220 kV GIS设备局部结构有限元分析

张　晶，管延锦，菅明健，张都清，牟　玥

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南　250061；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003）

220 kV GIS设备局部结构有限元分析

张晶1，管延锦1，菅明健2，张都清2，牟玥1

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南250061；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

以变电站220 kV GIS设备为参考，建立局部结构的有限元模型并进行分析。分析结果表明：螺栓沿轴向伸长，法兰沿Z方向发生变形，均会导致法兰连接处密封性能下降；波纹管的伸缩量满足位移补偿要求，但双头螺柱由于弯曲应力较大，维护时应根据波纹管的伸缩量加以调整；弯管连接处因缺乏有效支撑，其Z方向位移较大，设计中应采取措施加以改进。

GIS；局部结构；有限元分析；结构分析

0　引言

金属封闭气体绝缘开关设备（GIS）已被广泛应用于国内变电站中。但近年来，GIS设备在使用过程中出现了气体泄漏问题，严重影响了设备的安全稳定运行。针对此类问题国内外研究人员进行了大量的分析研究工作，认为泄漏的主要原因包括法兰连接处密封不良、波纹管膨胀节无法正常补偿伸缩量、主母线结构设计不合理等［1-3］，除此之外还对设备结构强度等其他方面的原因进行了深入分析［4-10］。

但针对GIS设备泄漏问题的分析存在以下问题：一是国内外对GIS设备壳体结构的分析多为三通、四通结构，其他结构类型如弯管等研究较少；二是对于GIS螺栓法兰密封结构的有限元分析报道较少；三是单纯对于波纹管进行有限元分析无法反映波纹管膨胀节法兰等结构的应力与变形分布情况。针对该问题，对螺栓法兰连接、波纹管膨胀节以及弯管连接等结构进行细化，并建立了有限元模型，分析局部结构的应力与变形情况，期望通过有限元分析对现有GIS设备结构的维护和改善提供一定的参考。

1　GIS设备局部结构有限元分析

1.1局部结构分析模型

细化220 kV GIS设备的局部结构后，建立了如图1所示的螺栓法兰连接、弯管连接结构以及波纹管膨胀节的分析模型。螺栓法兰连接模型包括母线筒壳体、支撑杆、螺栓、法兰、盆式绝缘子；弯管连接结构模型包括母线筒壳体、支撑杆、螺栓、法兰以及盆式绝缘子；波纹管膨胀节模型包括波纹管、法兰、双头螺柱、支撑杆、盆式绝缘子。法兰、支撑杆、盆式绝缘子等零件均采用实体建模方式构建；母线筒壳体和波纹管为曲面模型，其厚度通过单元厚度进行定义。

1.2材料属性与网格划分

有限元分析中的材料属性均根据变电站220 kV GIS设备各类零件实际所用材料确定。其中支撑类零件如支撑杆、出线支架、支座等由Q235钢制成；母线筒壳体和母线筒法兰的材料为ZL114A；盆式绝缘子由环氧树脂制成；波纹管及其法兰的材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢；螺栓、螺柱等零件材质为45号钢。有限元分析中所用材料属性如表1所示。

图1　局部结构有限元分析模型

表1　材料属性

在有限元分析中，对不同零件选取不同单元类型、网格形式以及网格尺寸进行网格划分：选用Solid187十节点四面体单元对出线支架、支撑杆、盆式绝缘子以及支座进行自由网格划分；选取Solid185八节点六面体单元进行网格划分；母线筒壳体、断路器壳体以及波纹管等为曲面模型，选取Shell181四节点四边形壳单元进行网格划分，并定义了壳体厚度为10 mm，波纹管厚度为2 mm；选用Targe170、Conta174单元定义各零件之间的连接和接触。螺栓法兰连接模型单元数目为534 939，节点数396 012；弯管连接模型单元数目为163 646，节点数目为113 974；波纹管膨胀节模型单元数目为1 031 504，节点数目为714 905。

1.3载荷与边界条件

有限元分析中位移边界条件施加如下：支撑杆、出线支架等零件下端施加固定约束；各零件之间的连接和接触通过定义接触对的方式实现。由于实际情况中法兰与法兰通过螺栓进行连接，在螺栓法兰连接结构和波纹管膨胀节的分析中，法兰与法兰接触面定义为可分离接触；为了简化计算，弯管连接结构分析中，法兰间定义为绑定连接。

载荷边界条件施加如下：壳体和波纹管的内、外表面分别施加0.6 MPa和0.1 MPa的压力；对结构施加重力载荷；因螺栓法兰连接、波纹管膨胀节以及弯管连接结构模型均为局部模型，因此需在主母线壳体端部截面的节点上施加其余结构对其产生的作用力，作用力大小为

式中：P1为内压大小，MPa；P2为外压大小，MPa；D1为主母线筒壳体内径，mm；D2为主母线筒外径，mm；N为端部截面处节点数量。

2　结果分析

2.1螺栓法兰连接

GIS设备螺栓法兰连接结构众多，对设备安全稳定运行具有至关重要的影响。螺栓法兰连接结构分析结果如图2所示。在设备工作过程中，螺栓沿轴向发生伸长（图2（a）），降低了对法兰的紧固效果；在母线筒法兰与盆式绝缘子法兰接触面附近螺栓Z方向应力较大（图2（b））；母线筒法兰沿Z方向出现一定量的变形（图2（c）），由图2（d）和图2（e）可见，沿法兰径向，内侧变形量大于外侧。以上情况均会导致法兰连接处的密封性能下降。因此，在设备检测和维护过程中，应重点对法兰连接处的密封性能进行监测。

图2　螺栓法兰连接结构有限元分析结果

2.2弯管连接结构

弯管连接结构的有限元分析结果如图3所示。在弯管连接处附近仅有3根支撑杆，弯管处缺少有效支撑、位移约束不足，因此重点关注弯管连接处的Z方向位移。

如图3所示，由于弯管处缺乏有效支撑约束，弯管处Z方向位移明显较大，支撑杆下端应力较大。因此，设计人员应考虑通过增加有效支撑零件等方式对该部分结构进行改进，以减小Z方向变形、缓解支撑杆应力。

2.3波纹管膨胀节

波纹管膨胀节是补偿GIS设备热胀冷缩和位移的重要零件，若波纹管伸缩量超过补偿极限或无法正常补偿热胀冷缩和位移，将会对设备产生巨大影响，因此对波纹管以及波纹管膨胀节的法兰和螺栓等结构的应力和变形情况进行了分析，分别如图4、图5所示。

图4　波纹管有限元分析结果

图3　弯管连接结构有限元分析结果

波纹管最大应力约89 MPa，满足波纹管的强度要求；如图4（b）所示，波纹管沿Z正负方向的伸长量之和约1.2 mm，远小于波纹管设计极限伸长量10 mm；在模型YOZ对称面上取图4（c）所示路径，沿路径由A端至B端的应力和Z方向分布曲线分别如图4（d）和图4（e）所示。波纹管应力波动比较明显，在波谷附近应力相对较大。波纹管沿Z轴正负方向伸长，在波纹管两端变形量最大。

螺柱中部由于弯曲而产生较大的应力 （图5 （a）），弯曲主要是由于膨胀节法兰四角处因螺柱连接对其变形有一定的约束作用（图5（b）），而膨胀节法兰中心区域Z方向变形大于膨胀节法兰四角处的变形，使得螺柱发生一定程度的弯曲变形，从而产生较大应力。沿图5（c）所示路径，Z方向的变形分布曲线如图5（d）所示，该曲线更加清晰地反映了膨胀节法兰变形不均匀的情况。因此在设备维护时，应注意对膨胀节的变形进行检测并调节其螺柱，改善法兰的不均匀变形情况，缓解螺柱上的应力。此外，设计人员可以考虑对于其结构进行改进，以解决上述问题。

图5　膨胀节螺栓与法兰的有限元分析结果

3　结论

在法兰连接处，沿法兰径向内侧变形量大于外侧，导致法兰连接处密封性能下降，应重点对该处密封性能进行监测；弯管连接处缺少有效支撑约束，Z方向位移较大，设计中应采取措施加以改进；波纹管双头螺柱由于弯曲应力较大，在维护中应及时调节波纹管的伸缩量，减小法兰变形不均匀的情况，从而缓解螺柱的应力和变形。

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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

张晶（1989），男，硕士研究生，研究方向为机械结构的有限元分析。