220 kV GIS設備局部結構有限元分析

張　晶，管延錦，菅明健，張都清，牟　玥

（1.山東大學材料科學與工程學院，濟南　250061；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250003）

220 kV GIS設備局部結構有限元分析

張晶1，管延錦1，菅明健2，張都清2，牟玥1

（1.山東大學材料科學與工程學院，濟南250061；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003）

以變電站220 kV GIS設備為參考，建立局部結構的有限元模型并進行分析。分析結果表明：螺栓沿軸向伸長，法蘭沿Z方向發生變形，均會導致法蘭連接處密封性能下降；波紋管的伸縮量滿足位移補償要求，但雙頭螺柱由于彎曲應力較大，維護時應根據波紋管的伸縮量加以調整；彎管連接處因缺乏有效支撐，其Z方向位移較大，設計中應采取措施加以改進。

GIS；局部結構；有限元分析；結構分析

0　引言

金屬封閉氣體絕緣開關設備（GIS）已被廣泛應用于國內變電站中。但近年來，GIS設備在使用過程中出現了氣體泄漏問題，嚴重影響了設備的安全穩定運行。針對此類問題國內外研究人員進行了大量的分析研究工作，認為泄漏的主要原因包括法蘭連接處密封不良、波紋管膨脹節無法正常補償伸縮量、主母線結構設計不合理等［1-3］，除此之外還對設備結構強度等其他方面的原因進行了深入分析［4-10］。

但針對GIS設備泄漏問題的分析存在以下問題：一是國內外對GIS設備殼體結構的分析多為三通、四通結構，其他結構類型如彎管等研究較少；二是對于GIS螺栓法蘭密封結構的有限元分析報道較少；三是單純對于波紋管進行有限元分析無法反映波紋管膨脹節法蘭等結構的應力與變形分布情況。針對該問題，對螺栓法蘭連接、波紋管膨脹節以及彎管連接等結構進行細化，并建立了有限元模型，分析局部結構的應力與變形情況，期望通過有限元分析對現有GIS設備結構的維護和改善提供一定的參考。

1　GIS設備局部結構有限元分析

1.1局部結構分析模型

細化220 kV GIS設備的局部結構后，建立了如圖1所示的螺栓法蘭連接、彎管連接結構以及波紋管膨脹節的分析模型。螺栓法蘭連接模型包括母線筒殼體、支撐桿、螺栓、法蘭、盆式絕緣子；彎管連接結構模型包括母線筒殼體、支撐桿、螺栓、法蘭以及盆式絕緣子；波紋管膨脹節模型包括波紋管、法蘭、雙頭螺柱、支撐桿、盆式絕緣子。法蘭、支撐桿、盆式絕緣子等零件均采用實體建模方式構建；母線筒殼體和波紋管為曲面模型，其厚度通過單元厚度進行定義。

1.2材料屬性與網格劃分

有限元分析中的材料屬性均根據變電站220 kV GIS設備各類零件實際所用材料確定。其中支撐類零件如支撐桿、出線支架、支座等由Q235鋼制成；母線筒殼體和母線筒法蘭的材料為ZL114A；盆式絕緣子由環氧樹脂制成；波紋管及其法蘭的材質為1Cr18Ni9Ti不銹鋼；螺栓、螺柱等零件材質為45號鋼。有限元分析中所用材料屬性如表1所示。

圖1　局部結構有限元分析模型

表1　材料屬性

在有限元分析中，對不同零件選取不同單元類型、網格形式以及網格尺寸進行網格劃分：選用Solid187十節點四面體單元對出線支架、支撐桿、盆式絕緣子以及支座進行自由網格劃分；選取Solid185八節點六面體單元進行網格劃分；母線筒殼體、斷路器殼體以及波紋管等為曲面模型，選取Shell181四節點四邊形殼單元進行網格劃分，并定義了殼體厚度為10 mm，波紋管厚度為2 mm；選用Targe170、Conta174單元定義各零件之間的連接和接觸。螺栓法蘭連接模型單元數目為534 939，節點數396 012；彎管連接模型單元數目為163 646，節點數目為113 974；波紋管膨脹節模型單元數目為1 031 504，節點數目為714 905。

1.3載荷與邊界條件

有限元分析中位移邊界條件施加如下：支撐桿、出線支架等零件下端施加固定約束；各零件之間的連接和接觸通過定義接觸對的方式實現。由于實際情況中法蘭與法蘭通過螺栓進行連接，在螺栓法蘭連接結構和波紋管膨脹節的分析中，法蘭與法蘭接觸面定義為可分離接觸；為了簡化計算，彎管連接結構分析中，法蘭間定義為綁定連接。

載荷邊界條件施加如下：殼體和波紋管的內、外表面分別施加0.6 MPa和0.1 MPa的壓力；對結構施加重力載荷；因螺栓法蘭連接、波紋管膨脹節以及彎管連接結構模型均為局部模型，因此需在主母線殼體端部截面的節點上施加其余結構對其產生的作用力，作用力大小為

式中：P1為內壓大小，MPa；P2為外壓大小，MPa；D1為主母線筒殼體內徑，mm；D2為主母線筒外徑，mm；N為端部截面處節點數量。

2　結果分析

2.1螺栓法蘭連接

GIS設備螺栓法蘭連接結構眾多，對設備安全穩定運行具有至關重要的影響。螺栓法蘭連接結構分析結果如圖2所示。在設備工作過程中，螺栓沿軸向發生伸長（圖2（a）），降低了對法蘭的緊固效果；在母線筒法蘭與盆式絕緣子法蘭接觸面附近螺栓Z方向應力較大（圖2（b））；母線筒法蘭沿Z方向出現一定量的變形（圖2（c）），由圖2（d）和圖2（e）可見，沿法蘭徑向，內側變形量大于外側。以上情況均會導致法蘭連接處的密封性能下降。因此，在設備檢測和維護過程中，應重點對法蘭連接處的密封性能進行監測。

圖2　螺栓法蘭連接結構有限元分析結果

2.2彎管連接結構

彎管連接結構的有限元分析結果如圖3所示。在彎管連接處附近僅有3根支撐桿，彎管處缺少有效支撐、位移約束不足，因此重點關注彎管連接處的Z方向位移。

如圖3所示，由于彎管處缺乏有效支撐約束，彎管處Z方向位移明顯較大，支撐桿下端應力較大。因此，設計人員應考慮通過增加有效支撐零件等方式對該部分結構進行改進，以減小Z方向變形、緩解支撐桿應力。

2.3波紋管膨脹節

波紋管膨脹節是補償GIS設備熱脹冷縮和位移的重要零件，若波紋管伸縮量超過補償極限或無法正常補償熱脹冷縮和位移，將會對設備產生巨大影響，因此對波紋管以及波紋管膨脹節的法蘭和螺栓等結構的應力和變形情況進行了分析，分別如圖4、圖5所示。

圖4　波紋管有限元分析結果

圖3　彎管連接結構有限元分析結果

波紋管最大應力約89 MPa，滿足波紋管的強度要求；如圖4（b）所示，波紋管沿Z正負方向的伸長量之和約1.2 mm，遠小于波紋管設計極限伸長量10 mm；在模型YOZ對稱面上取圖4（c）所示路徑，沿路徑由A端至B端的應力和Z方向分布曲線分別如圖4（d）和圖4（e）所示。波紋管應力波動比較明顯，在波谷附近應力相對較大。波紋管沿Z軸正負方向伸長，在波紋管兩端變形量最大。

螺柱中部由于彎曲而產生較大的應力 （圖5 （a）），彎曲主要是由于膨脹節法蘭四角處因螺柱連接對其變形有一定的約束作用（圖5（b）），而膨脹節法蘭中心區域Z方向變形大于膨脹節法蘭四角處的變形，使得螺柱發生一定程度的彎曲變形，從而產生較大應力。沿圖5（c）所示路徑，Z方向的變形分布曲線如圖5（d）所示，該曲線更加清晰地反映了膨脹節法蘭變形不均勻的情況。因此在設備維護時，應注意對膨脹節的變形進行檢測并調節其螺柱，改善法蘭的不均勻變形情況，緩解螺柱上的應力。此外，設計人員可以考慮對于其結構進行改進，以解決上述問題。

圖5　膨脹節螺栓與法蘭的有限元分析結果

3　結論

在法蘭連接處，沿法蘭徑向內側變形量大于外側，導致法蘭連接處密封性能下降，應重點對該處密封性能進行監測；彎管連接處缺少有效支撐約束，Z方向位移較大，設計中應采取措施加以改進；波紋管雙頭螺柱由于彎曲應力較大，在維護中應及時調節波紋管的伸縮量，減小法蘭變形不均勻的情況，從而緩解螺柱的應力和變形。

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Finite Element Analysis for Partial Structure of 220 kV GIS Equipment

ZHANG Jing1，GUAN Yanjin1，JIAN Mingjian2，ZHANG Duqing2，MU Yue1
（1.School of Materials Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

FEA models of partial structures of 220 kV GIS equipment in transformer substation have been constructed and analyzed.Results show that bolts elongated along axial and flanges deformed along Z-direction could result in deterioration of sealing performance at flange connections.Expansion amount of bellows can meet the requirement of displacement supplement，but stress of bolts relatively is larger because of bending，bolts should be adjusted according to expansion amount during maintenance work.Elbows should be improved in design，because lacking of efficient support bars lead to relative larger amount of Z-direction displacement.

GIS；partial structure；finite element analysis；structural analysis

TM564

A

1007-9904（2015）09-0038-04

2015-07-13

張晶（1989），男，碩士研究生，研究方向為機械結構的有限元分析。