组合电器底架结构优化设计
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组合电器底架结构优化设计
摘要:本文介绍了通过有限元计算方法进行组合电器(GIS)底架的设计,
确保底架具有足够的强度,减少材料使用,获得最佳经济效益,符合低碳经济发
展需求。
关键词:组合电器底架;结构;有限元计算;优化设计
1 概述
气体绝缘金属封闭开关设备(Gas lnsulated Switchgear)简称GIS,也叫组合
电器。它以六氟化硫气体为绝缘及灭弧介质,将断路器、隔离开关、接地开关、
互感器、避雷器、出线终端、母线等主要元件有序地组合在一起并安装在一个钢
结构底架上。因具有结构紧凑、可靠性高、安装周期短、免维护等优点,GIS在
电网开关设备中已占据主导地位,为电力系统的发展发挥了重要作用。
常见的GIS设备尺寸为6000×1000×3000(mm,长×宽×高),重量达4~6
吨。由于全部元件都组装在同一个底架上,实现设备的整体吊装、运输及现场安
装,因此底架的质量影响着设备的性能体现。合理的底架设计显得非常有必要。
2 有限元计算设计
以海南电网东方城东110kV变电站GIS工程为例,底架采用工程常用的14b
热轧槽钢(140*60*8),长6600mm,承重4.3吨,在设备吊装过程中承受最苛刻
的载荷工况。以满足此工况的底架结构为计算对象。吊装模型如图1所示。
2.1 受力分析
通常GIS设备的重心不在底架的中心上,为了起吊平衡,我们使用两根长
4m吊绳加挂手动葫芦、两根长5m吊绳来起吊设备。起吊位置、起吊高度均已
知,根据几何计算方法,可计算出加挂手动葫芦后的吊索长度为4.52m,吊绳承
载的拉力为13750N,水平分力为5660N,竖直分力为12375N;5m的吊绳承载
的拉力为10037 N,水平分力为5660N,竖直分力为8230N。
2.2 材料属性设置
使用Ansys有限元分析软件,在EngineeringData模块中对几何模型添加材
料属性,选择普通碳素结构钢,其弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.28,密度
ρ=7800kg/m3。
2.3建模及网格划分
技术员根据经验进行了底架的结构设计。我将其设计模型导入Ansys软件并
采取以四面体为主的网格划分方式,效果如图2所示:
2.4 添加作用力
根据2.1计算的受力结果以及设备各元件的布置位置,对底架添加对应作用
力。
2.5 有限元仿真结果
通过仿真计算,得出等效应力136.77MPa,最大主应力142.16MPa,切应力
11.14MPa。
普通碳钢属于塑性材料,通常以屈服的形式失效,因此采用材料力学第三和
第四强度理论进行校核。Q235的屈服强度为235MPa,根据第三、四强度校核
准则,对于塑性材料的安全因子可取1.2-2.5。在此安全系数范围内的最大许用拉
应力196MPa~94MPa,最大剪切应力117MPa~56.4MPa。可见这种结构的底架
是满足工况要求的,且仍有较高裕度。
2.6底架改进结构方案
由于原方案存在一定的裕度,我对模型做了修改,减少了两条横板,如图3
所示:
按照2.2~2.5的步骤再次进行属性设定、网格划分、加载及计算,得出等效
应力134.48MPa,最大主应力136.45MPa,最大切应力11.67MPa。
前后两种结构的应力对比:
可以看出,前后两次分析结果非常接近,减少两条横板对底架的整体性能并
没有造成影响。而且值得关注的是,减少横板后,底架受到的等效应力、第一主
应力比原方案减小了,这可能是由于应力集中下降带来的改良效果。
实际的工程应用也证实新方案是完全满足工况要求的。
3 总结
由于钢结构底架的技术含量不高,构成简单,未能引起工程技术人员的重视。
在实际工程设计过程中,为了省事,技术员通常采用经验法进行底架的设计,为
了保证足够的强度,往往会过度地使用材料,从而造成资源的浪费。
本文通过有限元计算方法进行GIS底架的设计,在确保底架具有足够的结
构强度的前提下,减少材料的使用,降低生产工时,获得了最佳的经济效益,符
合低碳经济的发展需求。随着有限元分析方法的日益成熟以及仿真软件的不断推
广,精细化设计是很易实现的。这种设计思想在工程应用中有着重要的作用。