基于ANSYS Workbench的絕緣臺優化設計

王兆珉 張慶友 許寶波 王巖 敬成偉

（1.山東泰開高壓開關有限公司 2.泰山智能制造產業研究院）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備已在電力系統中得到廣泛應用。絕緣臺作為GIS中的關鍵部件，起支撐滅弧室的作用，用量較大，因此其性能好壞對GIS和電網運行安全的影響十分突出。絕緣臺的結構設計不僅要關注絕緣性能，也要注重機械強度。在安裝、運行、檢修等工況下，絕緣臺經常承受的機械載荷為扭轉、剪切、彎曲和擠壓，如果在這些應力分布不均勻的情況下絕緣臺出現破裂，將直接嚴重影響GIS的整體運行。因此，在設計時除了提高材料本身的強度，還要保證電、熱等性能，在結構上應使應力分布均勻，以提高整體的機械強度，保證電站的安全運行。

機械強度是衡量絕緣臺性能非常重要的質量指標之一。絕緣臺結構較為規則，應力分布情況較為簡單，研究絕緣臺上的應力分布規律有利于找出結構設計的薄弱部位及設計裕度較大的部位，為絕緣臺的結構優化提供理論基礎，以此提高絕緣臺的運行可靠性和經濟性，保證電網供電安全可靠。

本文利用ANSYS Workbench軟件對252kV GIS及126kV GIS用絕緣臺進行力學分析及優化，達到減輕重量、降低成本的目的。對優化后的模型進行力學試驗，試驗結果驗證了優化模型的可行性與經濟性，從提高機械強度的角度為公司其他電壓等級的絕緣臺結構設計及后續優化提供了重要的理論依據與試驗基礎。

1 252kV GIS用絕緣臺應力仿真

252kV GIS用絕緣臺由以氧化鋁為填料的環氧樹脂及鋁制嵌件制成。嵌件表面滾花，以增強與樹脂的結合力；嵌件表面涂抹半導電膠[1]，半導電膠夾在嵌件與樹脂之間有如下作用：

1）雖然嵌件采用熱膨脹系數與樹脂相近的鋁材加工，但膨脹系數仍有差異，而導電膠可以對熱膨脹（冷收縮）應力起緩沖作用。

2）當嵌件承受的力達到一定值時，會產生微小位移，無導電膠時形成空穴導致局部電場及局部放電量增大。涂敷導電膠后，利用它的彈性變形可消除這種空穴。

3）利用導電膠的半導電特性，減少嵌件與絕緣件之間的電位差，有利于降低嵌件表面的最大場強。

1.1 建立有限元模型

考慮到嵌件在力學分析中不作為研究對象，在模型中進行簡化去掉，為模擬實際工況，用Solid Works建立模型，生成x-t文件導入Workbench中，添加模型材料屬性、控制網格大小、進行網格六面體主導劃分，調整網格關聯中心、平滑度和過渡，以得到良好的網格質量。計算模型示意見圖1，表1為材料主要技術參數[2]。在該計算模型中，嵌件與絕緣臺結合內外部均為圓滑過渡。

圖1 計算模型

表1 主要技術參數

1.2 邊界約束及載荷施加

按照技術參數中抗彎、抗扭及抗拉要求來施加載荷，根據實際使用工況將絕緣臺下部嵌件固定約束，對上部嵌件施加載荷，其約束及載荷示意見圖2。

圖2 約束及載荷模型

1.3 計算結果及分析

計算的絕緣臺應變、平均等效應力分布云圖分別見圖3、圖4。

圖3 應變分布示意

圖4 應力分布示意

從絕緣臺應力分布圖中可以看出，應力最大值集中在下部嵌件與環氧樹脂接觸處，此處應力為83.155MPa。該處為一個應力畸點，是由于軟件網格劃分不良造成，作者忽略不考慮該點。查看其周圍應力最大為74.086MPa，小于環氧樹脂澆注件I級破壞壓力120MPa，仿真結果滿足設計要求。當下部嵌件固定，預測試驗時斷裂部位為下部嵌件與絕緣臺結合部位，反之則為上部嵌件與絕緣臺結合部位。

2 252kV GIS用絕緣臺優化后的應力仿真及試驗

2.1 優化后應力仿真

由仿真結果可知，設計裕度過大，造成成本過高，對其進行減重降本優化。具體為在下部嵌件與絕緣臺結合處外部用大圓弧過渡，在上部嵌件與絕緣臺結合處內部用大圓弧過渡，絕緣臺中間部位的用料就能節省很多。優化后模型示意見圖5。

圖5 優化后計算模型

按照前述步驟對優化后的模型進行仿真，仿真結果見圖6、圖7。

圖6 優化后應變分布示意

圖7 優化后應力分布示意

從優化后絕緣臺應力分布圖中可以看出，應力最大值集中在下部嵌件與環氧樹脂接觸處，此處應力為103.51MPa。該處為一個應力畸點，是由于軟件網格劃分不良造成，作者忽略不考慮該點。查看其周圍應力最大為94.188MPa，小于環氧樹脂澆注件I級破壞壓力120MPa，仿真結果滿足設計要求。當下部嵌件固定，預測試驗時斷裂部位為下部嵌件與絕緣臺結合部位，反之則為上部嵌件與絕緣臺結合部位。優化前后應力、應變對比如表2所示。優化后應力、應變雖然大于優化前，但符合設計要求。

表2 優化前后應力、應變對比

2.2 優化后試驗驗證

對優化后絕緣臺進行抗拉、抗彎試驗。

1）抗彎試驗平臺見圖8。根據平臺實際情況，現用工裝固定上部嵌件，在下部嵌件工裝上施加彎矩≥9500N·m（折合為32.8kN）。

圖8 優化后模型抗彎試驗

抗彎破壞試驗結果見圖9。

圖9 優化后模型抗彎破壞結果

試件在52.7kN時，在上部嵌件與絕緣臺結合部位斷裂，符合仿真試驗結果及設計要求。

2）抗拉試驗平臺見圖10。用工裝連接上、下部位嵌件，施加拉力≥22000N。

圖10 優化后模型抗拉試驗

抗拉試驗數據見圖11，試件在拉至120.59kN時沒有拉斷跡象，以5.5倍于技術要求的破壞拉力，完全符合設計要求，所以后續沒有做抗拉破壞試驗。

圖11 優化后模型抗拉數據

3 126kV GIS用絕緣臺優化及試驗

鑒于252kV GIS用絕緣臺優化及試驗的成功，向126kV GIS用絕緣臺進行推廣應用。其優化方式與252kV GIS用絕緣臺相似，都是將嵌件與絕緣臺結合部位的過渡用大圓弧代替，可以節省中間部位用環氧樹脂。其優化前后模型如圖12所示，技術要求如表3所示。

圖12 優化前、后計算模型

表3 126kV GIS用絕緣臺技術要求

優化后絕緣臺進行抗彎、抗拉試驗情況如下。

1）抗彎試驗平臺見圖13。用工裝固定下部嵌件，在上部嵌件工裝上施加彎矩≥10000N·m。

圖13 優化后模型抗彎試驗

抗彎破壞及試驗結果見圖14。

圖14 優化后模型抗彎破壞試驗

試件在10000N·m時無裂紋，經X光探傷內部無損傷，繼續增大彎矩至11600N·m時破壞，破壞從下部嵌件與環氧樹脂結合處開始。

2）抗拉試驗平臺同圖10，抗拉探傷及破壞試驗結果見圖15。

試件在40kN時無裂紋，經X光探傷內部無損傷，繼續增大拉力至96kN時破壞，以2.4倍于技術要求的破壞拉力，滿足設計要求，其破壞部位與仿真結果一致。

4 結束語

本文以252kV GIS及126kV GIS用絕緣臺為研究對象，經過有限元軟件仿真，優化后的絕緣臺滿足設計要求。進行的抗拉、抗彎試驗驗證了仿真的正確性，為公司其他電壓等級絕緣臺的結構設計及優化提供理論依據與試驗基礎。

圖15 探傷及破壞結果

根據有限元仿真、試驗驗證結果以及試驗后的斷裂部位，還可得出以下結論：

1）從仿真結果來看，嵌件周圍的環氧樹脂應力較大，最大應力出現在下部嵌件與環氧樹脂結合部位。

2）從絕緣臺抗彎及抗拉破壞試驗結果來看，破裂部位發生在嵌件與環氧樹脂結合部位附近，驗證仿真的正確性。

3）優化前后對比可知，在絕緣臺中間部位適當減薄，在嵌件和絕緣臺結合部位用大圓弧過渡，能達到兼顧綜合力學性能和經濟性的效果。