GIS設備殼體溫變行為仿真結構建模研究

華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司 蔣池劍 王梓琪 余租良 濟大學電氣工程系 沈小軍

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）已逐漸取代傳統變電設備廣泛應用于各電壓等級的變電站中，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有發生[1]，同時國網公司編制下發的《國家電網公司戶外GIS設備伸縮節反事故措施》和《輸變電設備物聯網建設方案》均指出應加強對戶外GIS設備異常溫變行為的監測與預防[2-3]。

文獻檢索資料表明，對于GIS設備溫變行為的研究逐漸引起了國內外學者的重視。張晶等人分析了GIS設備母線筒法蘭結構的仿真結果，認為在母線筒法蘭處內側變形量大于外側，會導致法蘭連接密封性下降[4]。徐節等人觀測了波紋管和固定支撐腿的位移變化，建議對母線筒采用滑動支撐的方式，并指出固定支撐存在強度不足的隱患[5]。李大權等人總結了蘭州東變電站的運行經驗，提出利用主剛固定支架、伸縮節、滑塊支架與次剛固定支架配合的方法來解決長母線筒端部的位移問題[6]。陳強等人建立了GIS母線的多物理場耦合有限元模型，分析了外部氣候條件對GIS母線筒溫度分布的影響[7]。楊志軼等人對GIS母線進行了熱脹冷縮分析與計算，建議采用柔性支架進行溫變位移補償[8]。李海波等人對蘭州東變電站GIS的固定支撐、溫補伸縮節位移量進行分析，發現母線筒連接面漏氣等缺陷的主要原因是固定支架設計及溫補伸縮節安裝調整的問題[9]。王軍飛等人就膨脹節的長度調節、設置原則、調節方法等幾方面對GIS用金屬波紋管膨脹節進行了探討[10]。Nesrine Rebzani等人提出了一種用于GIS母線溫升預測的多物理數值模型，認為利用數值仿真可以準確可靠地預測GIS設備的溫升[11]。阮江軍等人結合電氣設備智能運維的發展需求介紹了電氣設備熱點溫升、材料參數等基于多物理場分析的智能反演檢測研究方面取得的成果[12]。

但上述研究主要側重于GIS設備局部的建模仿真和理論計算，對于不同結構間的相互耦合作用考慮不足，無法準確反映GIS設備整體的實際情況。近年來得益于三維感知技術和計算機算力的提升，集成了多物理場、多尺度和概率性仿真的數字孿生技術取得了大幅進步，能夠在數字化平臺內建立并模擬一個物理實體。數字孿生體的建模精度越高，則越能準確地反映物理實體在現實環境中的狀態，而時效性則會相應降低。因此數字孿生技術應用于GIS設備異常溫變行為監測與預防時，面臨著時效性和精確性難以平衡的挑戰。

鑒于此，本文研究了基于數字孿生技術的GIS殼體溫變行為建模仿真方法，并據此建立了同一220kV GIS殼體不同精度的數字孿生體模型，對比驗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，有助于更加準確地反映實體GIS設備的溫變行為，指導檢修及維護工作。

2 GIS殼體結構簡化及等效

實體GIS設備結構復雜、附屬設施較多，且軸向跨度較大。其中附屬設施與GIS母線筒并非剛性連接，當母線筒由于溫度變化而產生軸向伸縮時，附屬設施受到的影響較小，所以建立包括附屬設施在內的GIS殼體模型不僅會大幅提高后續仿真計算成本，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所示的螺栓進行固定，而螺栓的熱脹冷縮量與母線筒相比可以忽略不計，所以此處只需要建立帶有法蘭盤結構的母線筒、波紋管和盆式絕緣子。同時，根據國家電網公司的統計數據，目前已經投運的GIS設備溫變故障主要表現為四類，按照出現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%）和基礎變形（8.58%）。統計結果表明支撐腿、母線筒和盆式絕緣子發生溫變故障的頻率顯著高于基礎變形出現的頻率，而波紋管作為吸收補償GIS殼體溫變位移的關鍵結構，同樣需要準確體現在GIS殼體實景模型之中。

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支撐兩種，若支撐腿相對于金屬底座不會發生任何方向上的滑動，則稱為固定支撐，一般出現在整個GIS設備的兩端、波紋管的一側以及母線筒的轉角處，限制關鍵節點的位移。若支撐腿可以在金屬底座表面發生位移，則稱為滑動支撐，僅發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殼體分割成了多個區間，每個區間的溫變行為具有較強的一致性，同時GIS殼體結構上的對稱性使得由溫度變化等因素引起的應力、應變也呈現相應的對稱性，所以為減少后續仿真運算成本、提高仿真效率，僅需要重構出任意區間內GIS殼體中心對稱面一側的實景模型即可。

GIS殼體不同結構間的等效主要體現在連接方式和接觸情況兩個方面。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行固定，且兩種支撐腿結構方面的區別僅存在于同基礎底座的接觸部分，所以重構時均可統一為相同的結構，然后利用布爾并集操作組合成為一個實體模型，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剛性連接，與母線筒和支撐腿之間剛性連接存在區別。至于GIS殼體滑動支撐腿和固定支撐腿與基礎底座之間的接觸，僅需要通過有限元軟件中不同的接觸屬性進行模擬。

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

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學近似的方法對物理實體進行模擬。它將求解域看成是由許多被稱為有限元的小單元組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件，若結果收斂，則視為問題的解。通過較易求解的問題代替復雜的實際問題，所以這個解不是準確解，而是近似解。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元法最初被應用于航空器的結構強度計算，隨著計算機技術的快速發展和普及，迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。

ABAQUS有限元分析軟件擁有世界上最大的非線性力學用戶群，是國際上公認的最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有強健的計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。無論是分析簡單的線彈性問題，還是包括幾種不同材料、承受復雜的機械和熱載荷過程，以及變化的接觸條件的非線性組合問題；無論是分析靜態和準靜態問題，還是穩態和動態問題；無論是隱式求解，還是顯示求解，應用ABAQUS計算分析都會得到令人滿意的結果，被廣泛應用于機械制造、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研究領域。

采用ABAQUS軟件進行溫變仿真主要包含如下步驟：零部件導入及裝配、賦予材料屬性、設置分析步、定義相互作用屬性、定義邊界條件及載荷、網格劃分、提交任務和后處理。各步驟之間一般不存在固定的先后順序，改變操作順序不會影響分析精度，針對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置兩個方面。

3.2 定義相互作用

ABAQUS接觸對由主面和從面構成，在仿真計算過程中，接觸方向總是主面的法線方向，從面上的節點不能夠穿越主面，但主面上的節點可以穿越從面，原則上優先選擇剛度較大、網格較粗糙的面作為主面，剛度較小、網格較精細的面作為從面。其次還應考慮兩個接觸面間的相對滑動公式，有限滑移公式適用于可以任意滑動的兩個接觸面之間，在整個分析過程中ABAQUS軟件需要不斷地判斷從面節點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點與具體哪一部分主面存在接觸后便在整個仿真計算過程中始終保持，不再發生變化。最后需要考慮接觸對平面間切向行為和法向行為，對于法向行為，ABAQUS提供了硬接觸和指數模型、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，當某些節點之間的接觸壓力變為零或負值時，相應節點雖然沒有分離，但不再受接觸屬性的約束，符合滑動支撐腿與基礎底座間的實際情況。而切向行為提供了庫侖摩擦、拉格朗日摩擦、粗糙摩擦和動力摩擦等模型，其中庫倫摩擦使用摩擦系數表示接觸對之間的摩擦特性。因此，針對GIS殼體實景模型中的接觸而言，即滑動支撐腿下表面與基礎底座上表面的相互作用，應以基礎底座上表面作為主面，滑動支撐腿下表面作為從面，選擇支持任意相對滑動的有限滑移公式和法向不可分離的硬接觸，并將摩擦系數賦予切向行為。

此外，對于空間直角坐標系內的剛體靜態或準靜態分析而言一般考慮六種自由，分別是在x、y、z平面內的平動自由度和繞x、y、z軸旋轉的轉動自由度，ABAQUS軟件需要Constraint模塊定義組成裝配體的各實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、運動約束和分布約束等類型，本文針對GIS殼體實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底座上表面固定在一起，在整個分析過程中不再分開。

綜上所述，GIS殼體不同結構間相互作用屬性設置如表1所示。

表1 GIS殼體不同結構間相互作用屬性設置

3.3 邊界條件設置

空間直角坐標系內的六自由度不僅作用于各實體模型，對于由實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成全約束、關于xoy平面的對稱約束、關于xoz平面的對稱約束和關于yoz平面的對稱約束等。

首先由于第二章節中旨在減少計算成本、節約計算耗時而僅建立了中心對稱平面一側的GIS殼體實景模型，因此需要對中心平面施加對稱約束，使中心平面所包含的節點僅擁有在中心平面內產生位移，從而反映GIS實體設備的對稱性。

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

最終，完成結構的簡化等效以及ABAQUS有限元軟件中的相互作用和邊界條件設置后，GIS殼體實景模型已經足夠反映GIS設備各實體結構的真實耦合關系，后續僅需要施加GIS設備日常運行時經歷的真實溫度變化即可完成溫變行為仿真。

4 案例仿真

4.1 對比模型建立

為驗證本文所提GIS殼體溫變行為仿真方法的可行性，根據第二章節中的結構簡化和體積簡化準則，構建了同一220kV GIS殼體不同精度的數字孿生模型，包含實際GIS設備較多細節的完整模型、經過結構簡化的結構簡化模型和僅保留1/2結構簡化模型的體積簡化模型。

戶外GIS設備所需承受的溫度變化主要由環境溫升和日照溫升決定，實地測量及查閱數據后將仿真溫升確定為40℃，據此施加相應的溫度載荷，同時將重力載荷和設備內部絕緣氣體產生的壓力載荷賦予數字孿生體。同時對三種不同精度的數字孿生模型設置相同的種子密度和網格類型，最終完整模型、結構簡化模型和體積簡化模型的網格數量分別為251031、170779和82323個，可見經過結構簡化之后，GIS數字孿生體的網格數量減少了31.97%，而經過體積簡化之后，GIS數字孿生體的網格數量進一步減少至完整模型的32.79%。

4.2 仿真結果分析

對于GIS設備而言，其母線筒產生的溫變位移主要通過波紋管進行補償和吸收，從而緩解由溫變位移引起的應力集中現象，避免GIS設備最大應力值超過所用材料的屈服極限，進而引起塑性形變，產生安全隱患。因此，針對GIS殼體異常溫變行為的監測與預防主要在于波紋管補償量和GIS最大應力值兩項指標的實時仿真。

表2列出了三種不同精度數字孿生體模型的仿真時長和兩項關鍵指標?？梢园l現，經過不同程度簡化之后的模型，仿真得到的波紋管補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償量的6.67%，而最大應力值最多存在12.4MPa的差距，僅為完整模型最大應力值的3.71%。

表2 不同模型仿真時長和結果對比

通過圖1所示的軸向應力曲線對比可以看出，不同精度數字孿生體的應力分布同樣具有較好的一致性。其次，就仿真時長而言，經過結構簡化之后的數字孿生體模型，仿真耗時減少了18.99%，經過體積簡化之后的數字孿生體模型，其仿真耗時僅為完整模型的39.89%。

圖1 應力曲線對比圖

需指出的是，本文案例分析中的數字孿生體模型僅為兩處固定支撐腿之間相對獨立的一段母線間隔，軸向長度約為16米，而在運的GIS設備往往具有若干類似的間隔，經過結構簡化和體積簡化后的數字孿生體在仿真速度方面的優勢則會得到進一步放大。

綜上所述，本文所提的GIS殼體溫變行為結構建模簡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，有利于提升仿真時效性。

5 結語

母線筒、支撐腿、盆式絕緣子和波紋管是GIS設備發生溫變位移故障的關鍵結構，在進行溫變行為仿真研究時應準確重構，并重點關注。為平衡仿真精度、仿真算力和仿真時效性，在保留關鍵結構的基礎上可以僅建立GIS殼體中心對稱面一側的結構，并舍棄附屬設施等多于結構。GIS殼體不同結構間的等效方式可以歸結為剛性連接、準剛性連接和滑動接觸三種，可以分別通過布爾并集操作、綁定接觸和有限滑移接觸進行模擬。