配网开关接地装置结构模态分析

方浩腾 徐 展

（国网安徽省电力有限公司芜湖县供电公司，安徽 芜湖241100）

随着电网公司对电流接地系统单相接地故障处理的重视以及故障选线、定位技术的发展，电力领域涌现出来一批更好的接地故障处置方案[1-3]。配网过程自动化今后也将成为该行业发展的重点，然而在此过程中，配网开关是整个自动化流程中比较核心的一个环节[4]。在发展的过程中，传统多路电闸开关略显不足，其只能使得同一线路接通或断开，不可以做到两线路接通或断开。

目前在电力领域，对于双刀多路开关等开关机械结构方面的设计与研究较少。在保证不发生配网开关接地故障问题的前提下，为了进一步避免人工对电闸合闸后的复位工作，本文针对配网开关接地方面设计了一种双刀多路电闸开关的机械装置，并对其进行了结构分析，为进行双刀多路电闸的结构设计与性能优化提供依据。

1 建立有限元分析模型

1.1 模型简化

在进行有限元分析之前，一般会为了便于模型的网格划分，将那些对分析结果影响不大的结构特征进行简化，从而会大大的降低所要分析模型的难度；通过对这些部分的简化，可以省略掉模型的一些不必要的细节特征，从而可以有效地减少后续分析环节的运算量；此外，在配网开关的模型分析过程中，一般也不考虑电闸的通电问题。

1.2 划分有限元分析网格

在比较常用的工业三维结构建模软件SolidWorks 中，对配网开关进行了三维结构建模，然后将完好的模型另存为有限元分析的格式，通过对结构特点的分析，再将该中间格式用HYPERMESH 单元模块进行网格划分。结合配网开关模型的整体尺寸大小，采用网格单元尺寸为70mm。在对配网开关的网格划分过程中，首先开关三维结构模型的表面进行精细的网格划分，然后再通过经验对表面质量进行一定程度的相关优化，最后在完成所需要的实体单元生成。当完成实体单元生成后，采用结构件与结构件间点焊的方式将每个结构件进行连接。物体共有1662696 个节点和98840 个单元。

1.3 相关参数以及条件设定

这套配网电闸所涉及到的所有金属结构件材料均选取较常用的合金钢，材料的弹性模量为2.1×105MPa，该材料的泊松比为0.28。质量密度为770kg/m3。约束图1 中的6 给接口标出部件的6 个自由度，如图1。

2 配电开关的模型模态分析

2.1 理论基础

图1 电闸实体模型

在传统的动力学仿真分析当中，对结构进行模态分析是对所涉及的机械设备结构动力特性的一种研究方式；模态分析也是在工程领域中对系统进行精确识别的应用。简单来说，模态分析研究就是通过相关数学知识对所设计的系统当中机械结构的固有震动特性进行科学的研究和分析；一般来说，所设计的不同结构，每个模态都拥有他们自己的特定固有频率、阻尼比以及振动模型。在配网开关中，所涉及到的结构具有大摇臂，可以基本忽略相关阻尼，因此可以采用以下方程来表示其动力学特性：

我们在对一套装置结构进行分析的时候，一般重点考虑低阶模态对系统的影响，因为低阶模态对一个系统的结构影响一般是最大的，因此，在本文所涉及到的模型分析过程中，只重点分析配电电闸的前四阶模态的相关参数和结果。

2.2 配电开关的分析要求及分析结果

电闸一般安装在高空电缆上，电闸本体会随着人为对电闸的开关激励而产生震动，低阶模态对电闸使用影响最大，要避免电闸与外部激励产生共振，我们在对配电电闸的机构设计过程中，需要考虑到配电开关的整体结构模型的一阶模态值，相较于我们人为操控开关所产生的震动大，因此可以有效地避开共振。

表1 电闸震动数据分析

用SOLIDWORKS 将电闸进行网格划分并进行模态分析求解，求解结果及振型图如图2，表2。

图2 电闸1～4 阶整型图

表2 频率分析图

3 结构体积刚度分析及结果

电闸在工作过程中，结构会受到外界环境中不同的因素影响而导致配电电闸的相关关键零部件的失效（断裂或者损坏）。当电闸开关接触体受到4.433 N 的力时，材料开始发生变形。使用材料符合企业要求，产品合格。电闸受力分析如图3。

图3 电闸结构受力图