基于SolidWorks和ANSYS Workbench的充氣柜氣箱結構仿真與優化

李 勇，趙 順，辛道越

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

隨著經濟社會的不斷發展，工程建設的復雜程度也在不斷加大，用戶對電氣開關設備小型化、免維護、智能化的要求越來越高。中壓領域尤其是在35 kV電壓等級，C-GIS由于氣體絕緣開關柜的一次高壓部分完全密閉在充氣隔室內，產品在環境耐受性方面有特殊優勢，特別適用于高潮濕、高污染、高海拔等地區。充氣式開關柜由于其免受外部環境影響，所以深受用戶青睞。但是在實際并網運行過程中，充氣箱體漏氣故障率居高不下。而氣箱一旦漏氣，必將引起設備絕緣性能、開斷性能的下降，嚴重影響了產品安全運行[1]。

因此，氣箱作為充氣式開關柜的重要組成部分，是母線充氣隔室和斷路器充氣隔室的殼體，也是充氣式開關柜正常工作的核心部件。針對某型號35 kV充氣式開關柜的氣箱而言，其要有可靠的強度，能夠承受住相對壓力為0.03 MPa的絕緣氣體正壓力，且氣箱不得有損傷和不允許的永久變形，以滿足充氣柜的正常運行；另外氣箱也應有嚴格的密封性和精確的形位精度，以滿足氣箱充氣后無泄漏的要求及整體裝配質量的要求[2]。因此，氣箱強度決定著氣箱密封性和安裝精度，當氣箱強度不足產生變形時，側并套管、母聯器、連接件等亦會產生變形，密封性和安裝精度也都會受到影響。

本文從氣箱變形與加強筋的布置方式進行分析，基于ANSYS Workbench有限元分析，獲得氣箱核心部位變形量的數據及不同加強筋布置方式的變化規律；優化了氣箱結構，減小了充氣之后氣箱的變形量，且使充氣式開關柜氣箱各個部位的局部應力在材料許用范圍內，驗證了該型號充氣式開關柜設計的可靠性與穩定性。

1 開關柜主要結構模型構建

1.1 相關結構尺寸與參數確定

該型號充氣式開關柜是由上下氣箱（母線充氣隔室和斷路器充氣隔室）、前后柜體（低壓儀表室和泄壓通道）、鋁型材底座（電纜隔室）及相應的電氣元件4個部分組成。其中氣箱作為充氣式開關柜正常工作的核心部件，由上氣箱、下氣箱、用于上下氣箱連通及緊固的連接裝置、氣箱內部銅排及相關的電氣元件組成。一次方案原理圖和柜子整體結構示意圖如圖1和圖2所示。其中A為上氣箱（母線充氣隔室）、B為下氣箱（斷路器充氣隔室）、C為前柜（低壓儀表室）、D為鋁型材底座（電纜隔室）、E為后柜上（泄壓通道）、F為后柜下（泄壓通道）。

圖1 一次方案原理

圖2 柜子整體結構示意圖

由一次方案原理圖可知本型號的充氣式開關柜包含三位置隔離開關、斷路器、避雷器等電氣元件，且斷路器布置在下氣箱當中，已知斷路器機構的相間距為210 mm，斷路器結構尺寸及安裝位置，要求該氣箱在電壓等級為35 kV時，且考慮以低壓力SF6氣體作為絕緣介質、海拔低于1 000 m時，保證氣箱內部清潔度等級的條件下，要確保在金屬封閉的氣箱內，相間或者相對地絕緣距離不小于60 mm[3]。在爬電距離方面提出了十分嚴格的要求，通過添加屏蔽罩、對導電件進行圓角處理等措施，保證了高壓開關柜中各組件及其支撐絕緣件（純瓷及有機絕緣件）的外絕緣爬電比距（高壓電器組件外絕緣的爬電距離與額定電壓之比）；另外在充氣式開關柜使用環境較潮濕的場所，為了防止發生凝露，在開關柜中的電纜室，斷路器室加入帶溫控裝置的加熱器[4]。

經計算得知，該型號的充氣式開關柜整體尺寸為：寬800 mm、深1 800 mm、高2 250 mm。具體對于上下氣箱而言，其尺寸分別為：上氣箱寬800 mm、深800 mm、高670 mm和下氣箱寬800 mm、深1 300 mm、高795 mm。

1.2 結構分析及簡化

由1.1節可知，該型號的充氣式開關柜的主要結構尺寸及參數已確定，借助SolidWorks軟件構建起該柜的三維樣機模型如圖3所示。由圖可知，后柜上和后柜下是上下氣箱（母線充氣隔室和斷路器充氣隔室）的泄壓通道，因為在高壓輸配電設備運行過程中，會因短路、絕緣老化、人員操作不當等原因，使高壓開關設備在極高的短路電流下瞬間產生高壓高溫氣體，若這些高壓高溫氣體在狹小的柜體內不能在極短的時間內進行有效地釋放，就會造成柜體開裂、并柜設備損壞以及傷害人員安全的后果。因此當充氣式開關柜發生事故導致氣箱后端的防爆膜炸開之后，可迅速借助該通道將高壓高溫氣體從頂部排出，起主要泄壓作用[5]。前柜是充氣式開關柜的低壓儀表室，一些諸如智能電能表、繼電保護器等二次電氣元件可以放置在此處。鋁型材底座（電纜隔室）作為氣箱的主要承重部件，具有抗震的作用。而針對本文的研究對象—氣箱，是以低壓力SF6氣體（經實測氣體額定充入壓力為0.03 MPa（20℃表壓）作為主絕緣介質，將斷路器、三位置隔離開關、分支母線等高壓帶電一次元件完全封閉在一個獨立的3 mm厚不銹鋼氣箱。

圖3 該柜的三維樣機模型示意圖

由圖4可知，上氣箱當中有三工位機構安裝板、側并套管、后封鋁板、上下氣箱連接絕緣子等結構件及電氣元件，根據1.1節可知上氣箱的尺寸為：寬800 mm、深800 mm、高670 mm；已知在實際應用過程中發現該型號的充氣式開關柜上氣箱變形量并不明顯，且上氣箱結構也有著較好的密封性。而下氣箱僅在氣箱的前、后、上下端安裝有斷路器安裝板、后封鋁板及內錐插座安裝法蘭板，在氣箱的左右兩側板上無電氣元件的固定點（面），只能靠加強筋起到抑制變形的作用。因此，本文針對氣箱的研究主要集中在下氣箱的左右兩側板位置，具體而言是驗證側板變形與加強筋之間的關系；此時在下氣箱的前、后、上下端安裝的電氣元件相較于下氣箱兩側板加強筋（角加強筋）的緊固作用可以忽略不計，因此在省略其他無關影響因素之后，簡化后下氣箱的主要結構如圖5所示。

圖4 上下氣箱結構示意圖

圖5 簡化后下氣箱主要結構示意圖

2 開關柜氣箱結構有限元分析

2.1 加強筋與氣箱強度的影響

由第1節可知，影響該型號的充氣式開關柜氣箱變形主要位于下氣箱的左右側板位置，如果氣箱兩側面變形量不加以控制，那么不僅會對后面的拼柜會產生不良影響，還會造成氣箱內部氣體的泄露，影響產品的氣密性和可靠性。簡化后的下氣箱側板結構如圖6所示。

圖6 簡化后下氣箱側板結構示意圖

由圖可知下氣箱左右側板任一截面可以近似等效為簡支梁的方式，加強筋作用在下氣箱側板上的受力示意圖如圖7[6]所示。

在圖7中，中間點C的擾度f為：

圖7 下氣箱側板上的受力示意圖

由式（1）可知，慣性矩IX越大，擾度fC越小；長度a越小，擾度fC也越小。故為了降低下氣箱左右側板的變形，有效的方式是增大加強筋截面慣性矩以及減小加強筋a的長度。

在該型號的充氣開關柜氣箱當中，選取的加強筋形式主要為U型加強筋，其結構示意圖如圖8所示[7]。

圖8 U型加強筋的結構示意圖

式中：IX為慣性矩，cm4；e1為重心S到相應邊的距離，cm；e2為重心S到相應邊的距離，cm。

根據式（1）～（3）及廠內加工工藝的實際情況，該型號的充氣式開關柜下氣箱左右側板上焊接的加強筋為U型加強筋，且選取的U型加強筋橫截面尺寸：B=40 mm、H=20 mm、b=35 mm、d=3 mm。

2.2 氣箱結構靜力學分析

眾所周知，在對某些重要零部件表面上焊接加強筋，可以有效地增強該零件的強度。由2.1節已經選擇好加強筋的類型，故在本章中針對該型號充氣開關柜下氣箱左右側板強度的分析，主要是考慮加強筋的布置方式及數量的影響[8]。

強度是指金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。金屬在外力作用下的變形可分為彈性變形、彈塑性變形和斷裂3個連續的階段。在應力達到屈服極限時，材料出現明顯塑性變形；當應力到強度極限時，材料會斷裂團[9]。因此要在下氣箱左右側板上合適的位置焊接加強筋，以達到增大局部強度，降低失效風險的目的。

2.2.1 模型的前處理

借助前兩章節的研究，已經得到氣箱和加強筋的結構尺寸和三維模型，可通過SolidWorks軟件將簡化修改好的三維模型另存為“x-t”格式，然后導入ANSYS Workbench軟件中的結構靜力學分析模塊，定義U型加強筋和下氣箱左右側板的材料均為“不銹鋼1Cr18Ni9 Ti”；當U型加強筋通過焊接到板材表面時，需要定義接觸方式來提供不同部件之間載荷傳遞的方法，具體對于下氣箱左右側板與U型加強筋的焊接方式而言，該型號充氣式開關柜的氣箱焊接是選擇機器人滿焊接的方式，即在軟件中采用的是固定“bonded”的接觸組裝方式，由于U型加強筋與板材形狀較為規整，無異形結構，為節約計算時間，故選擇“整體網格劃分控制”將“Relevance Center”和“Span Angle Center”選 擇“Fine”，“Relevance”的數值定義為100，“Element Size”和“Defeature Size”選擇“Default”即可。對于本本的載荷及約束的施加，邊界約束“Fixed Support”要選中板材的四周位置；對于壓力“Pressure”而言，本例在氣箱內部充注0.03 MPa壓力氣體，即板材表面受到垂直其方向的“Pressure”，大小為0.03 MPa。

2.2.2 模型的分析求解

為提高網格劃分的效率，充分發揮計算機的性能，大大縮短仿真分析的求解時間，特在ANSYS Workbench軟件中打開并行計算設置，點擊“Tools”→“Solve Process Settings”→“My Computer”→“Advance”，修改“Max number of utilized cores”數目為2，選擇“use GPU accelerate”為“NVIDIA”[10]。

2.2.3 氣箱結構靜力學分析

通過2.1章節的探討，已經確定好焊接到下氣箱左右側板上的加強筋類型為U型加強筋，那么在ANSYS Workbench軟件中的結構靜力學分析模塊中，只用考慮加強筋的“數量”及“布置方式”對下氣箱左右側板強度的影響，故選擇使用“Directional Deformation”1.0倍（True Scale）的云圖來直觀明了地反映氣箱頂封板在受到0.03 MPa壓力作用下，在X軸方向（即垂直于板面方向）抵抗氣箱變形的能力[11]。

通過采用縱向和橫向比較來分析U型加強筋對板材的影響（縱向：分析相同數量的U型加強筋采用不同布置方式時對下氣箱左右側板產生的強度影響；橫向：分析相同布置方式的U型加強筋采用不同數量時對下氣箱左右側板產生的強度影響），具體分析對比結果如圖9和表1所示。

表1 不同數量加強筋焊接距離數據對比分析

圖9 縱向/橫向云圖對比分析結果

2.3 氣箱結構優化驗證

為了更好地驗證利用ANSYS Workbench軟件得到的結果，我司對該型號的充氣式開關柜采用試驗驗證與模擬仿真相結合的方式，通過試制多臺采用不同布置方式及數量的U型加強筋的氣箱，測量與觀察加強筋焊接到氣箱側板內壁之后，實際測量下氣箱左右側板的變形量，進一步的證實了2.2章節的結論。

對豎直焊接7根U型加強筋的下氣箱左右側板進行應力分析可以發現其結構受到最大應力為139.9 MPa，且側板和加強筋材質為304不銹鋼材料，在常溫靜態載荷下，考慮安全系數n=2.0，故其許用應力為：

式中：[δ]為304不銹鋼材料的許用應力值；δs為不銹鋼材料的極限應力值；n為不銹鋼材料的規定安全系數，此處取塑性材料的上極限值[12]。

由計算可知，側板和加強筋結構材質滿足強度要求。此外對側板進行應變分析可以發現其最大變形量為2.3 mm，變形量極小，對充氣式開關柜設備正常工作幾乎沒有影響，可以不作考慮。因此，下氣箱結構滿足設計要求，且采用豎直焊接的方式要比其他焊接方式抑制氣箱的變形量效果更好。圖10和表2可以分別從實際感觀和數值對比的角度來說明情況。

圖10 改進后整體設備的實物

表2 本次案例的加強筋與板材變形量數據統計

3 結束語

雖然在本文中存在多變量因素對結果產生影響的風險，但可采用統計學中的多變量分析法，利用多因素回歸分析的思想，對眾多結果進行抽絲剝繭分析，逐步找到影響結果的關鍵因素。

通過前文中采用ANSYS Workbench軟件中的結構靜力學分析與試制樣機的辦法，通過“Directional Deformation”的云圖及實物變形測量的數據可知：當相同數量的U型加強筋采用豎直布置方式時，對下氣箱左右側板產生變形的抑制效果更好；當相同布置方式的U型加強筋采用較多數量時，對下氣箱左右側板產生變形的抑制效果更好，但在下氣箱左右側板上豎直布置7根U型加強筋，其相間距和到前后板邊的距離為162.5 mm時，達到最優效果，實現加強筋數量（布置方式）與板材強度匹配的最優解，為下一步產品大批量生產和優化降本提供了有力的依據和參考。