關(guān)理論，經(jīng)ANSYS中的疲勞模塊對安全銷的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測，表明安全銷的疲勞壽命達(dá)到正常使用的要求。

2 安全銷失效分析有限元理論

失效是指零件或部件不能履行設(shè)計(jì)賦予它的功能的狀態(tài)。一般意義的失效分析，是可靠性設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，通過觀察、檢測、試驗(yàn)等手段對零部件失效的原因進(jìn)行分析，以便于對零部件進(jìn)行完善，重新改進(jìn)制造以再次投入使用。

在本文中，安全銷作為防倒塔的過載保護(hù)金具，既要發(fā)揮其作為輸電線路的主要金具的連接作用，又要保證在荷載達(dá)到塔線分離荷載前斷裂失效。安全銷在剪力、彎矩的共同作用下，安全銷將在截面削弱處首先發(fā)生屈服逐漸出現(xiàn)塑性變形，當(dāng)安全銷的應(yīng)力達(dá)到材料的極限強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂。安全銷在加載過程中，應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，而且有現(xiàn)象明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，再加上金具接觸的位置是未知的，增加了安全銷極限狀態(tài)求解的復(fù)雜性。

安全銷失效分析是三重非線性問題的彈塑性分析，本文采用實(shí)體單元對安全銷進(jìn)行有限元模型分析，考慮了材料的非線性，幾何非線性以及接觸的狀態(tài)非線性。利用增量加載法來研究安全銷的極限承載力。

3 安全銷、碗頭掛板和聯(lián)板整體有限元模型的建立

選取的5A-ZM4型500kV直線貓頭輸電塔的塔型，根據(jù)500kV單串懸垂絕緣子串（組合聯(lián)板加均壓環(huán)）組裝規(guī)范，以及GB700—79《普通碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》選擇碗頭掛板型號為WS-16，聯(lián)板型號為LL-1645，碗頭掛板和聯(lián)板的示意圖如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)行的金具材質(zhì)及適用范圍，碗頭掛板、聯(lián)板采用抗拉強(qiáng)度不低于375N/mm2的Q235鋼制造；起到六角頭帶銷孔螺栓作用的安全銷如采用Q235鋼，采用理想彈塑性模型，達(dá)到屈服后，整個(gè)截面無限變形，會出現(xiàn)剛體位移，考慮到安全銷受力一般較碗頭掛板和聯(lián)板嚴(yán)重，在塔線分離控制荷載為130kN的極限狀態(tài)下，參照表1的要求，起著六角頭帶銷孔螺栓作用的安全銷選用改制的屈服強(qiáng)度為640的8.8級六角頭螺栓。進(jìn)而建立安全銷、碗頭掛板和聯(lián)板的整體幾何模型。

表1 破壞荷載與相應(yīng)的螺栓強(qiáng)度

圖1 碗頭掛板和聯(lián)板示意圖

圖2 安全銷位置及尺寸示意圖

圖3 整體網(wǎng)格劃分圖

圖4 安全銷網(wǎng)格劃分圖

4 安全銷的失效分析

在ANSYS中計(jì)算得到的安全銷等效應(yīng)力云圖如圖5至8所示，從圖中可以看出安全銷應(yīng)力從安全銷軸中心向外逐漸減小，而在槽處由于應(yīng)力集中的影響應(yīng)力發(fā)生突變，應(yīng)力最大位置是槽處。在加載初期，安全銷受剪力的影響較大，隨著荷載的增加，安全銷受彎矩的影響越來越明顯，在彎矩、剪力的共同作用下，安全銷逐漸達(dá)到屈服，直至破壞。

圖5 P=1%Pu安全銷的等效應(yīng)力分布圖

圖6 P=44%Pu安全銷的等效應(yīng)力分布圖

圖7 P=94%Pu安全銷的等效應(yīng)力分布圖

圖8 P=98%Pu安全銷的等效應(yīng)力分布圖

在對安全銷應(yīng)用二分法進(jìn)行加載過程中，隨著荷載的逐漸增加，安全銷的變截面處的位移也相應(yīng)地逐漸增大，當(dāng)安全銷進(jìn)入局部塑性狀態(tài)后，很小的荷載增量會引起很大的位移變化。當(dāng)安全銷達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，位移將發(fā)生突變。記錄每一步加載的荷載、位移數(shù)值，由此繪出安全銷在增量加載過程中的荷載-位移關(guān)系，總體上來說，隨著荷載步的逐漸增大，相應(yīng)荷載步的荷載增量卻在逐漸減小。圖9形象描述了安全銷在增量加載全過程中的荷載-位移響應(yīng)。

圖9 安全銷的荷載-位移曲線

圖10 不同孔徑比下安全銷的荷載-位移曲線

圖11 安全銷孔徑比與極限承載力的關(guān)系圖

5 安全銷尺寸的調(diào)整

安全銷在外荷載作用下，由于環(huán)形切口處產(chǎn)生應(yīng)力集中造成了截面的削弱使安全銷發(fā)生強(qiáng)度破壞，進(jìn)而使塔線分離，保護(hù)鐵塔。所以，可通過調(diào)整安全銷的槽深，來達(dá)到安全銷極限荷載與塔線分離荷載的統(tǒng)一。

保持安全銷的直徑不變，為討論不同孔徑比對安全銷極限承載力的影響，最終確定能實(shí)現(xiàn)塔線分離的合理槽深，有限元建模的方法，利用ANSYS軟件，首先建立不同孔徑比下（孔徑比分別c=7.5%,c=10.0%以及c=12.5%）的安全銷、碗頭掛板和聯(lián)板的整體有限元模型。并分別選用增量加載法對各安全銷進(jìn)行有限元分析，記錄增量加載每一步的荷載、位移數(shù)值，得到不同孔徑比下各模型的荷載-位移曲線，如圖10所示。

可以看出，在不同的孔徑比下，安全銷在加載初期的彈性階段的荷載位移曲線基本重合，說明安全銷在加載初期受應(yīng)力集中的影響較小，局部的應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限后，即使繼續(xù)加載，其應(yīng)力也不會繼續(xù)增加，增加的荷載由其余截面承受，表現(xiàn)出荷載位移的線性關(guān)系。隨著荷載的繼續(xù)作用，孔徑比較大的安全銷最先發(fā)生屈服，荷載-位移曲線不再是線性關(guān)系，并且荷載增量逐漸減小，位移增量卻在逐漸增大，各荷載位移曲線的最高點(diǎn)即為不同孔徑比下安全銷的極限承載力。

根據(jù)不同孔徑比下的安全銷的荷載-位移曲線，建立安全銷的孔徑比與安全銷極限承載力的關(guān)系圖（如圖11所示）。

安全銷的孔徑比與安全銷極限承載力的關(guān)系圖，直觀的展現(xiàn)了兩者之間的關(guān)系，安全銷的孔徑比對安全銷極限承載力的影響顯著，為安全銷合理尺寸的確定提供了有益的參考。為了既保證安全銷能夠在危險(xiǎn)情況下及時(shí)斷開防止倒塔，而又不影響正常工作，塔線分離控制荷載由不均勻荷載，也可以用不均勻覆冰來控制，確定當(dāng)導(dǎo)線不均勻覆冰時(shí)導(dǎo)線覆冰厚度為22mm時(shí)塔線分離，此時(shí)的塔線分離控制荷載為130kN。由圖11可以看出，當(dāng)安全銷其他參數(shù)保持不變時(shí)，隨著孔徑比的增大，安全銷的極限承載力下降，彈性極限也逐漸減小，當(dāng)安全銷孔徑比為12.5%時(shí)，安全銷極限荷載為128kN,在一定的安全裕度內(nèi)，能夠在導(dǎo)線不均勻覆冰厚度達(dá)到22mm時(shí)安全銷發(fā)生強(qiáng)度破壞，可以起到塔線分離保護(hù)鐵塔的作用。

6 建議及展望

安全銷的后續(xù)設(shè)計(jì)中，如考慮安全銷在動(dòng)荷載作用下疲勞造成的影響，參考安全銷在動(dòng)荷載作用下發(fā)生疲勞斷裂時(shí)的極限承載力對安全銷進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)果將更加接近安全銷的實(shí)際工作狀況。

為了得到適合不同的塔型和線路電壓等級下的合適的安全銷的尺寸，有必要結(jié)合相應(yīng)電壓等級下懸垂絕緣子串的規(guī)格及GB/T2315-1999《電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》有關(guān)規(guī)定，依照GB700—79《普通碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》選擇合適的碗頭掛板和聯(lián)板的規(guī)格，建立安全銷與特定線路的聯(lián)系，研發(fā)出適合不同塔型、檔距等工程條件的防災(zāi)減災(zāi)過載保護(hù)金具安全銷的規(guī)格。

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