電壓互感器中盤式絕緣子的結(jié)構(gòu)分析

王宇馳, 武涇元, 曾慶忠, 王光明

西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司 西安 710018

1 研究背景

電壓互感器是氣體絕緣金屬封閉組合電器中必不可少的關(guān)鍵元件之一,作為變電站日常運(yùn)行中的一種重要設(shè)備,其作用是將電力系統(tǒng)的高電壓按比例關(guān)系變換成100 V或更低等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)二次電壓。電壓互感器提供的實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)值,供電力系統(tǒng)的電氣測(cè)量和電氣保護(hù)使用,也是發(fā)電廠、變電所等輸電和供電系統(tǒng)中不可缺少的檢測(cè)裝置。隨著我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展,人們對(duì)電壓互感器的性能提出了更高的要求[1-3]。

盤式絕緣子作為電壓互感器中的關(guān)鍵部件,其性能優(yōu)劣直接決定開關(guān)設(shè)備的絕緣性能及運(yùn)行可靠性。盤式絕緣子綜合性能的提高通常難以兼顧,如何通過設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化來平衡力學(xué)性能、電氣絕緣性能及耐熱性能,是目前盤式絕緣子制造及研究的難點(diǎn)。隨著電力系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高,人們對(duì)盤式絕緣子的耐壓水平、力學(xué)性能也提出了更高的要求,尤其是盤式絕緣子的使用壽命要求達(dá)到40 a[4-10]。

筆者應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)126 kV電壓互感器中盤式絕緣子的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,并進(jìn)行分析計(jì)算,同時(shí)介紹設(shè)計(jì)、生產(chǎn)盤式絕緣子時(shí)的注意事項(xiàng)。

2 電壓互感器結(jié)構(gòu)

126 kV電壓互感器主要由軀殼、導(dǎo)體、絕緣子、線圈、屏蔽、鐵心等組成,如圖1所示。

由圖1可知盤式絕緣子在電壓互感器中的位置。盤式絕緣子阻隔了電壓互感器氣室中六氟化硫氣體與氣體絕緣金屬封閉組合電器中其它元件的連通,方便帶壓維護(hù),同時(shí)還可以在電壓互感器單元裝配完成后進(jìn)行六氟化硫氣體年漏氣率檢測(cè),滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖1 電壓互感器結(jié)構(gòu)

3 盤式絕緣子結(jié)構(gòu)

126 kV電壓互感器中盤式絕緣子的總體結(jié)構(gòu)如下:外圈為鋁環(huán),內(nèi)部為鋁制中心導(dǎo)體,兩者之間為環(huán)氧樹脂混合料。盤式絕緣子的結(jié)構(gòu)如圖2所示,鋁環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 盤式絕緣子結(jié)構(gòu)

圖3 鋁環(huán)結(jié)構(gòu)

由圖2、圖3可知,通過澆注環(huán)氧樹脂,使環(huán)氧樹脂填充在鋁環(huán)與中心導(dǎo)體之間。由于鋁環(huán)四周橢圓切面澆注孔槽之中填充了環(huán)氧樹脂,通過環(huán)氧樹脂所具備的力學(xué)強(qiáng)度,可以保證當(dāng)盤式絕緣子一側(cè)充額定0.5 MPa六氟化硫氣體,另一側(cè)為常壓時(shí),盤式絕緣子不會(huì)破裂,滿足產(chǎn)品帶壓檢測(cè)、維護(hù)等需求。

4 不同結(jié)構(gòu)盤式絕緣子仿真分析

設(shè)計(jì)四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子和十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子,分別如圖4、圖5所示。針對(duì)兩種結(jié)構(gòu)盤式絕緣子,通過ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模,分析不同結(jié)構(gòu)盤式絕緣子的受力情況。

圖4 四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子

圖5 十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子

在ANSYS分析時(shí),對(duì)盤式絕緣子凸臺(tái)進(jìn)行全約束,限制其六個(gè)方向上的自由度。在施加載荷時(shí),向盤式絕緣子一側(cè)的面上施加0.5 MPa壓強(qiáng)。

四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子受載變形前后比較如圖6所示,受載后應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子受載變形前后比較

圖7 四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子受載后應(yīng)力云圖

由圖6可以看出,四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子由于僅有四處支撐作用在環(huán)氧樹脂和鋁環(huán)之間,造成環(huán)氧樹脂部分和未連接的凸臺(tái)支撐部分受力變形較大,盤式絕緣子整體變形也較大,變形最大處位于盤式絕緣子中間與導(dǎo)體接觸的一圈環(huán)狀體處,最大變形量為0.80 mm。

由圖7可以看出,四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子凸臺(tái)兩側(cè)為最大應(yīng)力作用處,應(yīng)力集中最大點(diǎn)位于凸臺(tái)承受壓力一側(cè)。

十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子受載變形前后比較如圖8所示,受載后應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖8 十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子受載變形前后比較

圖9 十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子受載后應(yīng)力云圖

由圖8可以看出,十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子由于有十二處支撐,整體變形與四凸臺(tái)結(jié)構(gòu)相比,變形量大幅減小,變形最大處位于絕緣子中間與導(dǎo)體接觸的一圈環(huán)狀體處,最大變形量僅為0.12 mm。

由圖9可以看出,十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子應(yīng)力集中最大點(diǎn)同樣位于絕緣子中間與導(dǎo)體接觸的一圈環(huán)狀體處。

由圖6～圖9對(duì)比可以看出,十二凸臺(tái)支撐盤式絕緣子的整體變形量相比四凸臺(tái)結(jié)構(gòu)大幅減小,應(yīng)力集中點(diǎn)相應(yīng)減少,絕緣子環(huán)氧樹脂部分與鋁圈接觸的最外側(cè)一圈幾乎未發(fā)生變形。與四凸臺(tái)結(jié)構(gòu)相比,十二凸臺(tái)結(jié)構(gòu)受力狀況改善顯著。

5 四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子屈曲分析

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)。采用特征值屈曲分析的方法對(duì)四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子進(jìn)行分析,如圖10所示,得到臨界載荷為43.3 kN。

根據(jù)臨界載荷43.3 kN,計(jì)算出四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子凸臺(tái)承受的剪切應(yīng)力為13.5 MPa。應(yīng)力集中因子一般為2～3,以最低數(shù)值2為應(yīng)力集中因子,環(huán)氧材料的剪切應(yīng)力需要達(dá)到27 MPa,已高于環(huán)氧澆注材料剪切設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。如果在凸臺(tái)附近存在微小氣泡等工藝過程缺陷,那么盤式絕緣子在承受0.5 MPa壓強(qiáng)的六氟化硫氣體檢漏中存在開裂風(fēng)險(xiǎn)[11]。

圖10 四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子屈曲分析

筆者公司電壓互感器所使用的盤式絕緣子,均要求為十二凸臺(tái)結(jié)構(gòu),在一次使用外協(xié)供貨錯(cuò)誤配送的四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子進(jìn)行六氟化硫氣體年漏氣率檢測(cè)時(shí),發(fā)生開裂事故,如圖11所示,說明前述理論計(jì)算是正確的,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)使用四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子是不合格的。

圖11 四凸臺(tái)支撐盤式絕緣子開裂事故

6 結(jié)束語

盤式絕緣子作為電壓互感器的重要部件,設(shè)計(jì)時(shí)必須保證足夠的安全性,不可隨意改變結(jié)構(gòu)。部分廠家將凸臺(tái)數(shù)量減少到四個(gè),對(duì)盤式絕緣子的使用埋下很大風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于任何結(jié)構(gòu)改變,均應(yīng)使用技術(shù)手段進(jìn)行計(jì)算分析,確認(rèn)可靠后,方可實(shí)施。

對(duì)于性能要求嚴(yán)格的環(huán)氧澆注絕緣件,必須逐個(gè)按圖紙要求進(jìn)行入廠檢測(cè),外觀檢測(cè)無結(jié)果時(shí),需要通過相關(guān)設(shè)備儀器保證產(chǎn)品符合圖紙要求。例如,引入原用于絕緣件內(nèi)部氣泡缺陷的X射線檢測(cè),確認(rèn)鋁環(huán)內(nèi)部凸臺(tái)的數(shù)量,確認(rèn)盤式絕緣子使用中的安全性。