12kV共箱式氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜氣箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

周 君 駱祥華 許金亮 黨景濤

（青島特銳德電氣股份有限公司）

0 引言

隨著開關(guān)柜行業(yè)的發(fā)展，12kV共箱式氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜因其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、全天候、擴(kuò)展性好、組合靈活、免維護(hù)、全封閉等特點(diǎn)[1-2]，迅速被城市配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)供電所接受從而廣泛應(yīng)用[3-5]，在配電系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。其穩(wěn)定性及可靠性將直接影響整個配電網(wǎng)絡(luò)，氣箱作為環(huán)網(wǎng)柜的核心元件，其結(jié)構(gòu)及制造將對環(huán)網(wǎng)柜的安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。

到目前為止，氣箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大部分建立在經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)之上，缺乏理論的支持，而通過有限元分析軟件的應(yīng)用，能夠很好地找出氣箱的最大變形位置及應(yīng)力集中點(diǎn)，從而對氣箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行一個整體的優(yōu)化，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求[6]；之后，通過水壓試驗(yàn)進(jìn)一步確定氣箱是否滿足要求，并最終確定其最大使用壓力。

1 氣箱分析

CCF（負(fù)荷開關(guān)單元+負(fù)荷開關(guān)單元+組合電器單元）模塊是三個單元的組合，是共箱式環(huán)網(wǎng)柜常見的模塊，其氣箱采用3mm厚不銹鋼板折彎后焊接而成，氣箱內(nèi)外兩側(cè)均焊接相應(yīng)的加強(qiáng)筋，分析前氣箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中未增加任何電纜試驗(yàn)套管孔，爆破片在氣箱底部左側(cè)位置。

2 峰值壓力的確定

氣箱在內(nèi)部發(fā)生燃弧故障時將產(chǎn)生巨大的燃弧壓力[8-12]，因此，在分析氣箱受力變形之前，需要確定發(fā)生燃弧時的瞬時峰值壓力[13-14]。在此，摒棄以前分析時采用的經(jīng)驗(yàn)值，通過有限元理論分析，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定在不同的位置產(chǎn)生燃弧時，不同燃弧電流，不同爆破片直徑（綜合考慮氣箱強(qiáng)度及爆破片安裝）的情況下所產(chǎn)生的峰值壓力。內(nèi)部燃弧數(shù)據(jù)分析見表1，在取得峰值壓力的同時，確定爆破片的尺寸及在氣箱底部的位置。

圖1 CCF模塊氣箱結(jié)構(gòu)示意圖

表1 內(nèi)部燃弧數(shù)據(jù)分析表

在此前提下，利用專業(yè)的分析軟件，建立 CCF模塊氣箱真實(shí)模型，并寫入CCF的真實(shí)參數(shù)，如：箱體體積、相間距、燃弧時間、絕緣氣體、工作壓力[7]等。

同時，為使氣箱能夠滿足使用過程中更加苛刻的條件，使所分析的數(shù)據(jù)更具有參考性，假定氣箱溫度為 75℃，絕緣氣體相對壓力 0.03MPa，爆破壓力0.12MPa，頻率60Hz。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，對氣箱爆破時的峰值壓力進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 峰值壓力結(jié)果數(shù)據(jù)表

從分析數(shù)據(jù)中可以看出，爆破片直徑為 190mm時，峰值壓力最小，為0.17MPa。圖2為爆破片直徑為190mm時，氣箱內(nèi)部燃弧壓力隨時間的變化曲線，在燃弧 100ms后，燃弧壓力達(dá)到峰值，換句話說，雖然爆破片的爆破壓力為0.12MPa，但氣箱內(nèi)部產(chǎn)生燃弧后，爆破片爆破前，需要一定的響應(yīng)時間，在爆破片爆破時，氣箱內(nèi)部壓力達(dá)到峰值壓力0.17MPa。因此，在對氣箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析時，燃弧壓力采用峰值0.17MPa，分析數(shù)據(jù)具備較大的權(quán)威性。

圖2 燃弧壓力隨時間變化曲線

通過上述分析，將爆破片的直徑優(yōu)化為190mm。

3 氣箱機(jī)械強(qiáng)度有限元分析

根據(jù)天津太鋼天管不銹鋼有限公司提供的 3mm厚不銹鋼板的質(zhì)量證明書，可以得出此種類型的不銹鋼板屈服強(qiáng)度為275MPa（此值假設(shè)為設(shè)計(jì)壓力下的許用值），抗拉強(qiáng)度為663MPa（此值假設(shè)為燃弧峰值壓力下許用值）。

氣箱設(shè)計(jì)壓力為0.03MPa（相對值），但由于環(huán)網(wǎng)柜使用條件比較惡劣，如使用溫度為 75℃或海拔為 3000m等，綜合考慮惡劣因素的影響，在本次分析中將設(shè)定壓力值提高到0.094MPa；根據(jù)上述分析，燃弧壓力取峰值0.17MPa（相對值），考慮到安全系數(shù)，增加 10%容差，即分析中取計(jì)算壓力為0.187MPa；同時，假設(shè)氣箱內(nèi)氣體壓力作用于氣箱內(nèi)部每個表面。

3.1 氣箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化前有限元分析[15-16]

在此前提下，對氣箱進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力及燃弧峰值壓力兩種情況下的有限元分析，分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 設(shè)計(jì)壓力下氣箱強(qiáng)度分析結(jié)果

通過結(jié)果分析得出，在設(shè)定的相應(yīng)許用應(yīng)力前提下，氣箱內(nèi)部拉桿與后板連接處、側(cè)板加強(qiáng)筋處、氣箱后板折彎處、頂部加強(qiáng)筋等位置均出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力值超出許用值的位置分布較多，因此，氣箱結(jié)構(gòu)存在較大的缺陷，在工作壓力及峰值壓力下存在風(fēng)險。而且，氣箱頂部及后部形變較大，其勢將影響開關(guān)柜的正常工作。根據(jù)分析結(jié)果可知，氣箱結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 燃弧峰值壓力下氣箱強(qiáng)度分析結(jié)果

3.2 氣箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化后有限元分析

根據(jù)分析結(jié)果可知，氣箱結(jié)構(gòu)問題主要集中在加強(qiáng)筋[17]分布不合理、加強(qiáng)筋數(shù)量不足、拉桿及連接圓盤直徑較小等方面。因此，對氣箱結(jié)構(gòu)做如下修改：

1）氣箱內(nèi)部拉桿直徑由8mm增大至12mm，并調(diào)整位置，與氣箱連接處圓盤直徑及厚度增大以均衡氣箱受力。

2）提升側(cè)板外部中間加強(qiáng)筋本身強(qiáng)度，并均布加強(qiáng)筋。

3）在氣箱后板內(nèi)部焊接兩根U形加強(qiáng)筋，以減少后板的變形及受力。

4）在氣箱頂部外側(cè)增加3根縱向加強(qiáng)筋，以減少氣箱頂部的變形及受力。

在優(yōu)化完成后，仍按照原有的假定分析條件對優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

通過對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)分析可知：

1）在 0.094MPa的設(shè)計(jì)壓力作用下，最大應(yīng)變?yōu)?mm，發(fā)生在氣箱后板；最大應(yīng)力為460MPa，發(fā)生于后板上側(cè)折彎處，較優(yōu)化前已明顯降低，且超出許用值區(qū)域大面積減少。

圖5 設(shè)計(jì)壓力下氣箱強(qiáng)度分析結(jié)果

圖6 爆破壓力下分析結(jié)果

2）在 0.187MPa的爆破壓力下，最大應(yīng)變?yōu)?2mm，發(fā)生在氣箱后板；最大應(yīng)力為 850MPa，發(fā)生于后板上側(cè)折彎處，較優(yōu)化前已明顯降低。

4 結(jié)束語

通過對共箱式環(huán)網(wǎng)柜氣箱的有限元分析，得出以下結(jié)論：

1）有限元分析可以在氣箱的設(shè)計(jì)研發(fā)中為我們提供理論上的支持，為氣箱的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)，避免盲目修改。

2）氣箱研發(fā)設(shè)計(jì)過程中合理布置加強(qiáng)筋位置，對氣箱減少形變及均布應(yīng)力起到重要作用。

3）在氣箱設(shè)計(jì)過程中合理利用有限元分析，會大大提高工作效率，降低設(shè)計(jì)成本。

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