CN103470590A - 用于电气设备复合材料套管的法兰及其连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于电气设备复合材料套管的法兰及其连接方法，其中，用于电气设备复合材料套管的法兰包括法兰盘，所述法兰盘的同一侧具有第一套筒和第二套筒，所述第一套筒与所述第二套筒同轴设置，所述第一套筒位于所述第二套筒内。上述方案，复合材料套管连接在第一套筒与第二套筒之间，通过第一套筒和第二套筒加强了对复合材料套管的约束作用，增强了连接刚度，使复合材料套管的延性能力能够充分发挥，降低甚至避免了出现滑移失效的问题；此外装配方便且质量易于保证，在长期使用过程中有较好的密封性，防止复合材料套管端部受环境侵蚀。
Description
技术领域
本发明涉及电气连接结构技术领域，尤其涉及用于电气设备复合材料套管的法兰及连接方法。
背景技术
输变电工程是重要的生命线工程，变电站电气设备是输变电工程的重要组成部分。历次震害的经验和教训表明，变电站电气设备一旦在地震中遭到较大破坏，将造成较大范围的电力中断，严重影响地震区的生产生活，严重阻碍抗震救灾工作，威胁到群众的生命和财产安全。
由于变电站设备的结构形式和尺寸主要由设备需要满足的电气性能要求决定，因此对结构形式进行优化以提高变电站设备抗震性能的空间有限。这种情况下，通过改进设计提高构件自身的力学性能是提高设备抗震性能的主要途径之一。
连接管件类电气设备广泛运用于高压电气设备中，包括支柱式电气设备，如支柱绝缘子和避雷器，以及低矮电气设备，如变压器。这类设备在运行过程中承受较大的外荷载作用，特别是地震作用下，连接管件自身和所支撑设备将产生的较大地震力作用于连接管件和连接管件的连接部位。其中，连接管件常用法兰连接，连接部位是设备力学性能的薄弱环节。
传统的连接管件类电气设备常采用瓷质材料，通过胶装的方式与金属材料的法兰连接。瓷质材料连接管件具有明显的脆性。在受地震荷载作用时，瓷质材料连接管件法兰连接的胶装部位将产生较大应力，导致瓷质材料的破裂而造成连接失效。这种情况下，瓷质材料连接管件类电气设备的连接性能绝大程度上取决于瓷质材料的抗裂力学性能，法兰连接形式的改进对连接力学性能的提高作用有限。
随着新型材料的研发和电气设备工业的发展，复合材料因其优秀的绝缘性能和力学性能开始逐渐在各类高电压等级的电气设备中采用。树脂基玻璃纤维加强复合材料是电气设备常用的复合材料类型，其力学性能与瓷质材料有明显的区别，在地震荷载作用下，复合材料连接管件类连接部位易发生滑移失效和/或端部密封性失效，而影响电网的安全稳定。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明提供一种用于电气设备复合材料套管的法兰及其连接方法，用以解决复合材料连接管件类连接部位在地震荷载作用下易发生滑移失效和/或端部密封性失效，而影响电网的安全稳定的问题。
本发明提供一种用于电气设备复合材料套管的法兰（可简称为本发明法兰），包括法兰盘，所述法兰盘的同一侧具有第一套筒和第二套筒，所述第一套筒与所述第二套筒同轴设置，所述第一套筒位于所述第二套筒内。
本发明还提供采用上述用于电气设备复合材料套管的法兰的连接方法，在所述第一套筒与所述第二套筒之间形成的安装槽内灌注粘结剂，之后将连接管件插入所述安装槽，待安装到位后转动所述连接管件-使胶接剂分布均匀。
本发明提供的上述方案，复合材料套管连接在第一套筒与第二套筒之间，通过第一套筒和第二套筒加强了对复合材料套管的约束作用，增强了连接刚度，使复合材料套管的延性能力能够充分发挥，降低甚至避免了在地震荷载作用下出现滑移失效的问题；此外装配方便且质量易于保证，在长期使用过程中有较好的密封性，防止复合材料套管端部受环境侵蚀。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
图1为本发明实施例提供的用于电气设备复合材料套管的法兰的全剖视图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明实施例的用于电气设备复合材料套管的法兰的使用状态图；
图4-图6为本发明连接方法实施例中各步骤的连接状态图；
图7为本发明实施例提供的用于电气设备复合材料套管的法兰与连接管件连接过后所受弯矩力学分析图；
图8为现有法兰与连接管件连接过后所受弯矩力学分析图；
图9为连接管件受侧向力F的有限元模型图；
图10为力-位移曲线图
图11为本发明实施例提供的用于电气设备复合材料套管的法兰应力云图；
图12为现有法兰应力云图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
图1为本发明实施例提供的用于电气设备复合材料套管的法兰的全剖视图；图2为图1的俯视图。如图1、图2所示，本发明实施例提供的用于电气设备复合材料套管的法兰，包括法兰盘5，法兰盘5的同一侧具有第一套筒2和第二套筒1，第一套筒2与第二套筒1同轴设置，第一套筒2位于第二套筒1内。
上述方案，复合材料套管连接在第一套筒2与第二套筒1之间，通过第一套筒2和第二套筒1加强了对复合材料套管的约束作用，增强了连接刚度，使复合材料套管的延性能力能够充分发挥，降低甚至避免了在地震荷载作用下出现滑移失效的问题；此外装配方便且质量易于保证，在长期使用过程中有较好的密封性，防止复合材料套管端部受环境侵蚀。
实际使用中，为保证各节管组件的连通，则法兰盘5具有中心通孔6，中心通孔6与第一套筒2同轴设置。
为了保证第一套筒2的承载力，则中心通孔6的半径小于第一套筒2的半径。且作为一种优选方式，第一套筒2与中心通孔6的半径差大于第二套筒1与第一套筒2的半径差。
防止管组件受剪切力而损坏，则使第一套筒2与第二套筒1高度相同。
为了便于进行连接，在法兰盘5的边缘沿圆周方向均匀设置有多个连接通孔4。
为了增加第二套筒1与法兰盘5之间连接的刚度及强度，则在每两相邻连接通孔4之间设置有一个分别于法兰盘5及第二套筒连接1的加强肋3。
在对两复合材料套管8进行连接时，参见3所示，经两段复合材料套管8分别与一个上述用于电气设备复合材料套管的法兰7进行连接，然后再通过螺栓9将两个用于电气设备复合材料套管的法兰7固定连接在一起。
本发明实施例还提供一种采用上述法兰的连接方法，如图4-6所示，在用于电气设备复合材料套管的法兰7的第一套筒与第二套筒之间形成的安装槽内灌注粘结剂，之后将连接管件8缓慢的插入安装槽，待安装到位后转动连接管件8至预定角度，以使粘结剂可以较为均匀的分布在安装槽壁面及连接管件8的管面上，达到较好的连接效果。
当然，除了采用上述粘接的方式进行安装外，还可以采用过盈的方式进行连接。
为了使本领域技术人员进一步理解该发明方案的效果，参见下述力学分析。
由于复合材料的连接管件具有一定的延性能力，本发明用于电气设备复合材料套管的法兰连接在外力作用下不会发生瞬时的脆性破坏，而是在交界面发生塑性滑移或逐渐开展的纤维断裂。这种情况下，加强法兰对复合材料的连接管件的约束，有利于连接承载力。
采用胶装连接或过盈装配连接时，本发明用于电气设备复合材料套管的的法兰的第一套筒及第二套筒均对连接管件形成约束，即有两个约束面作用，而法兰对复合材料连接管件的约束面仅为一个。电气设备在地震荷载作用下，将产生侧向的地震力，从而在法兰连接处形成弯矩作用。此时本发明法兰和现有法兰与连接管件的连接受力模式参见图7、图8。
以N1位置为矩心，根据平衡方程，对发明的法兰有：
M≈(f1+f2)·D
对现有法兰装置有：
M≈f1·D
其中f为交界面处法兰壁提供的纵向约束力。对发明的法兰，第一套筒及第二套筒均提供力f以平衡外荷载，而现有法兰仅有单壁提供力f。对于胶装连接，f包含胶粘力和界面摩擦力，对于过盈装配连接，f为界面摩擦力。f与胶黏剂特性、接触压力和接触界面特性有关，超过一定限值时界面将产生滑动，滑动位移超过一定限值时将影响电气设备的使用性能。
基于上述分析，如图9所述，分别对本发明用于电气设备复合材料套管的法兰与连接管件和现有法兰与连接管件进行有限元分析。连接方式为无胶装的过盈装配连接，过盈量较小，界面仅考虑接触摩擦力，摩擦系数0.3。本发明用于电气设备复合材料套管的法兰及现有法兰底部固定，连接管件顶部受侧向力F作用。本发明用于电气设备复合材料套管的法兰及现有法兰的材料弹性模量2×1011N/m2，连接管件弹性模量3×1010N/m2，按材料弹性状态进行计算。
表1
如图10及上表1所示，本发明用于电气设备复合材料套管的法兰与连接管件的连接刚度明显大于现有法兰与连接管件的连接，在侧向位移0-100mm范围内，使用本发明的法兰的构件刚度约为使用现有法兰连接的构件的两倍，如当顶端侧向力F=200kN时，使用本发明的法兰的构件侧向位移约为40mm,使用现有法兰连接的构件侧向位移约为90mm。
如图11、图12所示，从连接段的应力可以看到，本发明的法兰的第一套筒及第二套筒均有较大应力，能够共同发挥作用，形成对连接管件的约束，这种约束作用能避免或减缓因套管滑移而导致的连接失效，从而更充分的发挥复合材料自身的延性能力。而现有法兰，仅外壁对连接管件进行约束。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种用于电气设备复合材料套管的法兰，其特征在于，包括法兰盘，所述法兰盘的同一侧具有第一套筒和第二套筒，所述第一套筒与所述第二套筒同轴设置，所述第一套筒位于所述第二套筒内。
2.根据权利要求1所述的用于电气设备复合材料套管的法兰，其特征在于，所述法兰盘具有中心通孔，所述中心通孔与所述第一套筒同轴设置。
3.根据权利要求2所述的用于电气设备复合材料套管的法兰，其特征在于，所述中心通孔的半径小于所述第一套筒的半径。
4.根据权利要求3所述的用于电气设备复合材料套管的法兰，其特征在于，所述第一套筒与所述中心通孔的半径差大于所述第二套筒与所述第一套筒的半径差。
5.根据权利要求1-4任一项所述的用于电气设备复合材料套管的法兰，其特征在于，所述第一套筒与所述第二套筒高度相同。
6.根据权利要求5所述的用于电气设备复合材料套管的法兰，其特征在于，所述法兰盘的边缘沿圆周方向均匀设置有多个连接通孔。
7.根据权利要求6所述的用于电气设备复合材料套管的法兰，其特征在于，每两相邻所述连接通孔之间设置有一个分别于所述法兰盘及所述第二套筒连接的加强筋。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的用于电气设备复合材料套管的法兰的连接方法，其特征在于，在所述第一套筒与所述第二套筒之间形成的安装槽内灌注粘结剂，之后将连接管件插入所述安装槽，待安装到位后转动所述连接管件至预定角度。
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