220 kV GIS設(shè)備局部結(jié)構(gòu)有限元分析

張　晶，管延錦，菅明健，張都清，牟　玥

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南　250061；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南　250003）

220 kV GIS設(shè)備局部結(jié)構(gòu)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南250061；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南250003）

以變電站220 kV GIS設(shè)備為參考，建立局部結(jié)構(gòu)的有限元模型并進行分析。分析結(jié)果表明：螺栓沿軸向伸長，法蘭沿Z方向發(fā)生變形，均會導(dǎo)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(yīng)力較大，維護時應(yīng)根據(jù)波紋管的伸縮量加以調(diào)整；彎管連接處因缺乏有效支撐，其Z方向位移較大，設(shè)計中應(yīng)采取措施加以改進。

GIS；局部結(jié)構(gòu)；有限元分析；結(jié)構(gòu)分析

0　引言

金屬封閉氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)變電站中。但近年來，GIS設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)了氣體泄漏問題，嚴重影響了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。針對此類問題國內(nèi)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(jié)無法正常補償伸縮量、主母線結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等［1-3］，除此之外還對設(shè)備結(jié)構(gòu)強度等其他方面的原因進行了深入分析［4-10］。

但針對GIS設(shè)備泄漏問題的分析存在以下問題：一是國內(nèi)外對GIS設(shè)備殼體結(jié)構(gòu)的分析多為三通、四通結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)類型如彎管等研究較少；二是對于GIS螺栓法蘭密封結(jié)構(gòu)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(jié)法蘭等結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(jié)以及彎管連接等結(jié)構(gòu)進行細化，并建立了有限元模型，分析局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形情況，期望通過有限元分析對現(xiàn)有GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)的維護和改善提供一定的參考。

1　GIS設(shè)備局部結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1局部結(jié)構(gòu)分析模型

細化220 kV GIS設(shè)備的局部結(jié)構(gòu)后，建立了如圖1所示的螺栓法蘭連接、彎管連接結(jié)構(gòu)以及波紋管膨脹節(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(gòu)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(wǎng)格劃分

有限元分析中的材料屬性均根據(jù)變電站220 kV GIS設(shè)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(huán)氧樹脂制成；波紋管及其法蘭的材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti不銹鋼；螺栓、螺柱等零件材質(zhì)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(jié)構(gòu)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(wǎng)格形式以及網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格劃分：選用Solid187十節(jié)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(wǎng)格劃分；選取Solid185八節(jié)點六面體單元進行網(wǎng)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(jié)點四邊形殼單元進行網(wǎng)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(shù)目為534 939，節(jié)點數(shù)396 012；彎管連接模型單元數(shù)目為163 646，節(jié)點數(shù)目為113 974；波紋管膨脹節(jié)模型單元數(shù)目為1 031 504，節(jié)點數(shù)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(xiàn)。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(jié)構(gòu)和波紋管膨脹節(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)、外表面分別施加0.6 MPa和0.1 MPa的壓力；對結(jié)構(gòu)施加重力載荷；因螺栓法蘭連接、波紋管膨脹節(jié)以及彎管連接結(jié)構(gòu)模型均為局部模型，因此需在主母線殼體端部截面的節(jié)點上施加其余結(jié)構(gòu)對其產(chǎn)生的作用力，作用力大小為

式中：P1為內(nèi)壓大小，MPa；P2為外壓大小，MPa；D1為主母線筒殼體內(nèi)徑，mm；D2為主母線筒外徑，mm；N為端部截面處節(jié)點數(shù)量。

2　結(jié)果分析

2.1螺栓法蘭連接

GIS設(shè)備螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)眾多，對設(shè)備安全穩(wěn)定運行具有至關(guān)重要的影響。螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖2所示。在設(shè)備工作過程中，螺栓沿軸向發(fā)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(yīng)力較大（圖2（b））；母線筒法蘭沿Z方向出現(xiàn)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(nèi)側(cè)變形量大于外側(cè)。以上情況均會導(dǎo)致法蘭連接處的密封性能下降。因此，在設(shè)備檢測和維護過程中，應(yīng)重點對法蘭連接處的密封性能進行監(jiān)測。

圖2　螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

2.2彎管連接結(jié)構(gòu)

彎管連接結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)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(guān)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(yīng)力較大。因此，設(shè)計人員應(yīng)考慮通過增加有效支撐零件等方式對該部分結(jié)構(gòu)進行改進，以減小Z方向變形、緩解支撐桿應(yīng)力。

2.3波紋管膨脹節(jié)

波紋管膨脹節(jié)是補償GIS設(shè)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(shè)備產(chǎn)生巨大影響，因此對波紋管以及波紋管膨脹節(jié)的法蘭和螺栓等結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(jié)果

圖3　彎管連接結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果

波紋管最大應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)力波動比較明顯，在波谷附近應(yīng)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(chǎn)生較大的應(yīng)力 （圖5 （a）），彎曲主要是由于膨脹節(jié)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(jié)法蘭中心區(qū)域Z方向變形大于膨脹節(jié)法蘭四角處的變形，使得螺柱發(fā)生一定程度的彎曲變形，從而產(chǎn)生較大應(yīng)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(jié)法蘭變形不均勻的情況。因此在設(shè)備維護時，應(yīng)注意對膨脹節(jié)的變形進行檢測并調(diào)節(jié)其螺柱，改善法蘭的不均勻變形情況，緩解螺柱上的應(yīng)力。此外，設(shè)計人員可以考慮對于其結(jié)構(gòu)進行改進，以解決上述問題。

圖5　膨脹節(jié)螺栓與法蘭的有限元分析結(jié)果

3　結(jié)論

在法蘭連接處，沿法蘭徑向內(nèi)側(cè)變形量大于外側(cè)，導(dǎo)致法蘭連接處密封性能下降，應(yīng)重點對該處密封性能進行監(jiān)測；彎管連接處缺少有效支撐約束，Z方向位移較大，設(shè)計中應(yīng)采取措施加以改進；波紋管雙頭螺柱由于彎曲應(yīng)力較大，在維護中應(yīng)及時調(diào)節(jié)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(yīng)力和變形。

［1］曲文韜，黃銳，呂俊濤.220 kV GIS設(shè)備漏氣原因分析及預(yù)防措施［J］.電力科學(xué)與工程，2013，29（8）：21-25.

［2］張守勛，鄧科，張舜，等.500 kV GIS設(shè)備漏氣原因分析及改進工藝［J］.湖北電力，2014，38（2）：58-60.

［3］張四江，王軍，宋小衛(wèi).750 kV GIS設(shè)備漏氣原因分析及處理方法［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（10）：56-58.

［4］岳希明，王培萍，李偉然，等.GIS母線筒殼體的應(yīng)力分析［J］.化學(xué)工程與裝備，2011（7）：8-10.

［5］侯月玲，李育文，王寧，等.基于ANSYS的GIS殼體應(yīng)力分析研究［J］.煤礦機械，2009，30（4）：53-55.

［6］張斯亮，楊宇峰，王峰，等.法蘭聯(lián)接強度和密封性能的有限元分析［J］.當(dāng)代化工，2013，42（10）：1 468-1 471.

［7］王立滿，邵松林.基于有限元方法的螺栓法蘭連接密封性能分析［J］.河南科技，2014（2）：23-24.

［8］萬宏強，汪亮，劉揚，等.基于ANSYS的U型波紋管參數(shù)計算與分析［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，28（2）：123-128.

［9］Mingjian，J，Guangcheng，Z，Duqing，Z.Finite Element Analysis of the Shell of GIS BusbarTube［J］.Advanced Materials Research，2014，889-890：1 406-1 409.

［10］王聰.GIS管母線力學(xué)性能的有限元分析與研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2014.

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(jié)構(gòu)的有限元分析。