摘要：750kV断路器复合空心套管在强风下会导致玻璃纤维增强环氧树脂（FRP）管与底部法兰连接处的上部应力集中，长期存在的应力集中会出现材料疲劳或界面缺陷。本文通过有限元分析软件对复合空心套管进行流-固耦合仿真，探讨了不同风速下复合空心套管的形变和应力集中现象及其大小。
关键词：复合空心套管；流-固耦合；强风形变；应力集中
0引言
复合空心套管具有高抗拉强度、高抗污闪性、不易爆炸等优点，截至2011年底，全国挂网运行的复合绝缘子已超过500万支，在建的超、特高压输电线路中，复合绝缘子的使用已占到1/3以上[1]，应用越来越广泛。高压套管在高压设备中起着重要的绝缘作用，套管能否安全稳定运行，将直接影响到整个高压电器设备及用电线路安全、可靠及稳定运行[2]。
我国西北部存在较多强风气候区域，以新疆达坂城至吐鲁番、阿拉山口至七角井，风速可以达到50m/s，复合套管在承受接线端子处静态力的同时也要承受强风的作用力，750kV断路器出现套管长约8m，在强风中面临周期性振动的威胁，会出现玻璃纤维增强环氧树脂（FRP）管与底部法兰连接处的上部应力集中，导致材料疲劳或界面缺陷。本文对复合空心套管在不同风速下进行流-固耦合计算[3]，研究复合套管在不同风速下的形变及应力集中水平，对复合套管在强风区的选型具有参考价值。
1仿真计算模型
通过有限元分析软件对复合空心套管进行流-固耦合的风荷载响应数值模拟[4]，分析强风区复合套管的形变、应力、应变。
1.1复合套管计算模型
750 kV空心复合套管的结构高度 8.69 m，考虑顶部均压环高度约为 9.35 m，出线套管计算模型如图1所示。出线套管与竖直方向夹角约 14~17°，不同方向的来风会有不同的迎风面积。
断路器复合空心套管的主要组成部分为玻璃纤维增强环氧树脂（FRP）芯体和外部 HTV 伞裙护套，FRP芯体起支撑作用，内部为空心铝合金材质的导电杆。仿真所需的材料参数如表 1 所示[5]。采用扫掠的六面体单元对出线套管模型进行离散，网格单元数为260290。
表1 材料的力学参数
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图1 750kV断路器出线套管剖面图 图2 形变与风速变化曲线 图3 应力与风速变化曲线
1.2流场计算模型
流场为30 000mm×20 000mm×30 000mm的长方体，套管的上下左右都留出10 000mm，前面留出10 000m m，后面留出20 000mm。流体为理想气体，符合理想气体的状态方程，密度为 1.18 kg/m3，流场网格单元总数为5686834，设置进口风速为40 m/s。
2计算结果
2.1仿真现象
通过有限元计算软件ANSYS进行出线套管风载荷响应仿真研究，仿真结果表明出线套管在风载荷作用下产生形变，顶部均压环处形变最大，最大值为10.38mm。FRP芯体承受的应力集中分布在形变产生的方向上，侧面承受的应力较小，迎风面承受的应力总体大于背风面承受的应力。应力主要集中在迎风面FRP管与底部法兰连接处靠上的部位，最大值为2.8MPa。承受的应力在最大值处向四周逐渐减小，最小值为1.03MPa。背风面与迎风面的应力分布类似，而承受的应力达2.8MPa的区域面积比较小，且在FRP管和底部法兰连接处承受的应力却很小。
2.2不同风速下的形变和应力情况
形变大小、应力集中程度与外部条件关联较大，因此研究不同风速下的形变、应力集中程度是有必要的，对不同风区复合套管的选型具有参考价值。通过有限元分析软件对复合空心套管进行流-固耦合仿真，研究不同风载荷下形变和应力集中程度，设置风速分别为20m/s，25m/s，30m/s，35m/s，40m/s，45m/s，50m/s，55m/s，60m/s。图2中的形变量为顶部均压环处的位移量，图3中的应力为底部法兰上部的FRP管的应力大小。
通过分析形变与风速变化曲线，可以看出，在风速小于35m/s时，顶部均压环处的位移随风速成线性增长。在风速大于35m/s时，FRP管整体位移变小，位移主要发生在内部导电杆，导电杆的中间位置位移最大为波腹，端部位移最小为波节。顶部均压环处位移的大小直接影响底部法兰上部的FRP管的应力集中程度，而应力的集中程度直接影响FRP管的疲劳寿命，因此要保证FRP管不产生材料疲劳或界面缺陷就要阻止顶部均压环产生大的位移。
通过分析应力与风速变化曲线，可以看出，在风速小于35m/s时，底部法兰上部的FRP管的应力大小随风速增大而增大较快。在风速大于35m/s时，位移主要集中在内部导电杆，而对FRP管整体的应力影响变小，因此风速大于35 m/s时，应力增长变缓。因此为防止底部法兰上部的FRP管应力集中程度过大，必须保证顶部均压环处的位移足够小。
3结论
1）通过有限元分析软件对复合空心套管进行流-固耦合仿真，其结果符合实际情况，出线套管的顶部均压环处在强风下会产生大的位移，大的位移会导致底部法兰上部的FRP管产生严重的应力集中，长期的应力集中会造成底部法兰上部的FRP管机械损伤甚至危害断路器正常运行。
2）复合套管在强风区的应力大小随位移的增大而增大，因此为防止FRP管与底部法兰连接处的上部应力集中过大而造成的材料疲劳或界面缺陷，就要避免顶部均压环产生大的位移。
3）复合套管在强风区的形变及应力集中程度随风速的增大而增大，增大的趋势在整个过程中会发生变化。
参考文献
[1]王希林，朱正一，马国祥，等.强风区复合绝缘子伞裙撕裂研究[J].电网技术，2013，37（10）：2845-2849.
[2]于淼，刘洋，朱孟周，等.复合套管及其运行检修技术的应用[C].西安：中国电机工程学会高电压专业委员会2015年学术年会，2015.
[3]吴云峰.双向流固耦合两种计算方法的比较[D].天津：天津大学，2009.
[4]贾志东，马国祥，朱正一，等.复合绝缘子在强风下的形变及应力集中程度[J].高电压技术，2015，41（2）：602-607.
[5]赵海鹏，蔡晶，石海珍，等.基于有限元的强风区断路器复合空心套管振动仿真[J].环境技术，2017，