一種新型結(jié)構(gòu)的盆式絕緣子力學(xué)性能研究

魯少陽，王 爽，1b，劉展程，張 勤

（1.三峽大學(xué)a.電氣與新能源學(xué)院；b.湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002；2.國網(wǎng)樂山供電公司，四川 樂山 614000）

0 引言

盆式絕緣子是氣體絕緣開關(guān)（GIS）和氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）的重要組成部分[1-3]。盆式絕緣子通常工作在充滿SF6氣體的環(huán)境中，往往需要承受氣體產(chǎn)生的壓強(qiáng)且起著支撐及隔絕氣室的作用，因此盆式絕緣子要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度[4-8]。

對于盆式絕緣子力學(xué)性能的研究主要是基于有限元仿真和試驗(yàn)測試展開的。文獻(xiàn)[9]研究了三相交流盆式絕緣子表面的應(yīng)力分布，將盆式絕緣子表面應(yīng)力集中由“Y”型分布轉(zhuǎn)化為“△”型分布，降低了其最大應(yīng)力值。文獻(xiàn)[10-12]通過水壓試驗(yàn)和仿真研究了1 100 kV GIS盆式絕緣子的力學(xué)性能，加強(qiáng)了其中心嵌件與盆式絕緣子接觸后的機(jī)械強(qiáng)度。文獻(xiàn)[13]通過建立三維應(yīng)力仿真模型，并配合水壓破壞試驗(yàn)，得到盆式絕緣子在不同負(fù)載下的設(shè)計(jì)裕度。文獻(xiàn)[14]利用有限元仿真模型改變局部參數(shù)來研究盆式絕緣子的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[15-17]通過有限元仿真和水壓試驗(yàn)研究了盆式絕緣子表面的應(yīng)力分布，但其水壓試驗(yàn)相對簡單。目前對于盆式絕緣子力學(xué)性能的研究往往局限于交流工況且仿真計(jì)算模型比較簡單，大多未考慮橡膠密封圈對計(jì)算結(jié)果的影響，因此缺乏工程實(shí)際意義且準(zhǔn)確性較低。

本文主要研究一種新型結(jié)構(gòu)的直流GIS盆式絕緣子的力學(xué)性能，該盆式絕緣子采用盤式結(jié)構(gòu)，能有效降低電場強(qiáng)度。通過有限元仿真和水壓試驗(yàn)，計(jì)算不同壓力下盆式絕緣子的應(yīng)變和應(yīng)力，對結(jié)果進(jìn)行分析，得到該直流盆式絕緣子的表面應(yīng)力分布，為直流盆式絕緣子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供思路。

1 盆式絕緣子力學(xué)性能仿真計(jì)算

1.1 盆式絕緣子模型的構(gòu)建

本文研究的直流盆式絕緣子模型如圖1所示。該盆式絕緣子模型是一種盤狀結(jié)構(gòu)的絕緣子，沒有凹面與凸面之分，在直流電壓下電場分布較均勻。模型整體為軸對稱結(jié)構(gòu)，中心為導(dǎo)體嵌件，外圈裝配法蘭，嵌件和法蘭為鋁合金材料，盆式絕緣子為環(huán)氧樹脂/氧化鋁復(fù)合材料。

圖1 盆式絕緣子示意圖Fig.1 Diagram of basin insulator

在仿真和水壓試驗(yàn)研究中，對盆式絕緣子進(jìn)行建模，各組裝、工裝零部件（水壓蓋板、水壓支撐筒、緊固螺栓等）的材料屬性設(shè)置見表1。

表1 材料屬性設(shè)置Tab.1 Material attribute settings

1.2 盆式絕緣子機(jī)械應(yīng)力分布計(jì)算

橡膠密封圈是保障盆式絕緣子氣密性的關(guān)鍵部件，為了研究橡膠密封圈對盆式絕緣子應(yīng)力分布的影響，在壓力作用下分別對加有橡膠密封圈和不加橡膠密封圈的盆式絕緣子應(yīng)力分布進(jìn)行對比分析。

為了在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高計(jì)算效率，本研究對盆式絕緣子模型進(jìn)行一定的簡化，忽略螺栓及螺栓連接孔等元素。

由于盆式絕緣子為軸對稱結(jié)構(gòu)，在仿真時(shí)使用二維軸對稱模型進(jìn)行應(yīng)力分析。此外，本研究的盆式絕緣子并無凹面與凸面之分，任選一面施加水壓即可。

該盆式絕緣子的額定壓力值為0.6 MPa，設(shè)計(jì)壓力值為0.8 MPa。按照國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水壓破壞值應(yīng)不小于3倍的設(shè)計(jì)壓力[18]，即2.4 MPa。本研究在仿真計(jì)算中分別計(jì)算了2.0、2.1、2.2、2.3、2.4 MPa水壓下盆式絕緣子的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。限于篇幅，本研究主要介紹盆式絕緣子在2.4 MPa水壓下的應(yīng)力分布情況。

1.2.1 未加橡膠圈的盆式絕緣子仿真分析

未加橡膠圈的盆式絕緣子仿真模型主要由中心嵌件、盆式絕緣子、屏蔽環(huán)、法蘭、壓力蓋板組成，如圖2所示。

圖2 未加橡膠圈的盆式絕緣子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of basin insulator without rubber ring

無橡膠圈的盆式絕緣子在2.4 MPa水壓下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在沒有橡膠圈時(shí)盆式絕緣子所受最大應(yīng)力為85.76 MPa，大于材料的抗拉強(qiáng)度（78.50 MPa），超出幅度為9.25%。最大應(yīng)力出現(xiàn)在盆式絕緣子裝配橡膠圈的凹槽內(nèi)。

圖3 未加橡膠圈的盆式絕緣子2.4 MPa下的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of basin insulator without rubber ring under 2.4 MPa pressure

1.2.2 加橡膠圈的盆式絕緣子仿真分析

加橡膠圈的盆式絕緣子仿真模型主要由中心嵌件、盆式絕緣子、屏蔽環(huán)、法蘭、橡膠圈、壓力蓋板組成，如圖4所示。

圖4 加橡膠圈的盆式絕緣子結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of basin insulator with rubber ring

橡膠材料具有超彈特性，本研究采用Mooney-Rivlin模型來描述橡膠圈的本構(gòu)關(guān)系[19]，其方程如式（1）所示。

式（1）中：C01、C10為穆尼常數(shù)，其中C01=0.036 4 MPa，C10=0.728 MPa；D1為不可壓縮比，D1=0.01；I1、I2為Green應(yīng)力張量的兩個(gè)主不變量。

加橡膠圈的盆式絕緣子在2.4 MPa水壓下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，加橡膠圈的盆式絕緣子在水壓為2.4 MPa時(shí)所受的最大應(yīng)力為88.69 MPa，大于材料的抗拉強(qiáng)度（78.5 MPa），超出幅度為12.98%。盆式絕緣子應(yīng)力最大值位于其表面凹槽處，距離中心嵌件155 mm。產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域位于距離中心嵌件100～200 mm處（見圖5中盆式絕緣子下端紅色區(qū)域）。

圖5 加橡膠圈的盆式絕緣子2.4MPa下的應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of basin insulator with rubber ring under 2.4 MPa pressure

在加橡膠圈的盆式絕緣子仿真計(jì)算中，水壓為2.0、2.1、2.2、2.3 MPa時(shí)盆式絕緣子產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域與水壓為2.4 MPa時(shí)的結(jié)果相一致，應(yīng)力最大值隨著水壓的升高而增大。

2 盆式絕緣子水壓試驗(yàn)裝置與測量系統(tǒng)

2.1 水壓試驗(yàn)裝置

水壓試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，由加壓管、接頭、水壓蓋板、橡膠圈、緊固螺栓、水壓支撐筒等組成。水壓試驗(yàn)裝配時(shí)盆式絕緣子密封槽外臺(tái)與筒體法蘭的間隙為0.3 mm，以保證只有密封槽和盆式絕緣子法蘭受力。

圖6 水壓試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of hydrostatic test device

2.2 測量系統(tǒng)

2.2.1 測量裝置介紹

本研究在盆式絕緣子表面粘貼BHF350-3AA（XX）型電阻應(yīng)變片，從而在水壓試驗(yàn)過程中得到絕緣子表面應(yīng)變值。試驗(yàn)采用JC-4B型電阻應(yīng)變儀，選擇9通道測試模式，補(bǔ)償片固定于環(huán)氧復(fù)合件。

電阻應(yīng)變片是在非電量電測技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的傳感元件之一，其工作原理是基于金屬電阻絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)，當(dāng)金屬電阻絲在軸向受到拉伸時(shí)，其電阻增大，而受到壓縮時(shí)，其電阻減小。該應(yīng)變片多用于金屬和復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變的測量。應(yīng)變片自帶2米長的絕緣導(dǎo)線，可有效避免部分短路情況，方便應(yīng)變片的固定。由于盆式絕緣子所用復(fù)合材料為各向同性材料，在理想狀態(tài)下，可假設(shè)各個(gè)方向的收縮應(yīng)變值一致，測試所用應(yīng)變片為雙向應(yīng)變片。根據(jù)應(yīng)變片測得的應(yīng)變值，可計(jì)算相應(yīng)應(yīng)力值。

2.2.2 測量試驗(yàn)

在絕緣子表面粘貼20片應(yīng)變片，具體位置見圖7。1～7、8～14號(hào)測點(diǎn)沿著絕緣子表面一字排開，在水平面呈90°，各個(gè)應(yīng)變片與中心嵌件的距離如圖7(a)所示，對絕緣子表面應(yīng)變進(jìn)行全面系統(tǒng)的測量；15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)重點(diǎn)對絕緣子距離中心嵌件67、105、132 mm處進(jìn)行測量。完成水壓試驗(yàn)裝置裝配后，以平均不超過400 kPa/min的速度上升至盆式隔板的兩倍設(shè)計(jì)壓力，保壓10 min，繼續(xù)升壓至2.1 MPa時(shí)盆式絕緣子試品發(fā)生破壞。試驗(yàn)對絕緣子進(jìn)行0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1 MPa等16個(gè)水壓等級的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。

圖7 絕緣子表面測點(diǎn)分布Fig.7 Distribution of measuring points on insulator surface

3 水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖7中對測量點(diǎn)應(yīng)變片的布置，本次試驗(yàn)使用直角雙向應(yīng)變片，可同時(shí)測量得到測點(diǎn)位置的周向應(yīng)變值和徑向應(yīng)變值。

3.1 周向應(yīng)變

1～7、8～14號(hào)測點(diǎn)的周向應(yīng)變分別如圖8、圖9所示。由圖8～9可知，絕緣子的周向應(yīng)變隨著水壓的升高，呈線性增大，離中心嵌件越遠(yuǎn)，周向應(yīng)變越大。

圖8 測點(diǎn)1～7周向應(yīng)變值Fig.8 Circumferential strain value of measuring points 1-7

圖9 測點(diǎn)8～14周向應(yīng)變值Fig.9 Circumferential strain value of measuring points 8-14

15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)的周向應(yīng)變分別如圖10、圖11所示。由圖10～11可知，15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)周向應(yīng)變隨水壓的升高而變大，離中心嵌件越遠(yuǎn)，周向應(yīng)變越大。

圖10 測點(diǎn)15～17周向應(yīng)變值Fig.10 Circumferential strain value of measuring points 15-17

圖11 測點(diǎn)18～20周向應(yīng)變值Fig.11 Circumferential strain value of measuring points 18-20

3.2 徑向應(yīng)變

1～7、8～14號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變分別如圖12、圖13所示。由圖12～13可知，1～5、8～12號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變值隨著水壓的升高而變大，離中心嵌件距離越遠(yuǎn)，應(yīng)變越大。6、7和13、14號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變值隨著水壓的升高而變大，但離中心嵌件距離越遠(yuǎn)應(yīng)變越小，其中7、14號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變值為負(fù)值，說明盆式絕緣子的該位置被壓縮。1～7號(hào)測點(diǎn)中5號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變值最大，8～14號(hào)測點(diǎn)中12號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變值最大。5、12號(hào)測點(diǎn)與中心嵌件的距離均為159 mm，其中5號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變值大于12號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變值。在2.0 MPa工況下5號(hào)測點(diǎn)的實(shí)際測量應(yīng)變值為6 307×10-6，在加橡膠圈時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果中提取的應(yīng)變值為6 686×10-6，誤差為6.0%；在2.1 MPa工況下5號(hào)測點(diǎn)的實(shí)際測量應(yīng)變值為6 750×10-6，在加橡膠圈時(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果中提取的應(yīng)變值為6 979×10-6，誤差僅為3.4%，如表2所示，其中水壓在2.1 MPa時(shí)盆式絕緣子試品已發(fā)生破裂，因此未采集水壓為2.2、2.3、2.4 MPa下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將水壓為2.0、2.1 MPa下的應(yīng)變計(jì)算值和試驗(yàn)測量值進(jìn)行對比，說明了仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2 不同壓力下徑向應(yīng)變值對比Tab.2 Comparison of radial strain values under different pressures

圖12 測點(diǎn)1～7徑向應(yīng)變值Fig.12 Radial strain value of measuring points 1-7

圖13 測點(diǎn)8～14徑向應(yīng)變值Fig.13 Radial strain value of measuring points 8-14

15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變分別如圖14、圖15所示。由圖14～15可知，15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)的徑向應(yīng)變隨水壓的升高而變大，距中心嵌件越遠(yuǎn)，應(yīng)變越大。

圖14 測點(diǎn)15～17徑向應(yīng)變值Fig.14 Radial strain value of measuring points 15-17

圖15 測點(diǎn)18～20徑向應(yīng)變值Fig.15 Radial strain value of measuring points 18-20

對比15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)測得的周向應(yīng)變值和徑向應(yīng)變值，其數(shù)值差別不大，說明盆式絕緣子圓周面上直徑相同位置的應(yīng)變是大致相同的。比較各個(gè)測點(diǎn)的周向和徑向應(yīng)值變可知，盆式絕緣子受壓后徑向應(yīng)變大于周向應(yīng)變。

3.3 水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)虎克定律，可應(yīng)用式（2）～（3）[20-21]將應(yīng)變換算成主應(yīng)力。

式（2）～（3）中：εθ、εr是測點(diǎn)的周向、徑向應(yīng)變；σθ、σr是周向和徑向的主應(yīng)力；E、v是彈性模量和泊松比。

每一個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可以用σ1、σ2、σ3三個(gè)主應(yīng)力描述，分別指第一、二、三主應(yīng)力，以1號(hào)測點(diǎn)為例，根據(jù)式（2）、（3）得到周向應(yīng)力與徑向應(yīng)力見圖16。由材料第四強(qiáng)度理論，將絕緣子所受主應(yīng)力由大到小依次排列為σ1、σ2、σ3（其中σ3取值為0）。由圖16可知，不同水壓下徑向應(yīng)力均大于周向應(yīng)力，因此有σ1=σr、σ2=σθ。換算成米塞斯應(yīng)力，如式（4）所示。

圖16 測點(diǎn)1徑向應(yīng)力與周向應(yīng)力值Fig.16 Radial and circumferential stress values of point 1

由式（4）計(jì)算得到不同水壓下各個(gè)測點(diǎn)的等效應(yīng)力值如圖17～20所示。

圖17 測點(diǎn)1～7等效應(yīng)力值Fig.17 Equivalent stress value of measuring points 1-7

圖18 測點(diǎn)8～14等效應(yīng)力值Fig.18 Equivalent stress value of measuring points 8-14

由圖17～18可知，1～5、8～12號(hào)測點(diǎn)的等效應(yīng)力值隨著水壓的升高而變大，離中心嵌件距離越遠(yuǎn)等效應(yīng)力值越大，6、7和13、14號(hào)測點(diǎn)的等效應(yīng)力值隨著水壓的升高而變大，但離中心嵌件距離越遠(yuǎn)，等效應(yīng)力值越小。5、12號(hào)測點(diǎn)在2.1 MPa工況下的等效應(yīng)力值分別是81.52 MPa、79.34 MPa，分別超出材料測試抗拉強(qiáng)度的3.8%和1.07%。

圖20 測點(diǎn)18～20等效應(yīng)力值Fig.20 Equivalent stress value of measuring points 18-20

測點(diǎn)1、2、7隨水壓升高應(yīng)力增大較為平緩。測點(diǎn)3、4、5、6隨水壓升高應(yīng)力增幅較大，其中測點(diǎn)3、4、5、6距中心嵌件107～194 mm。測點(diǎn)8～14中10、11、12、13號(hào)測點(diǎn)隨水壓升高應(yīng)力增幅較大，這些測點(diǎn)距中心嵌件108～200 mm。可以看出絕緣子表面應(yīng)力隨著壓力的升高而增大，但產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置保持不變，位于距離中心嵌件107～200 mm處。

在仿真中加橡膠圈的盆式絕緣子受壓后產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域與水壓試驗(yàn)得出的應(yīng)變值換算成應(yīng)力值所分析的盆式絕緣子產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域相一致，位于盆式絕緣子表面凹槽，距離中心嵌件107～200 mm處。而未加橡膠圈的盆式絕緣子仿真得到的應(yīng)力集中區(qū)域在裝配橡膠圈的凹槽部位，且應(yīng)力值也較小，與盆式絕緣子實(shí)際工況中裝配橡膠圈的水壓試驗(yàn)結(jié)果不符。

由圖19～20可知，15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)等效應(yīng)力值隨水壓升高而變大，離中心嵌件距離越遠(yuǎn)，等效應(yīng)力值越大。

圖19 測點(diǎn)15～17等效應(yīng)力值Fig.19 Equivalent stress value of measuring points 15-17

對比15～17、18～20號(hào)測點(diǎn)的等效應(yīng)力值，其數(shù)值差別不大，說明盆式絕緣子圓周面上直徑相同位置的應(yīng)力值是大致相同的。

3.4 水壓試驗(yàn)結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算分析，在2.4 MPa的壓力下，盆式絕緣子最易破損的中部最大應(yīng)力值為88.69 MPa，裕度為0.885（抗拉強(qiáng)度/最大應(yīng)力=78.5/88.69=0.885），表明該盆式絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度不可靠，其力學(xué)性不能滿足設(shè)計(jì)要求，不可以用于產(chǎn)品。

在水壓試驗(yàn)中，當(dāng)水壓值達(dá)到2.1 MPa時(shí)，盆式絕緣子會(huì)發(fā)生破壞，兩個(gè)絕緣子的破壞情況如圖21所示。試驗(yàn)結(jié)束后，用紅色水筆描出盆式絕緣子試品的裂縫，可以看到裂紋在水平面呈一定的對稱分布，盆式絕緣子破壞起始位置為9號(hào)測點(diǎn)附近距中心嵌件110～120 mm處。破壞裂紋呈樹枝狀從里向外延伸。

圖21 水壓試驗(yàn)后盆式絕緣子破壞情況Fig.21 Damage condition of basin insulator after hydrostatic test

4 結(jié)論

（1）在2.0 MPa、2.1 MPa兩種工況下的實(shí)際測量應(yīng)變值與加橡膠圈仿真中得到的應(yīng)變值誤差分別為6.0%和3.4%，說明加橡膠圈的仿真結(jié)果符合工程實(shí)際情況，仿真結(jié)果可靠。

（2）通過仿真和水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析找出了盆式絕緣子發(fā)生應(yīng)力集中的位置位于距離中心嵌件107～200 mm處，得到盆式絕緣子發(fā)生破裂的起始位置距離中心嵌件110～120 mm處。

（3）隨著水壓的升高，同一測點(diǎn)的應(yīng)變值、應(yīng)力值呈線性增長；盆式絕緣子同一測點(diǎn)的徑向應(yīng)變大于周向應(yīng)變；盆式絕緣子圓周面上直徑相同的位置應(yīng)變、應(yīng)力大致相同。

（4）在水壓試驗(yàn)中，當(dāng)水壓值達(dá)到2.1 MPa時(shí)，盆式絕緣子會(huì)發(fā)生破壞，其裂紋在水平面上呈一定的對稱分布。

（5）該絕緣子為適應(yīng)直流電場采用盤式結(jié)構(gòu)，雖然能夠有效地降低電場強(qiáng)度，但是其力學(xué)性能未達(dá)到額定要求的標(biāo)準(zhǔn)，即2.4 MPa，因此后續(xù)研究中還需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能要求。