500kV过载保护金具安全销失效分析及设计
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【摘 要】近些年来由自然灾害、覆冰、风振等引起的倒塔、断线事故逐年增多，而输电塔在线路总投资中约占40%左右，并且输电塔的构造复杂，以致于在输电线路的抢修过程中，倒塔重建的花费和困难最多。本文基于过载保护金具的思想，利用安全销、碗头挂板和联板整体有限元模型，对安全销的应力分布情况进行分析，得出了弯矩对安全销的破坏起主要作用的结论；最后对安全销的尺寸设计进行了分析及建议。本文的研究完善了输电线路防灾减灾金具的设计，对输电线路过载保护金具的研发具有一定的参考价值。
【关键词】过载保护金具；安全销；应力；设计
0 引言
过载保护金具的研发的主要目的是设计开发一种新型带有过载分离开关的输电线路金具，同时不改变原有金具的基本形状和尺寸。通过舍弃某些小投入的金具来保持输电塔的完好无损，利于线路的快速恢复，从而间接取得了巨大的社会效益和经济效益。防灾减灾安全销的设计思想，就是要当过载造成的导地线上的荷载达到输电塔的极限荷载前使塔线分离，防止倒塔，以便迅速进行灾后重建，达到防灾减灾的目的。
1 相关研究现状
2003年以来，东北电力大学建筑工程学院陈景彦等人在现有的输电线路金具及覆冰研究理论的基础上，开展了输电线路主动防灾减灾关键技术研究以及输电线路抗冰过载保护金具的研发的项目。2009年，薛庆莲等人进行了输电线路抗冰雪灾害过载保护金具的开发这一项目的前期工作。2010年，张建禄在上述工作基础上，确定了塔线分离荷载，进行了塔线分离金具的设计。并采用增量加载非线性有限元法计算安全销的极限承载力，与设计的塔线分离控制荷载相吻合。设计的安全销经静力加载试验分析满足正常的使用和强度的要求，并基于疲劳寿命预测的相关理论，经ANSYS中的疲劳模块对安全销的疲劳寿命进行了预测，表明安全销的疲劳寿命达到正常使用的要求。
2 安全销失效分析有限元理论
失效是指零件或部件不能履行设计赋予它的功能的状态。一般意义的失效分析，是可靠性设计的重要一环，通过观察、检测、试验等手段对零部件失效的原因进行分析，以便于对零部件进行完善，重新改进制造以再次投入使用。
在本文中，安全销作为防倒塔的过载保护金具，既要发挥其作为输电线路的主要金具的连接作用，又要保证在荷载达到塔线分离荷载前断裂失效。安全销在剪力、弯矩的共同作用下，安全销将在截面削弱处首先发生屈服逐渐出现塑性变形，当安全销的应力达到材料的极限强度时发生断裂。安全销在加载过程中，应力状态比较复杂，而且有现象明显的应力集中现象，再加上金具接触的位置是未知的，增加了安全销极限状态求解的复杂性。
安全销失效分析是三重非线性问题的弹塑性分析，本文采用实体单元对安全销进行有限元模型分析，考虑了材料的非线性，几何非线性以及接触的状态非线性。利用增量加载法来研究安全销的极限承载力。
3 安全销、碗头挂板和联板整体有限元模型的建立
选取的5A-ZM4型500kv直线猫头输电塔的塔型，根据500kV单串悬垂绝缘子串（组合联板加均压环）组装规范，以及GB700―79《普通碳素结构钢技术条件》选择碗头挂板型号为WS-16，联板型号为LL-1645，碗头挂板和联板的示意图如图1所示。
根据现行的金具材质及适用范围，碗头挂板、联板采用抗拉强度不低于375N/mm的Q235钢制造；起到六角头带销孔螺栓作用的安全销如采用Q235钢，采用理想弹塑性模型，达到屈服后，整个截面无限变形，会出现刚移，考虑到安全销受力一般较碗头挂板和联板严重，在塔线分离控制荷载为130kN的极限状态下，参照表1的要求，起着六角头带销孔螺栓作用的安全销选用改制的屈服强度为640的8.8级六角头螺栓。进而建立安全销、碗头挂板和联板的整体几何模型。
表1 破坏荷载与相应的螺栓强度
a）碗头挂板示意图
b）联板示意图
图1 碗头挂板和联板示意图
为了更好的模拟工程实际，提高计算的精确性，采用整体建模的思路，建立联板、碗头挂板和安全销的整体几何模型。安全销的位置及尺寸示意图如图2所示，模型图如图3、图4。
a）位置示意图 b）尺寸示意图
图2 安全销位置及尺寸示意图
图3 整体网格划分图
图4 安全销网格划分图
4 安全销的失效分析
在ANSYS中计算得到的安全销等效应力云图如图5至8所示，从图中可以看出安全销应力从安全销轴中心向外逐渐减小，而在槽处由于应力集中的影响应力发生突变，应力最大位置是槽处。在加载初期，安全销受剪力的影响较大，随着荷载的增加，安全销受弯矩的影响越来越明显，在弯矩、剪力的共同作用下，安全销逐渐达到屈服，直至破坏。
图5 P=1%Pu安全销的等效应力分布图
图6 P=44%Pu安全销的等效应力分布图
图7 P=94%Pu安全销的等效应力分布图
图8 P=98%Pu安全销的等效应力分布图
在对安全销应用二分法进行加载过程中，随着荷载的逐渐增加，安全销的变截面处的位移也相应地逐渐增大，当安全销进入局部塑性状态后，很小的荷载增量会引起很大的位移变化。当安全销达到极限状态时，位移将发生突变。记录每一步加载的荷载、位移数值，由此绘出安全销在增量加载过程中的荷载-位移关系，总体上来说，随着荷载步的逐渐增大，相应荷载步的荷载增量却在逐渐减小。图9形象描述了安全销在增量加载全过程中的荷载-位移响应。
图9 安全销的荷载-位移曲线
图10 不同孔径比下安全销的荷载-位移曲线
图11 安全销孔径比与极限承载力的关系图
5 安全销尺寸的调整
安全销在外荷载作用下，由于环形切口处产生应力集中造成了截面的削弱使安全销发生强度破坏，进而使塔线分离，保护铁塔。所以，可通过调整安全销的槽深，来达到安全销极限荷载与塔线分离荷载的统一。
保持安全销的直径不变，为讨论不同孔径比对安全销极限承载力的影响，最终确定能实现塔线分离的合理槽深，有限元建模的方法，利用ANSYS软件，首先建立不同孔径比下（孔径比分别c=7.5%，c=10.0%以及c=12.5%）的安全销、碗头挂板和联板的整体有限元模型。并分别选用增量加载法对各安全销进行有限元分析，记录增量加载每一步的荷载、位移数值，得到不同孔径比下各模型的荷载-位移曲线，如图10所示。
可以看出，在不同的孔径比下，安全销在加载初期的弹性阶段的荷载位移曲线基本重合，说明安全销在加载初期受应力集中的影响较小，局部的应力达到材料的屈服极限后，即使继续加载，其应力也不会继续增加，增加的荷载由其余截面承受，表现出荷载位移的线性关系。随着荷载的继续作用，孔径比较大的安全销最先发生屈服，荷载-位移曲线不再是线性关系，并且荷载增量逐渐减小，位移增量却在逐渐增大，各荷载位移曲线的最高点即为不同孔径比下安全销的极限承载力。
根据不同孔径比下的安全销的荷载-位移曲线，建立安全销的孔径比与安全销极限承载力的关系图（如图11所示）。
安全销的孔径比与安全销极限承载力的关系图，直观的展现了两者之间的关系，安全销的孔径比对安全销极限承载力的影响显著，为安全销合理尺寸的确定提供了有益的参考。为了既保证安全销能够在危险情况下及时断开防止倒塔，而又不影响正常工作，塔线分离控制荷载由不均匀荷载，也可以用不均匀覆冰来控制，确定当导线不均匀覆冰时导线覆冰厚度为22mm时塔线分离，此时的塔线分离控制荷载为130kN。由图11可以看出，当安全销其他参数保持不变时，随着孔径比的增大，安全销的极限承载力下降，弹性极限也逐渐减小，当安全销孔径比为12.5%时，安全销极限荷载为128kN，在一定的安全裕度内，能够在导线不均匀覆冰厚度达到22mm时安全销发生强度破坏，可以起到塔线分离保护铁塔的作用。
6 建议及展望
安全销的后续设计中，如考虑安全销在动荷载作用下疲劳造成的影响，参考安全销在动荷载作用下发生疲劳断裂时的极限承载力对安全销进行设计，其结果将更加接近安全销的实际工作状况。
为了得到适合不同的塔型和线路电压等级下的合适的安全销的尺寸，有必要结合相应电压等级下悬垂绝缘子串的规格及GB/T2315-1999《电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》有关规定，依照GB700―79《普通碳素结构钢技术条件》选择合适的碗头挂板和联板的规格，建立安全销与特定线路的联系，研发出适合不同塔型、档距等工程条件的防灾减灾过载保护金具安全销的规格。
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