GIS設備有限元結構分析研究

羅宏建，陳興濤，張 杰，吳忠燁，趙洲峰，李正剛

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189；3.武漢大學動力與機械學院，武漢 430072）

0 引言

在GIS（氣體絕緣金屬封閉開關）設備中，管道母線是其重要的組成部分，由于安裝中不可避免的誤差以及超長的結構和復雜的運行工況，GIS管道母線在運行過程中會產生應力和變形[1-2]。其中變溫工況是導致管道母線變形的重要因素，在環境溫度變化或太陽光照輻射的作用下，管道母線因熱脹冷縮從而發生位移，GIS管母線長度可以達到幾百米，長母線管會產生較大軸向應力和變形，因此GIS設備長母線結構需要安裝波紋管膨脹節，補償母線筒熱脹冷縮引起的位移[2-4]。然而在GIS設備實際運行環節中，由于安裝條件所限和運行缺乏有效監督以及沒有充分考慮不同季節以及不同地區極端自然條件溫差變化，膨脹節時常出現故障，GIS設備運行中若無法有效吸收由于溫度變化而引起的應力變形，將會頻繁出現地基拉裂、筒體拉裂、支架變形、法蘭面漏氣等問題，嚴重影響GIS設備的正常運行[4-8]。因此必須掌握溫差對母線筒殼體和膨脹節位移應力的關系，更好地監測GIS設備的運行狀態，對保障電網設備安全穩定地運行具有重要意義。

在GIS長管母線變溫工況研究方面，徐敏[9]、Hong-Kyu Kim[10]等采用多物理場耦合有限元分析技術對GIS母線進行了分析，獲得了管型母線的溫度分布情況。王秩慧[11]等研究了支撐滑塊對于最高和最低溫度情況下管母線位移量的影響。楊洋[5]等運用CAE-SARII管道應力分析軟件對管母線結構進行了應力及變形分析，提出在管母線外部安裝保溫層減弱管母線和環境的換熱效應來緩解應力集中現象。雖然已經有諸多國內外學者對母線筒溫度場的分布進行了研究，但溫度對母線筒殼體應力與應變影響的研究卻很少。同時，由于GIS設備零件眾多、結構復雜，采用傳統的試驗和檢測方法很難系統全面的對GIS設備結構和力學性能進行研究，現有研究多為局部結構和單一零件的力學及溫度特性分析，關于宏觀結構應力與變形的研究較少，而且僅對局部單一零件的結構和力學性能進行研究分析難以充分反映GIS設備整體的受力和變形情況。

本文以妙西500 kV變電站超長GIS設備為分析對象，采用ANSYS建立了整體母線管設備宏觀結構模型并進行了有限元分析，研究了溫度對于整體母線筒位移和應力的影響和分布規律，同時為驗證位移計算結果的準確性，現場安裝實時監測裝置，測量了GIS母線筒在特定溫差下的位移情況并與仿真結果進行對比，驗證仿真分析的可靠性，對GIS設備的結構優化提供理論依據。此外，采用有限元分析方法研究了在溫差變化的不同位移下自平衡波紋管膨脹節彈性支反力，為波紋管膨脹節運行狀態監測和預警提供依據。

1 模型有限元分析

1.1 GIS設備整體模型建立

妙西變電站GIS設備由管母線（三相）、固定支撐（六組）、滑動支撐（十組）、自平衡式波紋管膨脹節（四組）和普通波紋管膨脹節（一組）等承載結構組成，其局部結構如圖1所示。各設備布置關系如圖2所示，GIS設備總長為95 610 mm，其母線筒直徑為685 mm，壁厚為7.8 mm，自平衡式波紋管膨脹節（1，2，4，5）的長度為1 200 mm，普通波紋管膨脹節（3）的長度為760 mm，固定支撐（A1—A6）的寬度為1 350 mm，滑動支撐（b1—b10）的寬度為140 mm。

圖1 GIS設備局部結構

為了研究不同溫度下管道母線整體受力和變形情況，同時保證其計算精度，對妙西變電站GIS設備整體進行有限元建模和分析時，由于管母線長度過長，并存在固定支撐、滑動支撐、自平衡式波紋管膨脹節和普通波紋管膨脹節等承載構件，建模和分析難度較大。因此，綜合考慮計算精度和計算效率，采用了多尺度建模和計算方法，對結構的不同部位建立不同尺度的分析模型，并采用合適的方式連接，實現不同尺度模型之間的協同計算。采用ANSYS軟件平臺APDL語言，依次建立參數化的固定支撐分析模塊、滑動支撐分析模塊、普通膨脹節分析模塊和自平衡式膨脹節分析模塊；在普通膨脹節和自平衡式膨脹節有限元模型基礎上，對其進行軸向剛度分析，確定各膨脹節軸向剛度。在GIS整體分析模型中，采用彈簧單元對各膨脹節進行模擬，在保證計算精度的基礎上降低計算規模，兩種膨脹節有限元模型及其等效彈簧單元模型如圖3所示，其中圖3（c）普通波紋管剛度模型中，K1為拉桿剛度，K2為左右法蘭盤彎曲剛度，波紋管剛度相當于左右法蘭盤剛度和拉桿剛度串聯；圖3（d）為自平衡式波紋管剛度模型，K為波紋管膨脹節的剛度，Kw為工作波紋管的剛度，Kb為平衡波紋管的剛度，管母線實際伸縮量小于膨脹節螺桿裕量時，波紋管膨脹節的剛度是兩工作波紋管和一平衡波紋管剛度之和，管母線實際伸縮量大于膨脹節螺桿裕量時，波紋管膨脹節的剛度由長拉桿和法蘭盤彎曲剛度決定。

圖2 妙西變電站GIS設備布置關系

圖3 波紋管模型

通過ANSYS中CDWRITE命令，依次生成6段固定支撐有限元模型和4段滑動支撐有限元模型，然后通過CDREAD命令，以及各段模型的接口節點實現各模型間的連接；利用線性彈簧單元COMBIN40和非線性彈簧單元COMBIN39，分別對1組普通膨脹節（每組3個膨脹節，分別用于上中下三相管母線的連接）和4組自平衡式膨脹節（每組3個膨脹節，分別用于上中下三相管母線的連接）進行模擬，最終建立妙西變電站GIS設備整體有限元分析模型，如圖4所示。

圖4 設備整體有限元模型

1.2 網格劃分與材料屬性

波紋管膨脹節法蘭盤通常可用板殼單元或實體單元進行網格劃分。而法蘭盤與波紋管及拉桿連接故選用實體單元SOLID187單元進行網格劃分，確保計算精度，重點研究法蘭盤與波紋管連接處及法蘭與拉桿連接處的應力與變形。母線筒體采用板殼單元SHELL181進行網格劃分。母線筒受力情況較為簡單，同時其長度尺寸較大，選用板殼單元能夠獲得足夠的計算精度，同時大大降低了計算規模。固定支撐桿和滑動支撐桿采用梁單元BEAM188進行網格劃分。采用梁單元劃分支撐桿的網格在確保足夠精度的情況下，大大減小了計算規模。不同零件材料屬性及物理參數如表1所示。

表1 不同零件材料屬性及物理參數

1.3 邊界條件與載荷

有限元分析中位移邊界條件施加如下：固定支撐與管母線連接區域采用CERIG剛性區域命令，以模擬固定支撐與管母線之間的固定連接作用；不考慮滑動支撐與管母線滑動接觸面的摩擦作用，滑動支撐與管母線連接線上所有節點采用CP耦合命令，除UZ自由度外所有自由度耦合以模擬滑動支撐與管母線之間相互作用。考慮到500 kV GIS設備軸線長度范圍內設置若干固定支撐，且固定支撐兩側管母線長度有變化，為簡化建模，采用模塊化和參數化方法進行固定支撐分析代碼編寫。三組管母線末端共設置6個主節點，作為管母線固定支撐段的輸出接口，其他管母線段可以通過這6個主節點與該段管母線建立有限元模型關聯。固定支撐有限元模型在管母線左右兩端面上形成剛性區域，剛性區域主節點作為接口節點，用于創建彈簧單元，同時用于整體模型中各部分單元的定位與連接。

GIS設備整體有限元分析模型創建完成后，需要根據工況參數對整體模型施加邊界條件：

（1）設備受到重力作用，對整個模型施加9.83 N/kg的重力。

（2）母線筒及膨脹節內充滿SF6氣體，工作時，母線筒及膨脹節受到0.5 MPa工作壓力，方向由內向外。對模型施加工作內壓。

該變電站屬于我國東南沿海地區，一年中最高溫與最低溫相差較大，根據其氣候變化特點和設備安裝溫度，確定GIS設備母線筒正常運行工況下的環境溫度和對應受力情況：

（1）夏季35℃安裝設備，升溫到極限溫度70℃，此時溫差為35℃；降溫到極限溫度-20℃，此時溫差為55℃，GIS設備母線筒所受載荷為支撐桿約束力、重力、0.5 MPa內壓和溫度應力。

（2）冬季-5℃安裝設備，升溫到極限溫度70℃，此時溫差為75℃，降溫到極限溫度-20℃，此時溫差為15℃，GIS設備母線筒所受載荷為支撐桿約束力、重力、0.5 MPa內壓和溫度應力。

2 結果分析

2.1 不同溫差下GIS整體結構應變與應力分布

圖5是35～70℃，35～-20℃，-5～70℃和-5～-20℃溫差下的整體模型軸向位移分布云圖。通過各個溫度變化位移分布云圖可以看出，波紋管膨脹節的兩側法蘭的位移量較大，而母線筒上遠離波紋管膨脹節的位置的位移量較小。表2為不同溫差工況GIS設備整體模型軸向最大位移值，在35～70℃的溫度變化下，軸向向最大位移量出現在2號壓力自平衡波紋管膨脹節的北側，為18.37 mm；在35～-20℃的溫度變化下，結構整體軸向最大位移量出現在1號壓力自平衡波紋管膨脹節的南側，為33.85 mm；在-5～70℃的溫度變化下，軸向最大位移量出現在2號壓力自平衡波紋管膨脹節的北側，為42.29 mm；在-5～-20℃的溫度變化下，結構整體位移量最大值在1號壓力自平衡波紋管膨脹節的南側以及3號壓力自平衡波紋管膨脹節的北側，為11.43 mm，軸向方向最大位移量出現在1號壓力自平衡波紋管膨脹節的南側，為10.97 mm。

圖5 不同溫差下的整體模型軸向位移分布

圖6 不同溫差下的整體模型整體應力分布

表2 不同溫差工況下GIS設備整體模型最大位移值

圖6是35～70℃，35～-20℃，-5～70℃和-5～-20℃溫差下的整體模型位移分布云圖。通過各個溫度變化應力分布云圖可以看出，結構最大應力值均出現在5號壓力自平衡波紋管膨脹節北側。在35～70℃溫度變化情況下，GIS設備中應力最大值為90.0 MPa，小于158.33 MPa，結構較為安全；在35～-20℃溫度變化情況下，GIS設備中應力最大值為159.00 MPa，大于158.33 MPa，結構會因屈服而失效；在-5～70℃溫度變化情況下，GIS設備中應力最大值為201 MPa，大于158.33 MPa，結構會因屈服而失效；在-5～-20℃溫度變化情況下，GIS設備中應力最大值為48.8 MPa，小于158.33 MPa，結構較為安全。通過分析可知，在35～70℃溫度變化情況和-5～-20℃溫度變化情況中，結構應力均在許用應力范圍內，結構安全可靠。在35～-20℃溫度變化情況和-5～70℃溫度變化情況中，GIS設備中母線筒與波紋管膨脹節的連接處均有可能出現應力集中現象而產生屈服。在溫差變化較大時，GIS設備的母線筒有較大可能因屈服變形而產生泄漏問題。應力集中現象主要是因為母線筒產生了軸向位移，而波紋管膨脹節未能完全吸收母線筒熱脹冷縮的位移量，故產生了極大地變形抗力。可以考慮在5號壓力自平衡波紋管膨脹節與最近的固定支撐間加裝小型波紋管，以輔助吸收Z方向位移。

2.2 有限元分析結果實驗驗證

為了驗證有限元計算結果的準確性，將實際現場監測結果與有限元仿真計算軸向位移結果進行了比較。根據變電站500 kV GIS設備的實際情況，仿真分析結果表明GIS設備結構中最大位移均出現波紋管膨脹節附近，故主要位移測點為GIS設備管母線上波紋管膨脹節的兩側法蘭以及相鄰支架間筒體中心位置。在每個安裝點安裝溫度和位移傳感器，位移傳感器精度為0.5 mm，溫度傳感器精度為0.5℃，實際監測周期為2天，溫差為-3～15℃，其中9號測點軸向位移監測數據如圖7所示。選取-3～15℃溫度邊界條件下模擬仿真結果與實際檢測筒體軸向位移結果進行對比，如圖8所示，其中監測點編號1，4，7和10為滑動支撐附近筒體位置，5和6為位置為固定支撐附近筒體，2，3，8和9號位置為兩段自平衡式波紋管兩側。由圖8可見，2，3號監測點的位移較大，為壓力自平衡波紋管膨脹節法蘭位置，這兩處的位置都與長度較大的母線筒連接，故產生的變形位移較大，符合實際情況，考慮到變電站GIS設備實際工況存在其他條件影響，比如風振動等以及支管結構等因素影響，實際監測數據與有限元分析數據基本吻合，位移變化趨勢相同。說明有限元軟件進行的計算模型是正確的，可以根據模型進行GIS設備結構相應的分析設計。

圖7 溫度-3～15℃變化，8號測點、9號測點軸向位移監測數據

圖8 -3～15℃溫差下10個監測點的位移變化數據對比

2.3 位移對壓力自平衡波紋管膨脹節支反力影響

由前文整體位移仿真結果可知，在-5～70℃極端溫差下，由于熱脹冷縮，在自平衡波紋管處最大位移值達42.29 mm，為詳細探究位移對于自平衡式波紋管支反力的影響，采用有限元仿真計算了不同位移下自平衡波紋管膨脹節彈性支反力，波紋管一端固定，另一端軸向拉伸和壓縮1～40 mm，根據設計圖紙，拉桿與中間平衡波紋管之間的螺母預留間隙值為35 mm。

壓力自平衡波紋管膨脹節軸向拉伸和壓縮位移為±25 mm的位移分布圖如圖9所示。拉伸時最大位移出現在平衡波紋管的左側法蘭以及右側工作波紋管的右側法蘭，壓縮時最大位移出現在平衡波紋管的右側法蘭以及工作波紋管的左側法蘭，這是由于管道的膨脹量由工作波紋管的變形來吸收，并且一部分的膨脹量通過剛性拉桿傳遞到了平衡波紋管，使得平衡波紋管也產生變形。圖10為壓力自平衡波紋管膨脹節波紋管位移-彈性支反力曲線。可以看到，當膨脹節軸向位移小于預留間隙35 mm時，兩端關聯結點的彈性支反力較小，支反力與位移呈正比關系，此時波紋管膨脹節的剛度是兩工作波紋管和一平衡波紋管剛度之和；但當管母線實際伸縮量大于預留間隙35 mm時，支反力突然增大，此時波紋管膨脹節的剛度由長拉桿拉伸剛度和法蘭盤彎曲剛度決定。此時支反力將通過拉桿和法蘭反作用于母線筒體和筒體支撐結構，會在筒體和固定支撐焊接位置產生明顯應力集中，嚴重時會造成筒體失效泄露、支架變形以及法蘭面漏氣等問題，嚴重影響GIS設備的正常運行，因此，在對GIS設備管道的運行狀態進行監測時，需要掌握其螺母預留間隙值，預防可能出現的應力集中現象。

3 結論

針對500 kV變電站GIS設備采用ANSYS軟件仿真計算了不同溫差工況下整體GIS管道母線的應力與應變規律，同時與實際監測數據進行對比，驗證仿真分析的可靠性，對GIS設備的結構優化和監測預警提供理論依據。此外還探究了不同軸向伸縮位移自平衡式波紋管膨脹節支反力的變化規律，結論如下：

圖9 軸向拉伸、壓縮位移25 mm時波紋管整體位移分布

圖10 壓力自平衡式波紋管膨脹節位移-支反力曲線

（1）在整體結構模型仿真中，不同溫差工況下，由于熱脹冷縮，最大軸向位移均位于自平衡式波紋管兩側，同時，最大應力點位于外端自平衡式波紋管；在極限工況下位移變化很大，而當波紋管膨脹節未能完全吸收母線筒熱脹冷縮的位移量，產生了極大地變形抗力，出現了明顯應力集中，GIS設備中母線筒與波紋管膨脹節的連接處均可能出現應力集中現象而產生屈服甚至開裂。

（2）仿真軸向位移與實際檢測數據相比，考慮到設備還受到風振動，地基沉陷等工況影響，實際監測數據與有限元分析數據吻合，位移變化趨勢相同。說明有限元軟件計算模型是可靠的，可根據模型進行GIS設備結構相應的分析設計和校核。

（3）自平衡波紋管膨脹節中，工作波紋管和平衡波紋管之間的螺母預留間隙值對于波紋管彈性支反力影響很大，當母線實際伸縮量大于預留間隙時，支反力突然增大，過大的支反力作用于筒體將會帶來失效風險。在實際安裝、設計以及運行監督過程中，應具體考慮不同地區溫度情況，嚴格按照標準操作，避免使用不當使波紋管膨脹節未正常發揮應有作用而發生部件失效。