CN115879279A - 换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统，涉及有载分接开关技术领域，包括通过扫描单元对有载分接开关各部件进行扫描，获取扫描数据；将扫描数据输入计算机单元，并通过计算机单元建立有载分接开关结构模型；将各部件的信息输入计算机单元，通过预先构建的时间历程分析模型进行时间历程分析；基于所述时间历程分析的结果计算所述有载分接开关各部件的理论应力。能够对有载分接开关的部分应力应力薄弱点进行分析计算，对各部件材料的理论应力与实际应力进行比较，并对各部件的应力裕度进行判断，以便于对应力薄弱点进强化，减小故障发生的概率。
Description
技术领域
本发明涉及有载分接开关技术领域，尤其涉及换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统。
背景技术
在整流站,用换流变压器将交流系统和直流系统隔离,通过换流装置将交流网络的电能转换为高压直流电能,利用高压直流输电线路传输；在逆变站,通过换流装置将直流电能转换为交流电能,再通过换流变压器送到交流电网；从而实现交流输电网络与高压直流输电网络的联络。当换流变压器桥臂短路时，为了限制过大的短路电流损坏换流阀，换流变压器需要具有足够大的短路阻抗，即具有较大的漏电抗。同时，为满足阀侧电压随负载变化而经常变化的要求，换流变压器还具有大范围的有载调压能力，使得上面的有载分接开关的档位远多于普通电力变压器，有载分接开是有载调压变压器的重要组成部分。它具有稳定系统电压,提高供电质量,降低能耗的特点,是电力设备正常运行必不可少的组件之一，
由于有载分接开关在有载调压中高强度的工作会导致有载分接开关上的部件受到巨大的应力，产生缺陷时往往是先出现裂纹，此时依然可以正常工作，而且缺陷在有载分接开关内部往往难以检测到，在调节档位时，裂纹部分受力从起裂部位向外呈放射性发展，断口缓慢开裂，形成突发性的机械断裂，会导致有载分接开关的分接选择器档位切换时级间短路、调压绕组级间短路、切换开关放电，开关油室爆炸起火，引起严重后果。需要对有载分接开关的部分应力应力薄弱点进行分析计算，以便于对应力薄弱点进强化，减小故障。
发明内容
本发明解决的技术问题是：由于有载分接开关在有载调压中高强度的工作会导致有载分接开关上的部件受到巨大的应力，产生缺陷时往往是先出现裂纹，此时依然可以正常工作，而且缺陷在有载分接开关内部往往难以检测到，在调节档位时，裂纹部分受力从起裂部位向外呈放射性发展，断口缓慢开裂，形成突发性的机械断裂。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，包括通过扫描单元对有载分接开关各部件进行扫描，获取扫描数据；
将扫描数据输入计算机单元，并通过计算机单元建立有载分接开关结构模型；
将各部件的信息输入计算机单元，通过预先构建的时间历程分析模型进行时间历程分析；
基于所述时间历程分析的结果计算所述有载分接开关各部件的理论应力；
通过计算机单元对所述有载分接开关各部件的理论应力与实际应力进行比较，并对所述有载分接开关各部件的应力裕度进行判断。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的优选方案，所述扫描单元对包括夹持装置和扫描仪；
通过夹持装置对所述有载分接开关各部件依次进行夹持；
对所述有载分接开关被夹持的所述部件左侧、右侧、前侧、后侧、上方和下方分别设置扫描仪，并且通过所述扫描仪对所述部件六个面进行同步扫描；
获取扫描数据。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的优选方案，所述扫描仪将所述扫描数据输入计算机单元，并且计算机单元对所述扫描数据进行存储；
所述有载分接开关结构模型上的规则部件采用六面体网格剖分，所述有载分接开关结构模型上非规则部件采用四面体网格进行剖分；
将所述有载分接开关各部件的信息包括材料信息、材料对应的属性、材料对应的载荷和材料对应的边界条件输入时间历程分析模型中进行时间历程分析。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的优选方案，所述时间历程分析模型包括：
用0xi，txi，t+Δtxi(i＝1,2,3)表示有载分接开关的上网格各个交点在时间0、时间t和时间t+Δt的位形坐标，tui，t+Δtui(i＝1,2,3)表示所述部件上网格各个交点在时间t和时间t+Δt的位移；
所述部件上网格各个交点的外力虚功，其计算表达式为：
其中，t+Δtτij表示t+Δt时刻应力，
表示t+Δt时刻应变，t+ΔtQ表示t+Δt时刻的外力虚功。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的优选方案，由于所述部分动态移动时所受应力，是大位移、小变形的非线性运动过程，因此需要采用相应的空间运动描述和定义，瞬态动力学模型求解的基本的运动方程为：
在Δt间隔内，满足线性假设：
Δt间隔内的加速度为：
时间点t+Δt处的位移解，可以通过求解：
其中加速度
可由：
代入，则得到从ut、
计算ut+Δt的公式：
其中，[M]表示质量矩阵，[C]表示阻尼矩阵，[K]表示刚度矩阵，
表示节点加速度向量，
表示节点速度向量，{u}表示节点位移向量，{F(t)}表示t时刻的载荷向量，在任意给定的时间t，重复迭代计算过程，可以确定给定时间内的所述部分动态运动轨迹。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的优选方案，对所述部件的理论应力的大小进行计算：
其中，ε表示所述部件的理论应力，ΔL表示所述t+Δt时刻的位移量，Δ表示所述部件t时刻的位移量。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的优选方案，测量所述有载分接开关各部件形变时的实际应力，并将所述实际应力数值输入计算机单元；
通过计算机单元将所述有载分接开关各部件的理论应力减去实际应力，得到所述有载分接开关各部件应力裕度的数值，所述有载分接开关上的部件应力裕度的数值越小，该部件应力裕度越小。
换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统，包括扫描单元，所述扫描单元包括夹持装置和扫描仪，所述夹持装置用于对有载分接开关上的部件进行夹持固定，扫描仪用于对所述部件进行扫描，并获取扫描数据；
计算机单元，所述扫描仪电性连接计算机单元。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统的优选方案，所述计算机单元内部建构有分接开关结构模型和时间历程分析模型，所述时间历程分析模型，用于计算各部件的理论应力的数值。
作为本发明所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统的优选方案，通过计算机单元对所述有载分接开关上的部件的理论应力与实际应力进行比较，并对所述有载分接开关各部件的应力裕度进行判断。
本发明的有益效果：能够对有载分接开关的部分应力应力薄弱点进行分析计算，对各部件材料的理论应力与实际应力进行比较，并对各部件的应力裕度进行判断，以便于对应力薄弱点进强化，减小故障发生的概率。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的基本流程示意图。
图2为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统的基本流程示意图。
图3为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法的网格剖分示意图。
图4为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的有载分接开关各部件的材料属性示意图。
图5为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的载荷及边界条件示意图。
图6为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的第一部件最大应力随凸台角度变化的折线图。
图7为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的第三部件最大应力随凸台角度变化的折线图。
图8为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的第五部件最大应力随凸台角度变化的折线图。
图9为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的第七部件最大应力随凸台角度变化的折线图。
图10为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的第四部件最大应力随凸台角度变化的折线图。
图11为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的第六部件最大应力随凸台角度变化的折线图。
图12为本发明一个实施例提供的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的第二部件最大应力随凸台角度变化的折线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
实施例1
参照图1-5，为本发明的一个实施例，提供了换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，包括：
S1:通过扫描单元100对有载分接开关各部件进行扫描，获取扫描数据。
所述扫描单元对100包括夹持装置101和扫描仪102；通过夹持装置101对所述有载分接开关各部件依次进行夹持。
对所述有载分接开关被夹持的所述部件左侧、右侧、前侧、后侧、上方和下方分别设置扫描仪102，并且通过所述扫描仪102对所述部件六个面进行同步扫描；获取扫描数据。
本实施例中优选的，可以将现有的有载分接开关拆开成一个个独立的零部件，通过现有的夹持装置101(如采用机械手或夹爪)对零部件进行夹持固定然后通过扫描仪102对该零部件进行扫描，扫描结束后依次对拆开后的零部件进行夹持，并通过扫描仪102进行扫描。
S2:将扫描数据输入计算机单元200，并通过计算机单元200建立有载分接开关结构模型201。
本实施例中优选的，将扫描数据输入计算机单元200中，计算机单元200可以采用现有的电脑，优选采用用UG或Stampack成型模拟软件进行成型。图3为有载分接开关结构模型201。
有载分接开关零部件较多，且涉及到运动部件的碰撞计算，为减小计算规模、缩短计算时间，结合需要重点关注的部件，对分接开关模型进行简化。本实施例中计算需要重点关注真空泡操作过程中关键部件的机械受力，所以计算模型中只保留了重点关注零部件，同时为保证计算机单元200计算速度，去除了部分安装孔和小倒角，这样无关结构，为了减少模型中接触对的数量，把部分销轴采用转动副进行替代。
S3:将各部件的信息300输入计算机单元200，通过预先构建的时间历程分析模型202进行时间历程分析。
时间历程分析模型201又称为瞬态动力学模型，是用于确定结构在任何随时间变化的载荷作用下的动力学响应的分析方法，可以确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力。
所述扫描仪102将所述扫描数据输入计算机单元200，并且计算机单元200对所述扫描数据进行存储；
所述有载分接开关结构模型201上的规则部件采用六面体网格剖分，所述有载分接开关结构模型201上非规则部件采用四面体网格进行剖分。
参照图3，本实施例中优选的，在进行瞬态动力学分析前，需对模型进行网格划分，网格划分的好坏直接关系到求解的准确度及求解的速度。对有载分接开关进行网格剖分，规则部件采用六面体网格剖分，可以减少网格数量，非规则部件采用四面体网格进行剖分，关键部件可适当加密网格数量。网格数目约121.5万。
将所述有载分接开关各部件的信息300包括材料信息301、材料对应的属性302、材料对应的载荷303和材料对应的边界条件304输入时间历程分析模型202中进行时间历程分析。
参照图4，是有载分接开关中部分部件采用的参考材料。
表1：材料参数表。
参照图5，有载分接开关结构模型201中所施加的边界条件其中A处施加固定边界条件；B处轴端约束平移自由度，释放绕轴旋转自由度；C处和D处施加固定边界条件；E处轴底端约束平移自由度，释放绕轴旋转自由度，同时按匀加速运动施加转动位移(角度)，可以将边界条件看做部件的额移动行程。
S4:基于所述时间历程分析的结果计算所述有载分接开关各部件的理论应力。
用0xi，txi，t+Δtxii＝1,2,3表示有载分接开关的上网格各个交点在时间0、时间t和时间t+Δt的位形坐标，tui，t+Δtuii＝1,2,3表示所述部件上网格各个交点在时间t和时间t+Δt的位移；
所述部件上网格各个交点的外力虚功，其计算表达式为：
其中，t+Δtτij表示t+Δt时刻应力，
表示t+Δt时刻应变，t+ΔtQ表示t+Δt时刻的外力虚功。可以对各个网点位置的在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力进行计算分析，对分接开关的工作过程进行瞬态动力学仿真分析，得到了各关键部件的应力分布情况以及轴受力情况，更加精确细致，便于对应力薄弱点进行判断。
由于所述部分动态移动时所受应力，是大位移、小变形的非线性运动过程，因此需要采用相应的空间运动描述和定义，瞬态动力学模型求解的基本的运动方程为：
在Δt间隔内，满足线性假设：
Δt间隔内的加速度为：
时间点t+Δt处的位移解，可以通过求解：
其中加速度
可由：
代入，则得到从ut、
计算ut+Δt的公式：
其中，[M]表示质量矩阵，[C]表示阻尼矩阵，[K]表示刚度矩阵，
表示节点加速度向量，
表示节点速度向量，{u}表示节点位移向量，{F(t)}表示t时刻的载荷向量，在任意给定的时间t，重复迭代计算过程，可以确定给定时间内的所述部分动态运动轨迹。
对所述部件的理论应力的大小进行计算：
其中，ε表示所述部件的理论应力，ΔL表示所述部件t+Δt时刻的位移量，Δ表示所述部件t时刻的位移量。已知动态运动轨迹、加速度和时间，可以通过公式位移s＝Vot+at^2/2＝Vt/2t，得到位移数值。
S5:通过计算机单元200对所述有载分接开关各部件的理论应力与实际应力进行比较，并对所述有载分接开关各部件的应力裕度进行判断。
测量所述有载分接开关各部件形变时的实际应力，并将所述实际应力数值输入计算机单元200；
通过计算机单元200将所述有载分接开关各部件的理论应力减去实际应力，得到所述有载分接开关各部件应力裕度的数值，所述有载分接开关上的部件应力裕度的数值越小，该部件应力裕度越小。
应力裕度数值只能是正数，若为负数，代表没有经住出厂测试，低于设计要求的结构强度；同时应力裕度的数值越小的零部件，就是应力的薄弱点，应该对齐进行强化，减少内部故障发生的概率，避免在调节档位时，稍微超过额定负荷受到阻力就出现裂纹，导致出现缺陷，也可以强化内部的零部件应力裕度，使其大于外部的零部件的应力裕度，以便于内部零部件出现缺陷时，及时观察到。
实施例2
参照图1和2，为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统，包括扫描单元100，所述扫描单元100包括夹持装置101和扫描仪102，所述夹持装置101用于对有载分接开关上的部件进行夹持固定，扫描仪102用于对所述部件进行扫描，并获取扫描数据；
计算机单元200，所述扫描仪102电性连接计算机单元200。
所述计算机单元200内部建构有分接开关结构模型201和时间历程分析模型202，所述时间历程分析模型202，用于计算各部件的理论应力的数值。
通过计算机单元200对所述有载分接开关上的部件的理论应力与实际应力进行比较，并对所述有载分接开关各部件的应力裕度进行判断。。
对有载分接开关应力薄弱点判断时，先将有载分接开关拆卸分解成单个的零部件，通过夹持装置101用于对有载分接开关上的零部件进行夹持固定，然后通过扫描仪102对该零部件进行扫描，扫描结束后依次对拆开后的零部件进行夹持，并通过扫描仪102进行扫描，将扫描数据输入计算机单元200中，建立建立有载分接开关结构模型201，然后通过时间历程分析模型201，对单个的零部件结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力。
实施例3
参照图5-12，为本发明另一个实施例，该实施例不同于前两个实施例的是，提供了换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法及系统的实验验证，对分接开关中真空泡操作过程中关键部件的机械受力进行计算，得到各部件的应力分布及支反力情况，以便于了解换流变有载分接开关各部件应力分布的情况，本实施例仅对一部分部件进行举列。
在驱动轴运动到0.009499s时，不同凸台角度下，分接开关的关键部位的最大应力值如下表所示。
表2；不同凸台角度下，分接开关关键部位的最大应力值。
参照图5-12，其中关键部件第二部件20采用45#(碳素结构钢材料)保证其结构强度，驱动轴运动到0.009499s时，最大应力随凸台角度的变化如图12所示。其中，第一部件10的应力水平较低，第三部件30的应力水平较高。
从最大应力随凸台角度的变化图中可以发现，最大应力与凸台角度相关性很小，其中第一部件10、第三部件30、第五部件50和第七部件70的应力浮动范围差值(最大值-最小值)分别为60MPa、53MPa、64MPa和36MPa，由此可见离散性比较大。
第四部件40采用黄铜T2材料，此材料屈服强度280MPa，拉伸极限为315MPa。当运动到0.009499s时，最大应力随凸台角度的变化如图所示。其中，第二部件20的应力水平较低；第六部件60的应力略大，但仍小于屈服强度。
关键第七部件70采用环氧酚醛层压玻璃布板3240材料，此材料拉伸极限为300MPa。当运动到0.009499s时，最大应力随凸台角度的变化在170-200MPa浮动，小于屈服强度。
对分接开关的工作过程进行瞬态动力学仿真分析，得到了各关键部件的应力分布情况以及轴受力情况，提取了运动到0.009499s时的应力分布。在运动到0.009499s时，不同凸台角度下，分接开关关键部位的最大应力值及轴受力最大值的变化无明显规律。
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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，其特征在于，包括
通过扫描单元(100)对有载分接开关各部件进行扫描，获取扫描数据；
将扫描数据输入计算机单元(200)，并通过计算机单元(200)建立有载分接开关结构模型(201)；
将各部件的信息(300)输入计算机单元(200)，通过预先构建的时间历程分析模型(202)进行时间历程分析；
基于所述时间历程分析的结果计算所述有载分接开关各部件的理论应力；
通过计算机单元(200)对所述有载分接开关各部件的理论应力与实际应力进行比较，并对所述有载分接开关各部件的应力裕度进行判断。
2.如权利要求1所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，其特征在于：所述扫描单元对(100)包括夹持装置(101)和扫描仪(102)；
通过夹持装置(101)对所述有载分接开关各部件依次进行夹持；
对所述有载分接开关被夹持的所述部件左侧、右侧、前侧、后侧、上方和下方分别设置扫描仪(102)，并且通过所述扫描仪(102)对所述部件六个面进行同步扫描；
获取扫描数据。
3.如权利要求2所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，其特征在于：所述扫描仪(102)将所述扫描数据输入计算机单元(200)，并且计算机单元(200)对所述扫描数据进行存储；
所述有载分接开关结构模型(201)上的规则部件采用六面体网格剖分，所述有载分接开关结构模型(201)上非规则部件采用四面体网格进行剖分；
将所述有载分接开关各部件的信息(300)包括材料信息(301)、材料对应的属性(302)、材料对应的载荷(303)和材料对应的边界条件(304)输入时间历程分析模型(202)中进行时间历程分析。
4.如权利要求3所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，其特征在于：所述时间历程分析模型(202)包括：
用
表示有载分接开关的上网格各个交点在时间0、时间t和时间t+Δt的位形坐标，
表示所述部件上网格各个交点在时间t和时间t+Δt的位移；
所述部件上网格各个交点的外力虚功，其计算表达式为：
其中，
表示t+Δt时刻应力，
表示t+Δt时刻应变，t+ΔtQ表示t+Δt时刻的外力虚功。
5.如权利要求4所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，其特征在于：由于所述部分动态移动时所受应力，是大位移、小变形的非线性运动过程，因此需要采用相应的空间运动描述和定义，瞬态动力学模型求解的基本的运动方程为：
在Δt间隔内，满足线性假设：
Δt间隔内的加速度为：
时间点t+Δt处的位移解，可以通过求解：
其中加速度
可由：
代入，则得到从ut、
计算ut+Δt的公式：
其中，[M]表示质量矩阵，[C]表示阻尼矩阵，[K]表示刚度矩阵，
表示节点加速度向量，
表示节点速度向量，{u}表示节点位移向量，{F(t)}表示t时刻的载荷向量，在任意给定的时间t，重复迭代计算过程，可以确定给定时间内的所述部分动态运动轨迹。
6.如权利要求5所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，其特征在于：对所述部件的理论应力的大小进行计算：
其中，ε表示所述部件的理论应力，ΔL表示所述部件t+Δt时刻的位移量，Δ表示所述部件t时刻的位移量。
7.如权利要求6所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析方法，其特征在于：测量所述有载分接开关各部件形变时的实际应力，并将所述实际应力数值输入计算机单元(200)；
通过计算机单元(200)将所述有载分接开关各部件的理论应力减去实际应力，得到所述有载分接开关各部件应力裕度的数值，所述有载分接开关上的部件应力裕度的数值越小，该部件应力裕度越小。
8.换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统，其特征在于，包括扫描单元(100)，所述扫描单元(100)包括夹持装置(101)和扫描仪(102)，所述夹持装置(101)用于对有载分接开关上的部件进行夹持固定，扫描仪(102)用于对所述部件进行扫描，并获取扫描数据；
计算机单元(200)，所述扫描仪(102)电性连接计算机单元(200)。
9.如权利要求8所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统，其特征在于：所述计算机单元(200)内部建构有分接开关结构模型(201)和时间历程分析模型(202)，所述时间历程分析模型(202)，用于计算各部件的理论应力的数值。
10.如权利要求9所述的换流变有载分接开关应力薄弱点分析系统，其特征在于：通过计算机单元(200)对所述有载分接开关上的部件的理论应力与实际应力进行比较，并对所述有载分接开关各部件的应力裕度进行判断。
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