GIS盆式絕緣子螺孔失效分析

李哲，周建，胡卡，韓煦，盧玉康，肖文凱

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430020；2.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072）

GIS設(shè)備中使用SF6氣體作為絕緣氣體，該氣體有著良好的絕緣穩(wěn)弧性能，是維持GIS設(shè)備高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素，一旦該氣體出現(xiàn)泄漏，GIS設(shè)備的滅弧性能和絕緣強(qiáng)度就會(huì)降低，從而造成各種安全隱患。盆式絕緣子作為GIS設(shè)備中的重要組成部件，起著承重、絕緣以及密封氣體等重要作用，在實(shí)際工況中會(huì)受到多種載荷的共同作用，因此亦成為高壓設(shè)備泄漏的主要部件之一。近幾年在冬季期間，華中地區(qū)變電站的盆式絕緣子在螺孔處頻繁出現(xiàn)螺孔裂紋，給GIS設(shè)備造成了泄漏風(fēng)險(xiǎn)，也給相關(guān)區(qū)域電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了重大隱患。本文通過仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法，探究了盆式絕緣子螺孔失效的根本原因，為變電站的安全運(yùn)行及維護(hù)提供了有力的理論支撐。

1 實(shí)際工況分析

圖1所示是GIS盆式絕緣子（220kV）螺孔裂紋現(xiàn)場(chǎng)示意和凹凸面。盆式絕緣子圓周邊緣共有兩個(gè)通孔和十個(gè)半螺紋孔，其中，兩個(gè)通孔的位置呈對(duì)稱分布，半螺紋孔通孔內(nèi)徑為18mm，高度為40mm。螺紋孔公稱直徑為16mm，高度為24mm，其內(nèi)部螺紋通過熱固化成型鑲嵌于絕緣子之中。

圖1 GIS盆式絕緣子螺孔裂紋及凹凸兩面

盆式絕緣子在正常工況下，主要會(huì)受到三種載荷：自身重力和其他部件所帶來的承重載荷、絕緣氣體所造成的氣壓載荷以及與其他部件栓接時(shí)所施加的預(yù)緊力載荷；另外在冬季時(shí)，螺栓與螺紋孔間隙可能會(huì)因滲水而結(jié)冰，從而造成較大的結(jié)冰膨脹力。本文將使用有限元方法分析盆式絕緣子螺紋孔區(qū)域在這四種類型載荷下的應(yīng)力分布，為螺紋孔區(qū)域裂紋產(chǎn)生的機(jī)理提供力學(xué)依據(jù)。

2 力學(xué)仿真

2.1 幾何模型

要分析的幾何模型在結(jié)構(gòu)和受力上都呈1/4對(duì)稱，在SolidWorks中建立如圖2所示的1/4裝配體模型，通過螺栓將上下法蘭跟盆式絕緣子緊密連接在一起。其中，孔1、孔2和孔3均為半螺紋孔，孔4為通孔。

圖2 盆式絕緣子裝配體模型

2.2 材料參數(shù)

盆式絕緣子的基體材質(zhì)是由環(huán)氧樹脂和氧化鋁粉共同澆注而成的復(fù)合材料。該材料屬于脆性材料，可用第一強(qiáng)度準(zhǔn)則來進(jìn)行失效判斷。即當(dāng)基體材料所受的最大第一主應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開裂。為得到該材質(zhì)的相關(guān)材料參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行了三組拉伸試驗(yàn)，計(jì)算平均值可得該材質(zhì)的楊氏模量為5.1GPa，拉伸強(qiáng)度為81.2MPa。拉伸試樣如圖3所示，相應(yīng)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。該材質(zhì)拉伸試驗(yàn)的結(jié)果與許建春，高晉文，韓智云所給出的數(shù)據(jù)接近。

圖3 拉伸試樣 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 有限元模型的建立

本文采用有限元軟件Abaqus來建立盆式絕緣子的有限元模型。首先，將建立好的幾何模型導(dǎo)入到Abaqus中，采用一階線性六面體單元C3D8R進(jìn)行離散，總的網(wǎng)格數(shù)量為3.1×105，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3.6×105。根據(jù)實(shí)際工況，將下法蘭底端進(jìn)行固定。由于建立的是1/4對(duì)稱模型，需要將兩對(duì)稱面分別進(jìn)行對(duì)稱約束。盆式絕緣子與上下法蘭之間均建立接觸，法向采用默認(rèn)的硬接觸，切向采用經(jīng)典的庫倫摩擦模型，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。

2.3.1 正常工況下的應(yīng)力分布

盆式絕緣子在GIS設(shè)備中起著支撐高壓導(dǎo)體和管式母線的作用，本文探究的盆式絕緣子在實(shí)際工況中承受的最大重壓力約為40000N，將其施加在上法蘭頂端面上。并考慮到盆式絕緣子和法蘭自重，設(shè)置相應(yīng)的重力加速度為9800mm2/s。

對(duì)于220KV的GIS設(shè)備，氣室中通常充有0.45MPa的SF6氣體。因此，給法蘭氣室內(nèi)腔和盆式絕緣子凹凸兩面施加均勻的0.45MPa的氣壓力，給上下法蘭外側(cè)及盆式絕緣子側(cè)面施加0.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

盆式絕緣子通過螺栓與上下法蘭緊密連接，在實(shí)際安裝的過程中會(huì)給螺栓施加一定的預(yù)緊力，這可能會(huì)導(dǎo)致螺孔附近產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，工具精度、人為失誤和工況環(huán)境變化等多種因素都會(huì)造成螺紋所受的預(yù)緊力偏離標(biāo)準(zhǔn)，使螺紋本應(yīng)受到的雙向均勻的預(yù)緊力變得不均勻，從而加劇盆式絕緣子螺孔區(qū)域的應(yīng)力集中。在實(shí)際安裝的過程中，不僅需要給內(nèi)螺紋與上法蘭施加預(yù)緊力（F1），也需要給內(nèi)螺紋與下法蘭施加預(yù)緊力(F2)。而孔4為通孔，只需要施加單向預(yù)緊力(F3)即可。設(shè)置預(yù)緊力F1和F3為40000N，F(xiàn)2為30000N。

針對(duì)以上三種力，使用Abaqus仿真軟件中的隱式求解器進(jìn)行靜力學(xué)求解，盆式絕緣子的第一主應(yīng)力云圖如圖4所示。在正常工況作用下，盆式絕緣子整體的應(yīng)力水平較低。其中，最大第一主應(yīng)力僅為20.0MPa，遠(yuǎn)小于盆式絕緣子的抗拉強(qiáng)度。因此，正常工況下盆式絕緣子螺孔附近很難產(chǎn)生裂紋。

圖4 正常工況下的應(yīng)力云圖

2.3.2 孔隙滲水結(jié)冰作用下的應(yīng)力分布

當(dāng)M16螺栓與內(nèi)嵌螺紋套配合之后，會(huì)在孔的兩端留出較小的間隙，當(dāng)雨水滲入間隙，恰逢冰凍天氣，間隙內(nèi)就會(huì)結(jié)冰，從而在間隙內(nèi)產(chǎn)生較大的結(jié)冰膨脹力，對(duì)結(jié)冰孔周圍區(qū)域造成較大的應(yīng)力集中，成為盆式絕緣子失效的另一個(gè)重要因素。

通過測(cè)量得螺紋套的內(nèi)徑為r1為6.86mm，外徑r2為7.9mm，通孔直徑為9mm，兩頭未嵌螺紋高度均為8mm。由于螺栓并沒有形成完全的光桿區(qū)域，因此取內(nèi)外徑中值作為理想螺栓光桿的直徑r。則理想光桿的半徑：

螺栓螺紋與通孔之間的理想薄壁空間的體積為：

水結(jié)冰時(shí)，體積會(huì)膨脹1/9，即體積變化率為11%，帶入上式，求得結(jié)冰膨脹力所引起的徑向位移ΔR為0.16mm。

如圖5所示，給一螺紋孔的未嵌螺紋面施加0.16mm的徑向位移來模擬結(jié)冰膨脹力，并求解結(jié)果。在施加結(jié)冰膨脹力之后，整體的第一主應(yīng)力顯著上升，其中，螺孔附近的第一主應(yīng)力達(dá)到了102Mpa，超過了盆式絕緣子的抗拉強(qiáng)度。這說明，結(jié)冰膨脹力的大小可以導(dǎo)致盆式絕緣子開裂，是盆式絕緣子開裂的一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，螺紋處的最大應(yīng)力點(diǎn)與絕緣子法線方向大約呈50度方向，這與實(shí)際開裂方向類似，進(jìn)一步說明了結(jié)冰膨脹力是盆式絕緣子開裂的主要因素。

圖5 結(jié)冰力的施加和結(jié)冰力作用下的應(yīng)力云圖

3 結(jié)冰膨脹力綜合分析

3.1 結(jié)冰試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建了如圖6所示的試驗(yàn)平臺(tái)來進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)冰膨脹力是否為盆式絕緣子開裂的主要因素。用角磨機(jī)切出盆式絕緣子樣品，用兩塊鋁板代替上下法蘭，并通過螺栓將絕緣子樣品與上下法蘭進(jìn)行連接。

圖6 結(jié)冰試驗(yàn)

對(duì)含有三個(gè)螺紋孔配合的三根螺栓的絕緣子樣品1施加雙向40000N的預(yù)緊力，并在孔2間隙內(nèi)注滿水，在冰柜內(nèi)進(jìn)行低溫（-4℃°）結(jié)冰實(shí)驗(yàn)。對(duì)含有一個(gè)通孔的通孔型絕緣子樣品2，給內(nèi)嵌螺紋與上法蘭施加40000N的預(yù)緊力（孔1和孔2），給內(nèi)嵌螺紋與下法蘭施加40000N的預(yù)緊力（孔1和孔2），給孔3施加單向40000N的預(yù)緊力。其他試驗(yàn)條件保持一致，以上試驗(yàn)均重復(fù)三次。

結(jié)果如圖7所示，絕緣子樣品1孔隙內(nèi)充滿了冰，滲透探傷檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋；絕緣子樣品2在孔2附近產(chǎn)生了兩條非常明顯的裂紋。裂紋向外擴(kuò)展到了盆式絕緣子的側(cè)面，但未發(fā)現(xiàn)裂紋向盆式絕緣子內(nèi)部擴(kuò)展的情況。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該側(cè)面裂紋與圖1（實(shí)際工況）中盆式絕緣子螺孔裂紋相似。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

同樣是結(jié)冰，為何得到截然不同的結(jié)果？對(duì)兩組試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在第一組結(jié)冰試驗(yàn)中，絕緣子樣品的三個(gè)孔都是螺紋孔，未產(chǎn)生任何裂紋。而在第二組結(jié)冰試驗(yàn)中，絕緣子樣品中有一個(gè)通孔，卻產(chǎn)生了與實(shí)際一致的裂紋?？梢姡瑯悠分惺欠裼型资桥枋浇^緣子能否開裂的關(guān)鍵性因素。那么，通孔的存在起到了什么作用？

3.2 通孔對(duì)絕緣子開裂的影響

搭建與試驗(yàn)平臺(tái)一致的裝配體模型，分別對(duì)兩種盆式絕緣子樣品進(jìn)行不均勻預(yù)緊力的求解計(jì)算。對(duì)于通孔型樣品1，給內(nèi)嵌螺紋與上法蘭施加40000N的預(yù)緊力（孔1和孔2），給內(nèi)嵌螺紋與下法蘭施加30000N的預(yù)緊力（孔1和孔2），給通孔（孔3）施加單向30000N的預(yù)緊力，并進(jìn)行求解。對(duì)于不含通孔的三螺紋孔型樣品2，給內(nèi)嵌螺紋與上法蘭施加40000N的預(yù)緊力（孔4、孔5和孔6），給內(nèi)嵌螺紋與下法蘭施加30000N的預(yù)緊力（孔4、孔5和孔6），并進(jìn)行求解。求解結(jié)果如圖8所示，最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在中心孔，樣1的最大第一主應(yīng)力為35.807MPa，樣2的最大第一主應(yīng)力為30.988MPa。此外，相對(duì)于樣2，樣1的三個(gè)孔周圍都存在較大的藍(lán)色壓應(yīng)力區(qū)，這說明通孔的存在會(huì)改變盆式絕緣子在實(shí)際工況中的表面應(yīng)力分布，使得孔表面區(qū)域受到較大的壓應(yīng)力，增加了孔表面區(qū)域的密封性。結(jié)冰時(shí)，通孔樣品的孔隙水會(huì)在密閉空間內(nèi)充分膨脹，使得盆式絕緣子在充分大的結(jié)冰膨脹力的作用下達(dá)到失效極限，產(chǎn)生開裂。

圖8 求解結(jié)果

4 結(jié)語

（1）在承重、氣壓和預(yù)緊力的作用下，盆式絕緣子所受的最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于盆式絕緣子的抗拉強(qiáng)度。因此，這三種載荷不會(huì)導(dǎo)致螺孔附近產(chǎn)生裂紋。（2）螺紋孔隙水結(jié)冰膨脹力的大小足以使盆式絕緣子產(chǎn)生開裂，但那是在孔隙水被完全密封在孔隙中結(jié)冰才產(chǎn)生的現(xiàn)象，若上下法蘭端面的接觸存在間隙，螺紋孔隙結(jié)冰時(shí)冰層可以向間隙空間膨脹，從而減小了孔隙內(nèi)的膨脹力，因此結(jié)冰工況未必一定發(fā)生絕緣子開裂。（3）在通孔預(yù)緊力作用下，結(jié)合螺孔上下的不均勻預(yù)緊力，絕緣子的孔表面區(qū)域會(huì)形成更大的壓應(yīng)力，從而增加了絕緣子和法蘭間的密封性，使螺紋孔隙中的水處于封閉結(jié)冰狀態(tài)，極大的增加了結(jié)冰膨脹力，導(dǎo)致絕緣子開裂，這也說明了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中不是所有的絕緣子都發(fā)生開裂，只是滿足了預(yù)緊力密封條件的部分絕緣子發(fā)生開裂。（4）有限元模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的結(jié)果與絕緣子實(shí)際開裂現(xiàn)象基本一致。