1 100 kV GIS盆式絕緣子氣泡缺陷下的有限元應(yīng)力分析

李永飛，姜映燁，郝留成,，袁端鵬，伍維健，周 峻，吳 鍇

（1.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

盆式絕緣子是氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）的核心部件之一，在運(yùn)行時(shí)起到對(duì)地絕緣、支撐母線和隔離氣室的作用外，還需要承受動(dòng)態(tài)元件操作帶來(lái)的機(jī)械沖擊以及安裝檢修時(shí)出現(xiàn)的單面或雙面氣體壓強(qiáng)。因此，盆式絕緣子良好的力學(xué)性能是GIS安全運(yùn)行的重要保障[1-4]。在盆式絕緣子生產(chǎn)過程中，操作不規(guī)范、工藝流程不完善等因素可能向環(huán)氧復(fù)合材料內(nèi)部引入氣泡缺陷。在外部載荷作用下，缺陷可導(dǎo)致絕緣子內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生畸變[5-8]，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致絕緣子開裂，進(jìn)而引起運(yùn)行中放電，威脅GIS的安全運(yùn)行[9-10]。因此，研究缺陷狀態(tài)下絕緣子的力學(xué)性能意義重大[11]。此外，分析不同電壓等級(jí)的絕緣子在外部載荷作用下應(yīng)力分布的異同可為絕緣子的設(shè)計(jì)和制造提供參考。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盆式絕緣子內(nèi)部氣泡缺陷的研究主要集中于其對(duì)電場(chǎng)分布的影響[12-15]，也有學(xué)者研究了氣泡缺陷與252 kV、750 kV等電壓等級(jí)盆式絕緣子力學(xué)特性的關(guān)系[16-18]，但關(guān)于在不同外部載荷作用下，氣泡位置、尺寸等對(duì)1 100 kV盆式絕緣子應(yīng)力分布影響的研究鮮有報(bào)道。本研究采用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立252 kV和1 100 kV GIS盆式絕緣子三維模型，對(duì)比分析兩種電壓等級(jí)無(wú)缺陷絕緣子在不同載荷下的應(yīng)力特性，著重討論內(nèi)部氣泡缺陷的位置和尺寸對(duì)1 100 kV GIS盆式絕緣子應(yīng)力分布的影響。

1 無(wú)缺陷252 kV和1 100 kV盆式絕緣子的對(duì)比分析

1.1 252kV絕緣子仿真模型驗(yàn)證

采用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件，參照252 kV GIS盆式絕緣子實(shí)際尺寸建立幾何模型并為中心嵌件及盆體分別設(shè)定彈性模量和泊松比。通過向絕緣子凹面或凸面施加不同的壓強(qiáng)來(lái)模擬盆體在使用過中承受單側(cè)氣壓的情況。為驗(yàn)證該應(yīng)力仿真模型的有效性，根據(jù)NB/T 42105—2016對(duì)252 kV GIS盆式絕緣子進(jìn)行了凹面加壓試驗(yàn)，并在施加水壓的同時(shí)采用應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)記錄盆式絕緣子凸面不同位置處的應(yīng)力變化，選取的測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。在凸面由法蘭至中心導(dǎo)體依次粘貼1～4號(hào)應(yīng)變片，以測(cè)試應(yīng)力沿徑向的分布情況。

在凹面施加2.5 MPa水壓的情況下，絕緣子凸面應(yīng)力沿徑向分布情況的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，仿真與實(shí)測(cè)表面應(yīng)力沿徑向的變化趨勢(shì)基本一致，即距離中心導(dǎo)體近處的表面應(yīng)力較小，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在絕緣子的弧線端末端附近，且應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在距離中心導(dǎo)體150～250 mm處；仿真與實(shí)測(cè)的表面應(yīng)力在數(shù)值上具有較好的統(tǒng)一性，應(yīng)力最大值均為25～30 MPa。這說(shuō)明本研究建立的252 kV GIS盆式絕緣子應(yīng)力仿真模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)絕緣子承受外部壓力時(shí)內(nèi)部應(yīng)力的具體數(shù)值和分布情況，建模理論和方法具有合理性。因?yàn)楸狙芯恐? 100 kV盆式絕緣子與低電壓等級(jí)絕緣子只存在幾何尺寸上的差異，所以外推用同種方法建立的1 100 kV絕緣子應(yīng)力計(jì)算模型也具備可靠性。

圖1 測(cè)試點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of measuring points

圖2 絕緣子凸面應(yīng)力徑向分布Fig.2 Radial distribution of stress on the insulator

1.2 不同載荷下252 kV與1 100 kV絕緣子對(duì)比分析

1 100 kV盆式絕緣子模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分后如圖3所示。

圖3 1 100 kV GIS盆式絕緣子幾何模型Fig.3 Geometric model of 1 100 kV GIS basin insulator

根據(jù)一般情況，取法蘭和中心嵌件材料的彈性模量為71 000 MPa，泊松比為0.33；環(huán)氧復(fù)合材料的彈性模量為65 000 MPa，泊松比為0.31[19-20]。設(shè)置環(huán)氧復(fù)合材料與金屬件的接觸面固定，其他外表面自由?？紤]運(yùn)行中可能出現(xiàn)絕緣子凹面受壓和凸面受壓兩種情況[21]，分別計(jì)算在兩個(gè)面施加不同壓強(qiáng)時(shí)絕緣子的應(yīng)力分布。

1.2.1 凹面加壓時(shí)絕緣子應(yīng)力分布

圖4(a)～(c)分別是凹面加壓時(shí)1 100 kV與252 kV盆式絕緣子表面、剖面和根部的應(yīng)力分布對(duì)比圖。從圖4可以看出：①在絕緣子表面的凹面根部附近，環(huán)氧復(fù)合材料、氣體和中心導(dǎo)體的交界處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在此處；②應(yīng)力最大值隨載荷的增加線性增大；③相同載荷作用下，1 100 kV絕緣子表面、剖面和根部的應(yīng)力最大值高于252 kV絕緣子。

圖4 絕緣子凹面加壓應(yīng)力結(jié)果Fig.4 Stress results when the insulator is pressed against the concave surface

1.2.2 凸面加壓時(shí)絕緣子應(yīng)力分布

圖5(a)～(c)分別是凸面加壓時(shí)1 100 kV與252 kV盆式絕緣子表面、剖面和根部的應(yīng)力分布對(duì)比圖。從圖5可以看出，與凹面加載荷時(shí)的結(jié)果相似：①凸面受壓時(shí)絕緣子最大應(yīng)力同樣出現(xiàn)在絕緣子表面的凹面根部附近的復(fù)合材料、氣體和中心導(dǎo)體交界處；②應(yīng)力最大值隨施加載荷的增加線性增大；③相同載荷作用下，1 100 kV絕緣子表面和內(nèi)部的應(yīng)力最大值高于252 kV絕緣子。

圖5 絕緣子凸面加壓應(yīng)力結(jié)果Fig.5 Stress results when the insulator is pressed against the convex surface

2 有內(nèi)部氣泡缺陷的1 100 kV盆式絕緣子應(yīng)力分析

研究表明，盆式絕緣子的破裂多由根部開始，并且此處也是應(yīng)力集中最顯著的部位[22]，因此本研究將氣泡設(shè)置在盆式絕緣子最薄弱的根部附近，以討論其對(duì)應(yīng)力分布的影響。為簡(jiǎn)化模型，將氣泡繪制為球狀。帶氣泡缺陷的GIS盆式絕緣子模型剖面如圖6所示。

圖6 有氣泡缺陷1 100 kV絕緣子模型剖面Fig.6 The 1 100 kV insulator model profile with bubble defects

2.1 氣泡缺陷位置對(duì)絕緣子應(yīng)力分布的影響

設(shè)置氣泡半徑為2.5 mm，氣泡中心點(diǎn)于凹面根部附近沿橫軸展開分布。不同載荷作用下，根部應(yīng)力最大值與氣泡位置的關(guān)系如圖7所示，圖中X表示氣泡中心與盆體對(duì)稱軸在橫軸上的距離。

圖7 不同載荷下根部應(yīng)力最大值Fig.7 Maximum stress at the root of the insulator under different loads

從圖7可以看出：①與無(wú)氣泡缺陷絕緣子相比，氣泡的存在明顯改變了絕緣子根部的應(yīng)力分布，且造成根部應(yīng)力最大值的增加，當(dāng)施加0.4 MPa壓強(qiáng)時(shí)，X=108 mm處的氣泡使絕緣子根部應(yīng)力最大值增加了43.6%；②相對(duì)其他位置，氣泡位于X=108 mm時(shí)，根部應(yīng)力最大值最高；③存在氣泡缺陷時(shí)，根部應(yīng)力最大值隨載荷增加呈線性增大趨勢(shì)。

相同載荷作用（凹面施加0.4 MPa壓強(qiáng)）下，絕緣子剖面最大應(yīng)力值與氣泡位置之間的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，氣泡位置對(duì)絕緣子剖面應(yīng)力最大值有顯著影響。當(dāng)氣泡缺陷距離中心導(dǎo)體104 mm時(shí)，剖面應(yīng)力最大值最大，達(dá)到13 MPa。對(duì)比無(wú)缺陷絕緣子的仿真結(jié)果，剖面應(yīng)力最大值增大了42.4%。隨著缺陷位置遠(yuǎn)離應(yīng)力集中部位，剖面應(yīng)力最大值減小。

圖8 不同氣泡位置下絕緣子剖面應(yīng)力最大值Fig.8 Maximum stress of insulator profile under different bubble location

2.2 氣泡缺陷尺寸對(duì)絕緣子應(yīng)力分布的影響

設(shè)置氣泡中心位置為（104，290，0），垂直于絕緣子凹面施加0.4 MPa負(fù)載，分別計(jì)算氣泡半徑為1、1.5、2、2.5 mm時(shí)的應(yīng)力分布，結(jié)果氣泡尺寸與絕緣子根部應(yīng)力最大值的關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出，隨著氣泡半徑的增大，根部應(yīng)力最大值也變大。

圖9 不同氣泡半徑下絕緣子根部應(yīng)力最大值Fig.9 Maximum stress at the root of insulator under different bubble radius

圖10為改變氣泡半徑以及位置時(shí)剖面應(yīng)力最大值的變化曲線。從圖10可以看出：①氣泡位于（108，290，0）時(shí)，其半徑越大，絕緣子剖面應(yīng)力最大值也越大，但此規(guī)律在改變氣泡位置后不成立；②當(dāng)氣泡位置遠(yuǎn)離絕緣子根部（大于112 mm）時(shí)，氣泡尺寸對(duì)絕緣子剖面應(yīng)力最大值的影響減弱；③當(dāng)氣泡距離中心導(dǎo)體小于112 mm時(shí)，相對(duì)于氣泡大小，位置對(duì)應(yīng)力最大值的影響更顯著。

圖10 改變氣泡半徑剖面應(yīng)力最大值Fig.10 Maximum stress of insulator profile under different bubble radius

3 結(jié)論

以1 100 kV GIS盆式絕緣子為研究對(duì)象，采用有限元方法分析了不同外部載荷作用下球狀氣泡缺陷的位置和尺寸對(duì)絕緣子應(yīng)力分布的影響。此外，還對(duì)比了1 100 kV與252 kV絕緣子的應(yīng)力分布特性，得出以下結(jié)論：

（1）絕緣子剖面、表面及根部應(yīng)力最大值隨載荷增加呈線性上升趨勢(shì)，且相同載荷作用下，1 100 kV絕緣子應(yīng)力最大值高于252 kV絕緣子。

（2）相同外部載荷作用下，氣泡缺陷會(huì)使盆式絕緣子相應(yīng)位置處應(yīng)力分布發(fā)生畸變，造成表面和剖面應(yīng)力最大值增加，當(dāng)載荷從0.4 MPa增加到3.2 MPa時(shí)，最大應(yīng)力相比無(wú)氣泡缺陷絕緣子增大了40%～70%。

（3）氣泡的位置和尺寸對(duì)局部應(yīng)力分布有顯著影響，當(dāng)氣泡遠(yuǎn)離絕緣子根部應(yīng)力集中部位時(shí)，其對(duì)應(yīng)力分布的影響減弱；當(dāng)氣泡距離中心導(dǎo)體小于112 mm時(shí)，氣泡位置對(duì)應(yīng)力分布的影響大于氣泡尺寸。