GIS設(shè)備殼體溫變行為仿真結(jié)構(gòu)建模研究

華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司 蔣池劍 王梓琪 余租良 濟(jì)大學(xué)電氣工程系 沈小軍

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）已逐漸取代傳統(tǒng)變電設(shè)備廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)的變電站中，但其較大的軸向跨度易受溫度變化的影響，由此造成的溫變位移事故時(shí)有發(fā)生[1]，同時(shí)國(guó)網(wǎng)公司編制下發(fā)的《國(guó)家電網(wǎng)公司戶外GIS設(shè)備伸縮節(jié)反事故措施》和《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案》均指出應(yīng)加強(qiáng)對(duì)戶外GIS設(shè)備異常溫變行為的監(jiān)測(cè)與預(yù)防[2-3]。

文獻(xiàn)檢索資料表明，對(duì)于GIS設(shè)備溫變行為的研究逐漸引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。張晶等人分析了GIS設(shè)備母線筒法蘭結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，認(rèn)為在母線筒法蘭處內(nèi)側(cè)變形量大于外側(cè)，會(huì)導(dǎo)致法蘭連接密封性下降[4]。徐節(jié)等人觀測(cè)了波紋管和固定支撐腿的位移變化，建議對(duì)母線筒采用滑動(dòng)支撐的方式，并指出固定支撐存在強(qiáng)度不足的隱患[5]。李大權(quán)等人總結(jié)了蘭州東變電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出利用主剛固定支架、伸縮節(jié)、滑塊支架與次剛固定支架配合的方法來解決長(zhǎng)母線筒端部的位移問題[6]。陳強(qiáng)等人建立了GIS母線的多物理場(chǎng)耦合有限元模型，分析了外部氣候條件對(duì)GIS母線筒溫度分布的影響[7]。楊志軼等人對(duì)GIS母線進(jìn)行了熱脹冷縮分析與計(jì)算，建議采用柔性支架進(jìn)行溫變位移補(bǔ)償[8]。李海波等人對(duì)蘭州東變電站GIS的固定支撐、溫補(bǔ)伸縮節(jié)位移量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)母線筒連接面漏氣等缺陷的主要原因是固定支架設(shè)計(jì)及溫補(bǔ)伸縮節(jié)安裝調(diào)整的問題[9]。王軍飛等人就膨脹節(jié)的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)、設(shè)置原則、調(diào)節(jié)方法等幾方面對(duì)GIS用金屬波紋管膨脹節(jié)進(jìn)行了探討[10]。Nesrine Rebzani等人提出了一種用于GIS母線溫升預(yù)測(cè)的多物理數(shù)值模型，認(rèn)為利用數(shù)值仿真可以準(zhǔn)確可靠地預(yù)測(cè)GIS設(shè)備的溫升[11]。阮江軍等人結(jié)合電氣設(shè)備智能運(yùn)維的發(fā)展需求介紹了電氣設(shè)備熱點(diǎn)溫升、材料參數(shù)等基于多物理場(chǎng)分析的智能反演檢測(cè)研究方面取得的成果[12]。

但上述研究主要側(cè)重于GIS設(shè)備局部的建模仿真和理論計(jì)算，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)間的相互耦合作用考慮不足，無法準(zhǔn)確反映GIS設(shè)備整體的實(shí)際情況。近年來得益于三維感知技術(shù)和計(jì)算機(jī)算力的提升，集成了多物理場(chǎng)、多尺度和概率性仿真的數(shù)字孿生技術(shù)取得了大幅進(jìn)步，能夠在數(shù)字化平臺(tái)內(nèi)建立并模擬一個(gè)物理實(shí)體。數(shù)字孿生體的建模精度越高，則越能準(zhǔn)確地反映物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的狀態(tài)，而時(shí)效性則會(huì)相應(yīng)降低。因此數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于GIS設(shè)備異常溫變行為監(jiān)測(cè)與預(yù)防時(shí)，面臨著時(shí)效性和精確性難以平衡的挑戰(zhàn)。

鑒于此，本文研究了基于數(shù)字孿生技術(shù)的GIS殼體溫變行為建模仿真方法，并據(jù)此建立了同一220kV GIS殼體不同精度的數(shù)字孿生體模型，對(duì)比驗(yàn)證了所提建模仿真方法的可行性，研究成果可為GIS殼體溫變行為仿真奠定理論基礎(chǔ)，有助于更加準(zhǔn)確地反映實(shí)體GIS設(shè)備的溫變行為，指導(dǎo)檢修及維護(hù)工作。

2 GIS殼體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及等效

實(shí)體GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、附屬設(shè)施較多，且軸向跨度較大。其中附屬設(shè)施與GIS母線筒并非剛性連接，當(dāng)母線筒由于溫度變化而產(chǎn)生軸向伸縮時(shí)，附屬設(shè)施受到的影響較小，所以建立包括附屬設(shè)施在內(nèi)的GIS殼體模型不僅會(huì)大幅提高后續(xù)仿真計(jì)算成本，而且無益于研究GIS殼體溫變行為。其次，母線筒與相鄰的母線筒、波紋管和盆式絕緣子之間通過如圖1所示的螺栓進(jìn)行固定，而螺栓的熱脹冷縮量與母線筒相比可以忽略不計(jì)，所以此處只需要建立帶有法蘭盤結(jié)構(gòu)的母線筒、波紋管和盆式絕緣子。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)投運(yùn)的GIS設(shè)備溫變故障主要表現(xiàn)為四類，按照出現(xiàn)頻率由高至低分別是支撐腿破損（37.14%）、罐體開裂（28.57%）、盆式絕緣子破裂（25.71%）和基礎(chǔ)變形（8.58%）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明支撐腿、母線筒和盆式絕緣子發(fā)生溫變故障的頻率顯著高于基礎(chǔ)變形出現(xiàn)的頻率，而波紋管作為吸收補(bǔ)償GIS殼體溫變位移的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，同樣需要準(zhǔn)確體現(xiàn)在GIS殼體實(shí)景模型之中。

此外，GIS殼體支撐腿與金屬底座之間的連接方式主要有固定支撐與滑動(dòng)支撐兩種，若支撐腿相對(duì)于金屬底座不會(huì)發(fā)生任何方向上的滑動(dòng)，則稱為固定支撐，一般出現(xiàn)在整個(gè)GIS設(shè)備的兩端、波紋管的一側(cè)以及母線筒的轉(zhuǎn)角處，限制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移。若支撐腿可以在金屬底座表面發(fā)生位移，則稱為滑動(dòng)支撐，僅發(fā)揮支撐母線筒體的作用，一般與波紋管配合使用。固定支撐腿的限位作用將軸向跨度較大的GIS殼體分割成了多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的溫變行為具有較強(qiáng)的一致性，同時(shí)GIS殼體結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性使得由溫度變化等因素引起的應(yīng)力、應(yīng)變也呈現(xiàn)相應(yīng)的對(duì)稱性，所以為減少后續(xù)仿真運(yùn)算成本、提高仿真效率，僅需要重構(gòu)出任意區(qū)間內(nèi)GIS殼體中心對(duì)稱面一側(cè)的實(shí)景模型即可。

GIS殼體不同結(jié)構(gòu)間的等效主要體現(xiàn)在連接方式和接觸情況兩個(gè)方面。其中連接方式包括母線筒與支撐腿的剛性連接，即無論母線筒采用何種支撐方式，其與支撐腿之間均采用焊接的方式進(jìn)行固定，且兩種支撐腿結(jié)構(gòu)方面的區(qū)別僅存在于同基礎(chǔ)底座的接觸部分，所以重構(gòu)時(shí)均可統(tǒng)一為相同的結(jié)構(gòu)，然后利用布爾并集操作組合成為一個(gè)實(shí)體模型，視為剛性連接。除此之外還包括母線筒與波紋管、盆式絕緣子間通過螺栓等方式固定在一起的準(zhǔn)剛性連接，與母線筒和支撐腿之間剛性連接存在區(qū)別。至于GIS殼體滑動(dòng)支撐腿和固定支撐腿與基礎(chǔ)底座之間的接觸，僅需要通過有限元軟件中不同的接觸屬性進(jìn)行模擬。

綜上所述，統(tǒng)籌考慮時(shí)效性和準(zhǔn)確性，GIS殼體溫變行為的有限元仿真僅需重構(gòu)1/2的母線筒、波紋管、支撐腿、盆式絕緣子和基礎(chǔ)底座即可。

3 GIS殼體溫變行為仿真前處理

3.1 有限元仿真及軟件介紹

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行模擬。它將求解域看成是由許多被稱為有限元的小單元組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，若結(jié)果收斂，則視為問題的解。通過較易求解的問題代替復(fù)雜的實(shí)際問題，所以這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元法最初被應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。

ABAQUS有限元分析軟件擁有世界上最大的非線性力學(xué)用戶群，是國(guó)際上公認(rèn)的最先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件之一，具有強(qiáng)健的計(jì)算功能和廣泛的模擬性能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。無論是分析簡(jiǎn)單的線彈性問題，還是包括幾種不同材料、承受復(fù)雜的機(jī)械和熱載荷過程，以及變化的接觸條件的非線性組合問題；無論是分析靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)問題，還是穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)問題；無論是隱式求解，還是顯示求解，應(yīng)用ABAQUS計(jì)算分析都會(huì)得到令人滿意的結(jié)果，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、航空航天、汽車交通、土木工程、水利水電和電子工程等科學(xué)研究領(lǐng)域。

采用ABAQUS軟件進(jìn)行溫變仿真主要包含如下步驟：零部件導(dǎo)入及裝配、賦予材料屬性、設(shè)置分析步、定義相互作用屬性、定義邊界條件及載荷、網(wǎng)格劃分、提交任務(wù)和后處理。各步驟之間一般不存在固定的先后順序，改變操作順序不會(huì)影響分析精度，針對(duì)GIS殼體溫變行為仿真的約束主要包括定義相互作用屬性和邊界條件設(shè)置兩個(gè)方面。

3.2 定義相互作用

ABAQUS接觸對(duì)由主面和從面構(gòu)成，在仿真計(jì)算過程中，接觸方向總是主面的法線方向，從面上的節(jié)點(diǎn)不能夠穿越主面，但主面上的節(jié)點(diǎn)可以穿越從面，原則上優(yōu)先選擇剛度較大、網(wǎng)格較粗糙的面作為主面，剛度較小、網(wǎng)格較精細(xì)的面作為從面。其次還應(yīng)考慮兩個(gè)接觸面間的相對(duì)滑動(dòng)公式，有限滑移公式適用于可以任意滑動(dòng)的兩個(gè)接觸面之間，在整個(gè)分析過程中ABAQUS軟件需要不斷地判斷從面節(jié)點(diǎn)與具體哪一部分主面存在接觸，而小滑移則在確定了從面節(jié)點(diǎn)與具體哪一部分主面存在接觸后便在整個(gè)仿真計(jì)算過程中始終保持，不再發(fā)生變化。最后需要考慮接觸對(duì)平面間切向行為和法向行為，對(duì)于法向行為，ABAQUS提供了硬接觸和指數(shù)模型、表格模型、線性模型等軟接觸，其中硬接觸表示接觸面之間能夠傳遞地壓力大小不受限制，當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)之間的接觸壓力變?yōu)榱慊蜇?fù)值時(shí)，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)雖然沒有分離，但不再受接觸屬性的約束，符合滑動(dòng)支撐腿與基礎(chǔ)底座間的實(shí)際情況。而切向行為提供了庫(kù)侖摩擦、拉格朗日摩擦、粗糙摩擦和動(dòng)力摩擦等模型，其中庫(kù)倫摩擦使用摩擦系數(shù)表示接觸對(duì)之間的摩擦特性。因此，針對(duì)GIS殼體實(shí)景模型中的接觸而言，即滑動(dòng)支撐腿下表面與基礎(chǔ)底座上表面的相互作用，應(yīng)以基礎(chǔ)底座上表面作為主面，滑動(dòng)支撐腿下表面作為從面，選擇支持任意相對(duì)滑動(dòng)的有限滑移公式和法向不可分離的硬接觸，并將摩擦系數(shù)賦予切向行為。

此外，對(duì)于空間直角坐標(biāo)系內(nèi)的剛體靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)分析而言一般考慮六種自由，分別是在x、y、z平面內(nèi)的平動(dòng)自由度和繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，ABAQUS軟件需要Constraint模塊定義組成裝配體的各實(shí)體之間的自由度約束，具體包括綁定約束、剛體約束、顯示體約束、耦合約束、運(yùn)動(dòng)約束和分布約束等類型，本文針對(duì)GIS殼體實(shí)景模型所用到的主要是綁定約束，將各段母線筒、波紋管和盆式絕緣子的法蘭面以及固定支撐腿下表面和基礎(chǔ)底座上表面固定在一起，在整個(gè)分析過程中不再分開。

綜上所述，GIS殼體不同結(jié)構(gòu)間相互作用屬性設(shè)置如表1所示。

表1 GIS殼體不同結(jié)構(gòu)間相互作用屬性設(shè)置

3.3 邊界條件設(shè)置

空間直角坐標(biāo)系內(nèi)的六自由度不僅作用于各實(shí)體模型，對(duì)于由實(shí)體模型組成的裝配體同樣需要考慮其六種自由度的約束。而六種自由度的不同組合分別可以構(gòu)成全約束、關(guān)于xoy平面的對(duì)稱約束、關(guān)于xoz平面的對(duì)稱約束和關(guān)于yoz平面的對(duì)稱約束等。

首先由于第二章節(jié)中旨在減少計(jì)算成本、節(jié)約計(jì)算耗時(shí)而僅建立了中心對(duì)稱平面一側(cè)的GIS殼體實(shí)景模型，因此需要對(duì)中心平面施加對(duì)稱約束，使中心平面所包含的節(jié)點(diǎn)僅擁有在中心平面內(nèi)產(chǎn)生位移，從而反映GIS實(shí)體設(shè)備的對(duì)稱性。

其次，基礎(chǔ)底座在實(shí)際工程中是澆筑或固定于混凝土基礎(chǔ)之上的，在不發(fā)生地基沉降的情況下，可以采用全約束限制基礎(chǔ)底座下表面所包含節(jié)點(diǎn)的所有自由度，使其完全固定以反映真實(shí)情況。

最終，完成結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化等效以及ABAQUS有限元軟件中的相互作用和邊界條件設(shè)置后，GIS殼體實(shí)景模型已經(jīng)足夠反映GIS設(shè)備各實(shí)體結(jié)構(gòu)的真實(shí)耦合關(guān)系，后續(xù)僅需要施加GIS設(shè)備日常運(yùn)行時(shí)經(jīng)歷的真實(shí)溫度變化即可完成溫變行為仿真。

4 案例仿真

4.1 對(duì)比模型建立

為驗(yàn)證本文所提GIS殼體溫變行為仿真方法的可行性，根據(jù)第二章節(jié)中的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和體積簡(jiǎn)化準(zhǔn)則，構(gòu)建了同一220kV GIS殼體不同精度的數(shù)字孿生模型，包含實(shí)際GIS設(shè)備較多細(xì)節(jié)的完整模型、經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型和僅保留1/2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型的體積簡(jiǎn)化模型。

戶外GIS設(shè)備所需承受的溫度變化主要由環(huán)境溫升和日照溫升決定，實(shí)地測(cè)量及查閱數(shù)據(jù)后將仿真溫升確定為40℃，據(jù)此施加相應(yīng)的溫度載荷，同時(shí)將重力載荷和設(shè)備內(nèi)部絕緣氣體產(chǎn)生的壓力載荷賦予數(shù)字孿生體。同時(shí)對(duì)三種不同精度的數(shù)字孿生模型設(shè)置相同的種子密度和網(wǎng)格類型，最終完整模型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型和體積簡(jiǎn)化模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為251031、170779和82323個(gè)，可見經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化之后，GIS數(shù)字孿生體的網(wǎng)格數(shù)量減少了31.97%，而經(jīng)過體積簡(jiǎn)化之后，GIS數(shù)字孿生體的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)一步減少至完整模型的32.79%。

4.2 仿真結(jié)果分析

對(duì)于GIS設(shè)備而言，其母線筒產(chǎn)生的溫變位移主要通過波紋管進(jìn)行補(bǔ)償和吸收，從而緩解由溫變位移引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免GIS設(shè)備最大應(yīng)力值超過所用材料的屈服極限，進(jìn)而引起塑性形變，產(chǎn)生安全隱患。因此，針對(duì)GIS殼體異常溫變行為的監(jiān)測(cè)與預(yù)防主要在于波紋管補(bǔ)償量和GIS最大應(yīng)力值兩項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)仿真。

表2列出了三種不同精度數(shù)字孿生體模型的仿真時(shí)長(zhǎng)和兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同程度簡(jiǎn)化之后的模型，仿真得到的波紋管補(bǔ)償量與完整模型之間最多相差0.62mm，僅為完整模型波紋管補(bǔ)償量的6.67%，而最大應(yīng)力值最多存在12.4MPa的差距，僅為完整模型最大應(yīng)力值的3.71%。

表2 不同模型仿真時(shí)長(zhǎng)和結(jié)果對(duì)比

通過圖1所示的軸向應(yīng)力曲線對(duì)比可以看出，不同精度數(shù)字孿生體的應(yīng)力分布同樣具有較好的一致性。其次，就仿真時(shí)長(zhǎng)而言，經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化之后的數(shù)字孿生體模型，仿真耗時(shí)減少了18.99%，經(jīng)過體積簡(jiǎn)化之后的數(shù)字孿生體模型，其仿真耗時(shí)僅為完整模型的39.89%。

圖1 應(yīng)力曲線對(duì)比圖

需指出的是，本文案例分析中的數(shù)字孿生體模型僅為兩處固定支撐腿之間相對(duì)獨(dú)立的一段母線間隔，軸向長(zhǎng)度約為16米，而在運(yùn)的GIS設(shè)備往往具有若干類似的間隔，經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和體積簡(jiǎn)化后的數(shù)字孿生體在仿真速度方面的優(yōu)勢(shì)則會(huì)得到進(jìn)一步放大。

綜上所述，本文所提的GIS殼體溫變行為結(jié)構(gòu)建模簡(jiǎn)化方法能夠在保證仿真精度的前提下較為顯著的加快仿真速度，有利于提升仿真時(shí)效性。

5 結(jié)語

母線筒、支撐腿、盆式絕緣子和波紋管是GIS設(shè)備發(fā)生溫變位移故障的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行溫變行為仿真研究時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確重構(gòu)，并重點(diǎn)關(guān)注。為平衡仿真精度、仿真算力和仿真時(shí)效性，在保留關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上可以僅建立GIS殼體中心對(duì)稱面一側(cè)的結(jié)構(gòu)，并舍棄附屬設(shè)施等多于結(jié)構(gòu)。GIS殼體不同結(jié)構(gòu)間的等效方式可以歸結(jié)為剛性連接、準(zhǔn)剛性連接和滑動(dòng)接觸三種，可以分別通過布爾并集操作、綁定接觸和有限滑移接觸進(jìn)行模擬。