魏雷成1，李宪鹏1，郭朋彦2
1.华拓电力装备集团有限公司，河南平顶山 467000
2.2.华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045
【摘要】：环网柜是电力系统输配网络中的专用部件，对电力输配系统安全、稳定运行有着重要的作用。本文根据客户需求，依据设计原则，设计了环网柜，建立了三维实体模型，采用有限元仿真计算方法，计算了环网柜在自重、风载作用下的受力和变形，计算结果表明，设计满足实际使用需求。
【主题词】环网柜；设计；分析
1.引言
“十四五”规划中，我国对制造业提出了自主、可控、安全、高效的准则，以推进机械制造高级化、现代化，这对传统制造业提出了高质量发展的要求。虽然我们的制造业有一定的规模优势，但是仍然需要我们在制造生产中去探索高效率和高质量生产的工艺流程和制造装备。而环网柜正是我们众多制造与电力输配系统中的一个重要关节。是一类用作电力输配系统中开关设备专用的柜体[1]。环网柜箱体的制造成本在全部成本中占着很大的比例,在制造柜体前合理的设计和受力分析可以提升工件的制造效率，也可以降低废品率，从而实现节约增效。
2.环网柜设计
环网柜通常是专门需求而进行设计制造的。由于环网柜的种类和型号众多，大多数环网柜都需要按照实际要求尺寸、加工余量、喷涂厚度等确定设计基准，根据场地大小，和所需完成的功能及以上设计原则确定设计尺寸、位置和附属元件摆放位置[2]。本项目根据客户需要，设计的环网柜中气箱部分面板。根据操作需求和柜内各类电气元件的尺寸确定环网柜的总体尺寸及结构型式，设计气箱的长为785mm，宽为366mm。一般非特殊情况下，应使设计的柜体尺寸接近环网柜结构系列。特殊使用的柜体材料一般选用柜体专用型材，本项目气箱选择使用Q235钢材。在面板上，有专门为接线和观察而设计的孔，方形孔的大小为100mm×50mm，多为观察仪表的出孔。同时，根据现场安装位置、操作、维修方便等要求，设计环网柜的开门方式及型式。圆形孔中最大的直径为66mm，多为线缆的出孔和按钮。
根据装配的方式和气密性的要求，柜体采用焊接形式拼接而成。根据环网柜总体尺寸及结构型式、安装尺寸，设计柜内分柜、安装支架等，并标出安装孔、安装螺栓及接地螺栓尺寸，同时标注装配方式。有时为便于环网柜的运输，需要设计合理的起吊钩或在箱体底部设计万向轮。
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总体来说，根据以上原则设计出柜体的外形草图，估算各部分尺寸，按比例画出外形设计图[1]。组装的环网箱柜体如图2所示，箱体中装有不同的元器件以完成环网柜所需完成的开关等功能。
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3.环网柜受力计算
3.1 仿真模型的建立
（1）简化的三维模型，
对于力学分析，需要对仿真模型的做一些简化，忽略掉三维模型上的小的孔洞、螺钉；需将柜体看作各向同性的，均匀的平面，仅保留箱体四周框架。把柜体中需要装配的元器件简化矩形重物装载于相应位置。简化后的模型如图3所示，矩形尺寸为390mm×263mm×478mm。
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（2）网格模型
柜体的网格划分设置为六面体形状，网格大小设定为10mm，自动生成网格，网格数目为342533个，网格质量较好。
3.2 工况计算
（1）自重工况
借助有限元软件对柜体进行静力学分析。模拟在自重的影响下，柜体的会不会导致裂解。施加柜体自身和所属配件的重力加速度后，考虑柜体自身重力对结构的影响，设置好边界条件，将柜体的底面全部固定约束，仿真得到环网柜柜体的应力如图4所示、变形如图5所示。
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通过以上应力、位移的分布云图可分析出，环网柜柜体受到自身重量和柜体内所属配件影响较大的一面在上部中心。在上部中心位置处受力最大处为0.37745MPa；位移最大处为5.8613微米。由上述分析可知，环网箱自身重力对柜体的受力和变化量可以忽略不计，环网箱在静载下是安全的。
（2）风载工况
当环网柜安装完成后，需要考虑它的抗风侧翻性能，所以，需要模拟当环网柜一侧受到风力影响时的变形情况。将环网柜的底面全部固定，将风载看作均匀载荷，在柜体的一侧施加均匀载荷q=3*10-4MPa，考虑到自身重量及所属配件重量的情况下，设置好边界条件。最后运行计算得到图6、图7所示。
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通过以上应力、位移分布云图可分析出，环网柜柜体除受到自身重量和柜体内所属配件影响以外，在受到侧面均匀载荷影响之下，变化较大的一面在施加外载荷的侧表面中心位置。在施加一侧表面中心最大应力为3.2418MPa，位移变化最大处为37.422微米。由上述分析可知，除环网箱受自身重力之外，由于外施加的均匀载荷对于柜体本身的作用可以克服，变化量过小可以忽略不计，环网箱的柜体结构设计在合理范围之内。
4.总结
本文根据实际，设计了项目需要环网柜，并建立了三维实体模型，采用有限元仿真计算方法，计算了环网柜在自重、风载作用下的受力和变形，计算结果表明，设计满足实际使用需求。
参考文献
[1]李建基. 环网柜与负荷开关的发展[J]. 江苏电器,2008,(11):1-5.
[2]成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2004.
作者：魏雷成 性别：男 民族 ：汉 出生年月：1989.6.30 籍贯 ：河南省叶县遵化店 学历 ： 大专 职称： 中级管理师 研究方向 ：电力装备的设计与开发 单位：华拓电力装备集团有限公司