CN109711033B - 一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法，本发明的目的在于优化金属法兰的结构尺寸，在满足强度要求的前提下减轻重量。本发明基于有限元软件ANSYS 15.0，按步骤优化法兰盘个部分尺寸。其计算步骤是将法兰盘的顶端壁厚、连接台厚、筋板厚度、筋板高度、筋板底宽度做为可设计变量，利用有限元软件ANSYS 15.0的APDL语言命令流建立模型；施加边界条件和载荷；依次缩减顶端壁厚、连接台厚、筋板厚度、筋板高度、筋板底宽度，从而得到最大等效应力不超过强度极限的质量最小尺寸。本发明优点及积极效果是考虑下法兰结构的真实应力情况，为高压电瓷绝缘子用带筋下法兰结构提供更加精准的优化设计方法。

Description

一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法

技术领域：

本发明涉及特高压支柱瓷绝缘子技术领域，具体为一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法。

技术背景：

特高压支柱瓷绝缘子主要应用于输变电系统中作为特高压电器中导电部分的绝缘和支持用，特高压电瓷绝缘子用金属附件是瓷绝缘子的重要组成部分，连接着绝缘子瓷件与支座，其结构强度关系到绝缘子整体的结构强度。支柱瓷绝缘子作为特高压输变电工程的重要组成部分，对电气设备起着支撑和绝缘用。由于支柱瓷绝缘子具有良好的抗老化、耐腐蚀、刚性高等特点，一直被广泛应用。尤其是近年来国家大力发展特高压输变电工程、柔性直流输变电工程，对于每个组成部分的要求在各方面均越来越高。因此支柱瓷绝缘子的强度和电气性能的高低，对整个工程也起着重要的作用。故而对支柱瓷绝缘子在强度和电气性能方面提出了更高的要求。因此，适用的支柱瓷绝缘子的结构强度高、弯曲强度大、耐污性能高是近年来支柱瓷绝缘子发展的趋势。而特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构的设计对于支柱瓷绝缘子的受力及电气性能都有着重要影响，金属附件的法兰胶装高度、壁厚，加强筋的高度、数量及厚度都是影响其承载力和重量的重要因素。

目前，国内各公司使用的绝缘子金属附件均按照自己的经验进行设计，没有一套完整的数据模型或计算公式。虽然《科技创新导报》2017年第10期，由张三春、付春、刘辉、徐玉波撰写的《基于有限元的法兰设计优化》，针对复合横担中的支柱绝缘子在运行中主要受弯曲力和压力的特点，并结合支柱绝缘子的抗弯试验结果，从设计变量、目标函数和约束条件提出了法兰优化设计的三要素，对其进行有限元计算，并对法兰结构进行优化分析，解决了法兰设计裕度较大的问题。但实际构造设计影响因素较多，结构复杂多变，因此实用性较差，难以推广。

随着新材料新技术发展，各公司使用的特高压电瓷绝缘子用金属法兰材质发生变化，由最初的HT200(材料的抗拉强度值σb＝200MPa)材质，更改为KTH350-10材质(σb＝350MPa)后，然后再次由KTH350-10材质更改为QT450-10材质(σb＝450MPa)，材料的许用应力值逐渐提高。由于在特高压支柱瓷绝缘子用金属附件材质不断优化的同时，不能对特高压支柱瓷绝缘子用金属附件进行准确定量计算，从而造成各家公司特高压电瓷绝缘子用金属法兰结构存在差异，在法兰高度、连接台厚度、筋板厚度、筋板高度、筋板宽度各方面均不相同。一是造成特高压支柱瓷绝缘子金属附件结构设计不合理，强度不足引发绝缘子损坏；二是金属附件结构设计裕度过大，造成材料及资源浪费，增加生产成本，影响绝缘子整体性能。

随着人工智能技术在理论和应用方面的突破性发展，有限元结合人工智能技术在对电气元件的结构优化设计方面得到广泛应用。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。特高压支柱瓷绝缘子用金属附件有螺孔型、光孔无加强筋型、光孔加强筋型三种结构形式，因光孔具备加强筋型的结构部件多，利用有限元软件ANSYS进行特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法具有典型的代表意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法，基于有限元软件ANSYS15.0，能够对特高压支柱瓷绝缘子用金属附件进行定量设计计算、合理的结构设计、合理的原材料使用，保证绝缘子的强度，克服经验设计和理想设计的弊端，节约能源。既可满足特高压电瓷绝缘子用金属附件结构性能要求，具有一定的安全裕量，又能合理使用原材料，减少材料浪费，为特高压支柱瓷绝缘子用金属附件提供一个科学、有效、方便的设计方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：采用计算机数值模拟技术，基于有限元软件ANSYS15.0，对现有金属附件的安全性进行计算评估；根据单柱瓷绝缘子的工作载荷，通过计算确定优化的金属附件厚度、连接台厚度、筋板厚度、筋板数量和布置方式；对计算的大量数据进行汇总和分析，拟合出关于金属附件关键尺寸的设计方法。

一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法，其特征包括以下步骤：

步骤1，利用有限元软件ANSYS 15.0的APDL语言命令流建立模型，在不改变附件主要结构的前提下，对现有高压电瓷绝缘子用金属附件的安全性进行评估。

所述特高压电瓷绝缘子用金属附件的顶端壁厚、连接台厚、筋板厚度、筋板高度、筋板底宽度等尺寸为可设计变量。

步骤2，施加边界条件和载荷，边界条件为约束住销钉孔的位移，载荷施加在瓷瓶的顶端处，集中载荷为1.2倍额定载荷，计算所述高压电瓷绝缘子用金属附件最大等效应力。

步骤3，逐步缩减原顶端壁厚尺寸，并计算应力，分别计算顶端壁厚为(原顶端壁厚–1)、(原顶端壁厚–2)、(原顶端壁厚–3)、(原顶端壁厚–4)的相应特高压电瓷绝缘子用金属附件模型附件最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限，并且顶端壁厚满足要求的最小质量结果。

步骤4，在上一步的基础上，逐步缩减连接台尺寸，并计算应力：分别计算连接台厚为(原连接台厚–2)、(原连接台厚–3)、(原连接台厚–4)、(原连接壁厚–5)、(原连接壁厚–6)、(原连接台厚–7)、(原连接台厚–8)、(原连接台厚–9)、(原连接壁厚–10)、(原连接壁厚–11)、(原连接台厚–12)、(原连接台厚–13)、(原连接台厚–14)、(原连接壁厚–15)、(原连接壁厚–16)的相应特高压电瓷绝缘子用金属附件模型法兰最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。

步骤5，在上一步的基础上，逐步缩减筋板厚度尺寸，并计算应力：分别计算筋板厚度为(原筋板厚度–1)、(原筋板厚度–2)的相应特高压电瓷绝缘子用金属附件模型法兰最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。

步骤6，在上一步的基础上，逐步缩减筋板高度尺寸，并计算应力：分别计算筋板高度为(原筋板高度–1)、(原筋板高度–2)、(原筋板高度–3)、(原筋板高度–4)、(原筋板高度–5)、(原筋板高度–6)的相应特高压电瓷绝缘子用金属附件模型附件最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。

步骤7，在上一步的基础上，逐步缩减筋板底宽度尺寸，并计算应力：分别计算筋板底宽度为(原筋板底宽度–1)、(原筋板底宽度–2)、(原筋板底宽度–3)的相应特高压电瓷绝缘子用金属附件模型附件最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。

优选的，所述一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构的计算模型，包括附件安装孔、连接台、筋板、附件沟槽、附件壁，所述附件安装孔均布在连接台上，所述筋板均布在连接台上，与连接台和附件壁相连，所述附件壁设有附件沟槽。

优选的，所述特高压电瓷绝缘子用金属附件的顶端壁厚、连接台厚、筋板厚度、筋板高度、筋板底宽度等尺寸，至少有一种为可设计变量。

本发明优点及积极效果是考虑金属附件结构的真实应力情况，为特高压电瓷绝缘子用金属附件结构提供更加精准的设计方法。具体如下：

1.采用计算机数值模拟技术，基于有限元软件ANSYS15.0，对现有金属附件的构造结构和安全性进行计算评估，克服了经验设计的不足，缩短了计算时间，提高了设计计算效率。

2.通过模拟仿真设计，对单柱瓷绝缘子的工作载荷，通过计算确定优化的金属附件厚度、连接台厚度、筋板厚度、筋板数量和布置方式，具有一定通用性；

3.能够结合金属附件的构造特点和设计经验，对计算的大量数据进行汇总和分析，拟合出了关于金属附件关键尺寸的设计方法。

4.方法简单、计算可靠、设计效率高。

附图说明：

图1本发明特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构剖面示意图。

图2本发明特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构尺寸示意图。

图3本发明特高压支柱瓷绝缘子用金属附件俯视图。

1.附件壁；2.附件沟槽；3.筋板；4.连接台；5.附件安装孔；a、附件顶端壁厚；a1.附件内口直径；a2.附件沟槽直径；a3.附件外口直径；a4.附件外圆直径；b.附件安装孔直径；c.筋板厚度；e.筋板底宽度；h1.附件高度；h2.筋板高度；h3.连接台厚；h4.附件底厚。

具体实施方式：

如图1、图2、图3所示，法兰上边缘顶端壁厚a：w mm，法兰盘外壁与连接台交接处厚(w+3)mm，附件底厚h4：6mm，连接台厚h3：t mm。

一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法，其特征包括以下步骤：

步骤1，利用有限元软件ANSYS 15.0的APDL语言命令流建立模型。法兰盘的原始尺寸顶端壁厚a：9mm、连接台厚h3：20mm、附件底厚h4：6mm、筋板厚度c：10mm、筋板高度h2：95mm、筋板底宽度e：30mm。

步骤2，载荷施加：集中载荷40.5*1.2kN，施加在瓷瓶的顶端(1100mm)处，弯矩40.5*1.2*1100N·m＝53.46kN·m。表1显示法兰盘原始尺寸计算数据。等效应力未达到450MPa。

表1原始尺寸计算数据，1.2倍额定载荷

步骤3，缩减顶端壁厚a。分别计算顶端壁厚a为8mm、7mm、6mm、5mm的模型法兰盘最大等效应力。选取最大等效应力不超过强度极限，并且顶端壁厚满足要求的最小质量结果。

表2显示的计算数据。最大等效应力未超过450MPa。取顶端壁厚a＝6mm进行下一步计算。

表2缩减壁厚计算数据，1.2倍额定载荷

步骤4，在上一步的基础上，缩减连接台厚h3。分别计算连接台厚h3为18mm、17mm、16mm、15mm、14mm等的模型法兰盘最大等效应力。选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。表3显示的计算数据。顶端壁厚a＝6mm，连接台厚h3＝17mm时，质量减轻且最大等效应力未超过450MPa。

表3缩减连接台厚计算数据，1.2倍额定载荷

步骤5，在上一步的基础上，缩减筋板厚度c。分别计算筋板厚度c为9mm、8mm的模型法兰盘最大等效应力。选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。表4显示的计算数据。顶端壁厚a＝6mm，连接台厚h3＝17mm时，筋板厚度c＝9mm，质量减轻且最大等效应力未超过450MPa。

表4缩减筋板厚度计算数据，1.2倍额定载荷

步骤6，在上一步的基础上，缩减筋板高度h2。分别计算筋板高度h2为94mm～79mm的模型法兰盘最大等效应力。选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。表5显示的计算数据。筋板高度h2＝89mm，质量减轻且最大等效应力未超过450MPa。

表5缩减筋板高度计算数据，1.2倍额定载荷

步骤7，在上一步的基础上，缩减筋板底宽度e。分别计算筋板底宽度e为29mm、28mm、27mm的模型法兰盘最大等效应力。选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。表6显示的计算数据。最大等效应力已超过450MPa。在上一步的基础上，不建议继续减小筋板底宽e。

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表6缩减筋板底宽度计算数据，1.2倍额定载荷

经过本发明步骤计算得出建议尺寸如下：

本发明的有益效果是考虑金属附件结构的真实应力情况，为高压电瓷绝缘子用金属附件结构提供更加精准的设计方法。

Claims (3)

1.一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法，其特征在于，包括以下计算步骤：

步骤1，利用有限元软件ANSYS 15.0的APDL语言命令流建立模型，在不改变附件主要结构的前提下，对现有高压电瓷绝缘子用金属附件的安全性进行评估；

所述特高压支柱瓷绝缘子用金属附件的顶端壁厚、连接台厚、筋板厚度、筋板高度、筋板底宽度尺寸为可设计变量；

步骤2，施加边界条件和载荷，边界条件为约束住销钉孔的位移，载荷施加在瓷瓶的顶端处，集中载荷为1.2倍额定载荷，计算所述高压电瓷绝缘子用金属附件最大等效应力；

步骤3，逐步缩减原顶端壁厚尺寸，并计算应力：分别计算顶端壁厚为原顶端壁厚–1、原顶端壁厚–2、原顶端壁厚–3、原顶端壁厚–4的相应特高压支柱瓷绝缘子用金属附件模型附件最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限，并且顶端壁厚满足要求的最小质量结果；

步骤4，在步骤3的基础上，逐步缩减连接台尺寸，并计算应力：分别计算连接台厚为原连接台厚–2、原连接台厚–3、原连接台厚–4、原连接壁厚–5、原连接壁厚–6、原连接台厚–7、原连接台厚–8、原连接台厚–9、原连接壁厚–10、原连接壁厚–11、原连接台厚–12、原连接台厚–13、原连接台厚–14、原连接壁厚–15、原连接壁厚–16的相应特高压支柱瓷绝缘子用金属附件模型法兰最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果；

步骤5，在步骤4的基础上，逐步缩减筋板厚度尺寸，并计算应力：分别计算筋板厚度为原筋板厚度–1、原筋板厚度–2的相应特高压支柱瓷绝缘子用金属附件模型法兰最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果；

步骤6，在步骤5的基础上，逐步缩减筋板高度尺寸，并计算应力：分别计算筋板高度为原筋板高度–1、原筋板高度–2、原筋板高度–3、原筋板高度–4、原筋板高度–5、原筋板高度–6的相应特高压支柱瓷绝缘子用金属附件模型附件最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果；

步骤7，在步骤6的基础上，逐步缩减筋板底宽度尺寸，并计算应力：分别计算筋板底宽度为原筋板底宽度–1、原筋板底宽度–2、原筋板底宽度–3的相应特高压支柱瓷绝缘子用金属附件模型附件最大等效应力，选取最大等效应力不超过强度极限的最小质量结果。

2.根据权利要求1所述的一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法，其特征在于，所述一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构的计算模型，包括附件安装孔、连接台、筋板、附件沟槽、附件壁，所述附件安装孔均布在连接台上，所述筋板，与连接台和附件壁相连，均布在连接台上，所述附件壁设有附件沟槽。

3.根据权利要求1所述的一种特高压支柱瓷绝缘子用金属附件结构设计方法，其特征在于，所述特高压支柱瓷绝缘子用金属附件的顶端壁厚、连接台厚、筋板厚度、筋板高度、筋板底宽度尺寸，至少有一种为可设计变量。

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