賈 超，潘海平，方 菊，易亞琳

（長(zhǎng)園電力技術(shù)有限公司，廣東 珠海 519085）

電纜戶(hù)外充油終端是輸電系統(tǒng)中架空線(xiàn)與電纜連接的重要組成部分，其安裝于電纜末端，保證電纜與其他部件的電氣連接[1]。戶(hù)外充油終端在運(yùn)行過(guò)程中須承受多種外力作用，特別是高壓及超高壓戶(hù)外充油終端中電纜回縮、電纜本體拉力等也對(duì)終端本身提出較高的要求。電纜終端一般在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保障有足夠的抗彎、防震等性能[2]。本文通過(guò)對(duì)戶(hù)外終端承受的外力分析，運(yùn)用仿真軟件對(duì)戶(hù)外充油終端在多種外力載荷作用下的變形及應(yīng)力計(jì)算，并對(duì)終端套管與底座法蘭、底座法蘭與支撐絕緣子連接螺栓進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核。

1 戶(hù)外充油終端結(jié)構(gòu)形式

目前，國(guó)內(nèi)外高壓及超高壓電纜戶(hù)外充油終端主要采用工廠(chǎng)預(yù)制橡膠應(yīng)力錐結(jié)構(gòu)，主要有無(wú)環(huán)氧套管利用應(yīng)力錐自身抱緊力壓緊和應(yīng)力錐外部套環(huán)氧管靠彈簧壓緊2 種結(jié)構(gòu)（如圖1 所示）。以上2種結(jié)構(gòu)的終端一般由應(yīng)力錐、絕緣填充劑、外絕緣（瓷套和復(fù)合套）、連接金具、密封結(jié)構(gòu)和支撐絕緣子組成。電纜通過(guò)固定在套管上法蘭的連接金具懸掛在終端上，套管與底座法蘭通過(guò)螺栓連接后固定在支撐絕緣子上，整個(gè)終端通過(guò)支撐絕緣子安裝在終端支架上。

圖1 戶(hù)外充油終端結(jié)構(gòu)

2 戶(hù)外充油終端承受外力分析

戶(hù)外終端在運(yùn)行過(guò)程中除受自重外，主要承受出線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)拉力、風(fēng)載荷、地震力、冰載荷、短路電動(dòng)力、電纜重量等外力作用。

2.1 出線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)拉力

作用在出線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)上的荷載除自重外，導(dǎo)線(xiàn)還承受風(fēng)載荷和冰重。為便于計(jì)算，將以上載荷考慮為均勻載荷沿導(dǎo)線(xiàn)分布。在計(jì)算導(dǎo)線(xiàn)張力弧垂時(shí)，常用單位長(zhǎng)度載荷來(lái)表示導(dǎo)線(xiàn)受到的機(jī)械載荷。單位荷載主要有：導(dǎo)線(xiàn)自重載荷（p1）、冰重載荷（p2）、導(dǎo)線(xiàn)自重和冰重總載荷（p3）、無(wú)冰時(shí)導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)壓載荷（p4）、覆冰時(shí)導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)壓荷載（p5）、無(wú)冰有風(fēng)時(shí)的綜合荷載（p6）、有冰有風(fēng)時(shí)的綜合荷載（p7）。其中最大載荷為有冰有風(fēng)時(shí)的綜合荷載，其值為：

式中：m0為每單位導(dǎo)線(xiàn)的質(zhì)量，kg/m；g為重力加速度，m/s2；hb為覆冰厚度，mm；d為導(dǎo)線(xiàn)直徑，mm；μsc為風(fēng)載體型系數(shù)，取1.2；V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

導(dǎo)線(xiàn)上任意一點(diǎn)的張力（不考慮彈性伸長(zhǎng)、溫度伸長(zhǎng)等），由圖2 可見(jiàn)為：

圖2 架空線(xiàn)近似為斜拋物線(xiàn)的受力圖

或

式中：T0為導(dǎo)線(xiàn)水平張力，N；a為風(fēng)速不均勻系數(shù)，也稱(chēng)檔距系數(shù)；k為導(dǎo)線(xiàn)計(jì)算因素，1/m，k=p/(2T0)；x、y為導(dǎo)線(xiàn)各點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，m。

2.2 風(fēng)載荷

當(dāng)空氣以一定速度吹向終端，速度減小甚至降為0 時(shí)，空氣減小的動(dòng)能則轉(zhuǎn)換成對(duì)終端的靜壓力。在空曠平坦的戶(hù)外，風(fēng)壓值可采用公式（4）計(jì)算：

式中：F為外荷載；V0為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)高度下的基準(zhǔn)風(fēng)速（m/s）；S為終端垂直于風(fēng)方向投影面積（m2）；ρ 為空氣密度，kg/m3，工程上為了簡(jiǎn)化，取標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.25 kg/m3，對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)適用，除西南高海拔地區(qū)誤差較大外。

2.3 地震力

戶(hù)外充油終端設(shè)計(jì)允許地震烈度為Ⅷ度，根據(jù)GB/T 17742《中國(guó)地震烈度表》查得其儀器測(cè)定的地震烈度： 7.5 ≤I1<8.5 ，合成地震動(dòng)的最大加速度a為2.79（1.95～4.01）m/s2，（1.95～4.01）m/s2為加速度變動(dòng)范圍，2.79 m/s2為最大加速度參考值；最大速度為0.258（0.177～0.378）m/s，（0.177～0.378）m/s 為速度變動(dòng)范圍，0.258 m/s 為最大速度參考值，計(jì)算時(shí)將此加速度施加到整個(gè)終端上。

2.4 冰載荷

假設(shè)戶(hù)外充油終端套管每一片大傘裙及均壓罩上均積滿(mǎn)冰，則冰載荷：

式中：Sb為套管大傘裙面積為Sb，m2；ρb為冰密度，kg/m3。

2.5 短路電動(dòng)力

戶(hù)外充油終端A、B、C 三相常按同一平面依次布置。終端分別通過(guò)在同一時(shí)刻電流值不等的Ia、Ib和Ic三相交流電流。發(fā)生短路故障時(shí)，每一相終端所承受的短路電動(dòng)力是該終端通過(guò)電流與其他兩相終端通過(guò)電流相互作用確定?？赡艹霈F(xiàn)的最大電動(dòng)力為中間相（B 相），其最大電動(dòng)力比兩邊A、C 相大（約7%）。短路時(shí)電動(dòng)力最大值與沖擊電流相關(guān)，計(jì)算時(shí)采用最大沖擊電流icj，由畢奧-薩伐爾定律，B 相終端可考慮為在A(yíng)、C 相終端內(nèi)電纜所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，且磁場(chǎng)方向和B 相終端的電纜垂直，B 相終端所承受的最大電動(dòng)力為：

式中：L為導(dǎo)體在終端長(zhǎng)度，m；l為終端間距，m；icj為短路電流，A。

3 終端受力分析

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)拉力、風(fēng)載荷、地震力、短路時(shí)電動(dòng)力作用方向相同時(shí)，戶(hù)外充油終端受到的外力組合最大，此時(shí)終端受力處于最危險(xiǎn)狀態(tài)。本文以220 kV 2 500 mm2復(fù)合套戶(hù)外充油終端為例進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 模型處理

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)復(fù)合套管終端計(jì)算模型做如下處理：（1）去除尾管、密封圈、螺栓等對(duì)復(fù)合套管終端強(qiáng)度幾乎無(wú)影響的零件；（2）各螺栓連接零件之間連接可靠，近似為剛性連接；（3）電纜通過(guò)導(dǎo)電桿作用在終端上的重量，通過(guò)力的形式加載到導(dǎo)電桿底部；（4）絕緣油和應(yīng)力錐主體的重量通過(guò)力的形式加載到密封套上。

將前述載荷及電纜重量、絕緣油重量、終端自重（以重力加速度形式）施加于終端模型，支撐絕緣子與安裝板采用固定約束進(jìn)行靜力仿真計(jì)算。

3.2 終端整體變形

復(fù)合套戶(hù)外充油終端整體變形如圖3 所示，頂部出線(xiàn)線(xiàn)夾變形最大，其最大變形量為3.59 mm。

圖3 復(fù)合套管終端總變形

3.3 終端應(yīng)力分布

復(fù)合套管終端整體應(yīng)力分布如圖4 所示，在底座法蘭與支撐絕緣子接觸位置應(yīng)力最大，最大應(yīng)力在支撐絕緣子上，其最大值為74.81 MPa。

圖4 復(fù)合套管終端應(yīng)力分布

復(fù)合套管終端各零部件大于等于8 MPa 的應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖5 復(fù)合套管終端大于等于8 MPa 應(yīng)力分布

支撐絕緣子應(yīng)力分布如圖6 所示，最大應(yīng)力在支撐絕緣子上法蘭（其材料為ZL101A）處，最大應(yīng)力為 74.81 MPa

圖6 支撐絕緣子應(yīng)力分布

3.4 螺栓強(qiáng)度校核

3.4.1 套管與底座法蘭螺栓強(qiáng)度校核

復(fù)合套管與底座法蘭采用12 套4.8 級(jí)（[σ] =320 MPa）的M16 螺栓沿圓周方向均布連接，當(dāng)外載荷F沿兩對(duì)稱(chēng)螺栓的連線(xiàn)方向作用到復(fù)合套終端時(shí)，此時(shí)復(fù)合套管與底座法蘭連接螺栓中承受最大外載荷螺栓如圖7（左）所示。

圖7 最大受力螺栓（柱）示意圖

復(fù)合套管與底座法蘭連接螺栓承受的力矩：

式中：H1為復(fù)合套管終端重心距套管下表面高度，m；H為終端整體高度，m；hz為支撐絕緣子高度，m；d為螺栓底徑，m。

復(fù)合套管與底座法蘭連接螺栓最大工作拉力：

式中：li為第i組螺栓，其距產(chǎn)品質(zhì)心距離為li。復(fù)合套管與底座法蘭螺栓預(yù)緊力：

式中：F為螺栓承受的剪切力，N；KS1為防滑系數(shù)取，1.3；n為距離套管質(zhì)心距離li的螺栓數(shù)量；N1為套管與底座法蘭連接摩擦面數(shù)量，此處值為1。

復(fù)合套管與底座法蘭螺栓總拉力：

復(fù)合套管與底座法蘭螺栓承受最大拉應(yīng)力：

式中：Ff為復(fù)合套管終端承受的風(fēng)載荷，N；Fdz為復(fù)合套管終端承受的地震力，N；f1為復(fù)合套管與底座法蘭摩擦系數(shù)，1.05。

綜上，復(fù)合套管與底座法蘭連接螺栓強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

3.4.2 支撐絕緣子與安裝支架螺栓強(qiáng)度校核

支撐絕緣子與安裝支架螺栓采用4 套4.8 級(jí)的M30 螺柱沿圓周方向均布連接，當(dāng)外載荷F′沿兩對(duì)稱(chēng)支撐絕緣子的連線(xiàn)方向作用到復(fù)合套終端時(shí)，此時(shí)支撐絕緣子與安裝支架連接螺柱中承受最大外載荷螺柱如圖7（右）所示。

支撐絕緣子與安裝支架連接螺栓承受的力矩：

支撐絕緣子與安裝支架連接螺栓最大工作拉力：

支撐絕緣子與安裝支架螺栓預(yù)緊力：

式中：N2為支撐絕緣子與安裝支架連接摩擦面數(shù)量，此處值為1。

支撐絕緣子與安裝支架連接螺栓總拉力：

支撐絕緣子與安裝支架連接螺栓承受最大拉應(yīng)力：

式中：f2為支撐絕緣子與安裝支架摩擦系數(shù)，0.17；KS2為防滑系數(shù)取，1.3；

綜上，支撐絕緣子與安裝支架連接螺栓強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用以上方法計(jì)算出線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)拉力、風(fēng)載荷、地震力、冰載荷、短路時(shí)電動(dòng)力等外力，將各力施加于終端上，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算及螺栓強(qiáng)度校核，220 kV復(fù)合套戶(hù)外充油終端能承受外部最?lèi)毫庸r下的外力破壞，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，終端各零部件除支撐絕緣子、底座法蘭、上法蘭應(yīng)力較大，其余零部件應(yīng)力基本上都小于8 MPa，遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)材料的許用應(yīng)力，因此該戶(hù)外充油終端機(jī)械結(jié)構(gòu)有較大的優(yōu)化空間。有必要對(duì)該戶(hù)外終端進(jìn)一步開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以節(jié)省產(chǎn)品材料成本。