基于ANSYS Workbench的绝缘台优化设计

王兆珉 张庆友 许宝波 王岩 敬成伟

（1.山东泰开高压开关有限公司 2.泰山智能制造产业研究院）

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备已在电力系统中得到广泛应用。绝缘台作为GIS中的关键部件，起支撑灭弧室的作用，用量较大，因此其性能好坏对GIS和电网运行安全的影响十分突出。绝缘台的结构设计不仅要关注绝缘性能，也要注重机械强度。在安装、运行、检修等工况下，绝缘台经常承受的机械载荷为扭转、剪切、弯曲和挤压，如果在这些应力分布不均匀的情况下绝缘台出现破裂，将直接严重影响GIS的整体运行。因此，在设计时除了提高材料本身的强度，还要保证电、热等性能，在结构上应使应力分布均匀，以提高整体的机械强度，保证电站的安全运行。

机械强度是衡量绝缘台性能非常重要的质量指标之一。绝缘台结构较为规则，应力分布情况较为简单，研究绝缘台上的应力分布规律有利于找出结构设计的薄弱部位及设计裕度较大的部位，为绝缘台的结构优化提供理论基础，以此提高绝缘台的运行可靠性和经济性，保证电网供电安全可靠。

本文利用ANSYS Workbench软件对252kV GIS及126kV GIS用绝缘台进行力学分析及优化，达到减轻重量、降低成本的目的。对优化后的模型进行力学试验，试验结果验证了优化模型的可行性与经济性，从提高机械强度的角度为公司其他电压等级的绝缘台结构设计及后续优化提供了重要的理论依据与试验基础。

1 252kV GIS用绝缘台应力仿真

252kV GIS用绝缘台由以氧化铝为填料的环氧树脂及铝制嵌件制成。嵌件表面滚花，以增强与树脂的结合力；嵌件表面涂抹半导电胶[1]，半导电胶夹在嵌件与树脂之间有如下作用：

1）虽然嵌件采用热膨胀系数与树脂相近的铝材加工，但膨胀系数仍有差异，而导电胶可以对热膨胀（冷收缩）应力起缓冲作用。

2）当嵌件承受的力达到一定值时，会产生微小位移，无导电胶时形成空穴导致局部电场及局部放电量增大。涂敷导电胶后，利用它的弹性变形可消除这种空穴。

3）利用导电胶的半导电特性，减少嵌件与绝缘件之间的电位差，有利于降低嵌件表面的最大场强。

1.1 建立有限元模型

考虑到嵌件在力学分析中不作为研究对象，在模型中进行简化去掉，为模拟实际工况，用Solid Works建立模型，生成x-t文件导入Workbench中，添加模型材料属性、控制网格大小、进行网格六面体主导划分，调整网格关联中心、平滑度和过渡，以得到良好的网格质量。计算模型示意见图1，表1为材料主要技术参数[2]。在该计算模型中，嵌件与绝缘台结合内外部均为圆滑过渡。

图1 计算模型

表1 主要技术参数

1.2 边界约束及载荷施加

按照技术参数中抗弯、抗扭及抗拉要求来施加载荷，根据实际使用工况将绝缘台下部嵌件固定约束，对上部嵌件施加载荷，其约束及载荷示意见图2。

图2 约束及载荷模型

1.3 计算结果及分析

计算的绝缘台应变、平均等效应力分布云图分别见图3、图4。

图3 应变分布示意

图4 应力分布示意

从绝缘台应力分布图中可以看出，应力最大值集中在下部嵌件与环氧树脂接触处，此处应力为83.155MPa。该处为一个应力畸点，是由于软件网格划分不良造成，作者忽略不考虑该点。查看其周围应力最大为74.086MPa，小于环氧树脂浇注件I级破坏压力120MPa，仿真结果满足设计要求。当下部嵌件固定，预测试验时断裂部位为下部嵌件与绝缘台结合部位，反之则为上部嵌件与绝缘台结合部位。

2 252kV GIS用绝缘台优化后的应力仿真及试验

2.1 优化后应力仿真

由仿真结果可知，设计裕度过大，造成成本过高，对其进行减重降本优化。具体为在下部嵌件与绝缘台结合处外部用大圆弧过渡，在上部嵌件与绝缘台结合处内部用大圆弧过渡，绝缘台中间部位的用料就能节省很多。优化后模型示意见图5。

图5 优化后计算模型

按照前述步骤对优化后的模型进行仿真，仿真结果见图6、图7。

图6 优化后应变分布示意

图7 优化后应力分布示意

从优化后绝缘台应力分布图中可以看出，应力最大值集中在下部嵌件与环氧树脂接触处，此处应力为103.51MPa。该处为一个应力畸点，是由于软件网格划分不良造成，作者忽略不考虑该点。查看其周围应力最大为94.188MPa，小于环氧树脂浇注件I级破坏压力120MPa，仿真结果满足设计要求。当下部嵌件固定，预测试验时断裂部位为下部嵌件与绝缘台结合部位，反之则为上部嵌件与绝缘台结合部位。优化前后应力、应变对比如表2所示。优化后应力、应变虽然大于优化前，但符合设计要求。

表2 优化前后应力、应变对比

2.2 优化后试验验证

对优化后绝缘台进行抗拉、抗弯试验。

1）抗弯试验平台见图8。根据平台实际情况，现用工装固定上部嵌件，在下部嵌件工装上施加弯矩≥9500N·m（折合为32.8kN）。

图8 优化后模型抗弯试验

抗弯破坏试验结果见图9。

图9 优化后模型抗弯破坏结果

试件在52.7kN时，在上部嵌件与绝缘台结合部位断裂，符合仿真试验结果及设计要求。

2）抗拉试验平台见图10。用工装连接上、下部位嵌件，施加拉力≥22000N。

图10 优化后模型抗拉试验

抗拉试验数据见图11，试件在拉至120.59kN时没有拉断迹象，以5.5倍于技术要求的破坏拉力，完全符合设计要求，所以后续没有做抗拉破坏试验。

图11 优化后模型抗拉数据

3 126kV GIS用绝缘台优化及试验

鉴于252kV GIS用绝缘台优化及试验的成功，向126kV GIS用绝缘台进行推广应用。其优化方式与252kV GIS用绝缘台相似，都是将嵌件与绝缘台结合部位的过渡用大圆弧代替，可以节省中间部位用环氧树脂。其优化前后模型如图12所示，技术要求如表3所示。

图12 优化前、后计算模型

表3 126kV GIS用绝缘台技术要求

优化后绝缘台进行抗弯、抗拉试验情况如下。

1）抗弯试验平台见图13。用工装固定下部嵌件，在上部嵌件工装上施加弯矩≥10000N·m。

图13 优化后模型抗弯试验

抗弯破坏及试验结果见图14。

图14 优化后模型抗弯破坏试验

试件在10000N·m时无裂纹，经X光探伤内部无损伤，继续增大弯矩至11600N·m时破坏，破坏从下部嵌件与环氧树脂结合处开始。

2）抗拉试验平台同图10，抗拉探伤及破坏试验结果见图15。

试件在40kN时无裂纹，经X光探伤内部无损伤，继续增大拉力至96kN时破坏，以2.4倍于技术要求的破坏拉力，满足设计要求，其破坏部位与仿真结果一致。

4 结束语

本文以252kV GIS及126kV GIS用绝缘台为研究对象，经过有限元软件仿真，优化后的绝缘台满足设计要求。进行的抗拉、抗弯试验验证了仿真的正确性，为公司其他电压等级绝缘台的结构设计及优化提供理论依据与试验基础。

图15 探伤及破坏结果

根据有限元仿真、试验验证结果以及试验后的断裂部位，还可得出以下结论：

1）从仿真结果来看，嵌件周围的环氧树脂应力较大，最大应力出现在下部嵌件与环氧树脂结合部位。

2）从绝缘台抗弯及抗拉破坏试验结果来看，破裂部位发生在嵌件与环氧树脂结合部位附近，验证仿真的正确性。

3）优化前后对比可知，在绝缘台中间部位适当减薄，在嵌件和绝缘台结合部位用大圆弧过渡，能达到兼顾综合力学性能和经济性的效果。