一種新型結構的盆式絕緣子力學性能研究

魯少陽，王 爽，1b，劉展程，張 勤

（1.三峽大學a.電氣與新能源學院；b.湖北省輸電線路工程技術研究中心，湖北 宜昌 443002；2.國網樂山供電公司，四川 樂山 614000）

0 引言

盆式絕緣子是氣體絕緣開關（GIS）和氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）的重要組成部分[1-3]。盆式絕緣子通常工作在充滿SF6氣體的環境中，往往需要承受氣體產生的壓強且起著支撐及隔絕氣室的作用，因此盆式絕緣子要有足夠的機械強度[4-8]。

對于盆式絕緣子力學性能的研究主要是基于有限元仿真和試驗測試展開的。文獻[9]研究了三相交流盆式絕緣子表面的應力分布，將盆式絕緣子表面應力集中由“Y”型分布轉化為“△”型分布，降低了其最大應力值。文獻[10-12]通過水壓試驗和仿真研究了1 100 kV GIS盆式絕緣子的力學性能，加強了其中心嵌件與盆式絕緣子接觸后的機械強度。文獻[13]通過建立三維應力仿真模型，并配合水壓破壞試驗，得到盆式絕緣子在不同負載下的設計裕度。文獻[14]利用有限元仿真模型改變局部參數來研究盆式絕緣子的力學性能。文獻[15-17]通過有限元仿真和水壓試驗研究了盆式絕緣子表面的應力分布，但其水壓試驗相對簡單。目前對于盆式絕緣子力學性能的研究往往局限于交流工況且仿真計算模型比較簡單，大多未考慮橡膠密封圈對計算結果的影響，因此缺乏工程實際意義且準確性較低。

本文主要研究一種新型結構的直流GIS盆式絕緣子的力學性能，該盆式絕緣子采用盤式結構，能有效降低電場強度。通過有限元仿真和水壓試驗，計算不同壓力下盆式絕緣子的應變和應力，對結果進行分析，得到該直流盆式絕緣子的表面應力分布，為直流盆式絕緣子的結構優化和設計提供思路。

1 盆式絕緣子力學性能仿真計算

1.1 盆式絕緣子模型的構建

本文研究的直流盆式絕緣子模型如圖1所示。該盆式絕緣子模型是一種盤狀結構的絕緣子，沒有凹面與凸面之分，在直流電壓下電場分布較均勻。模型整體為軸對稱結構，中心為導體嵌件，外圈裝配法蘭，嵌件和法蘭為鋁合金材料，盆式絕緣子為環氧樹脂/氧化鋁復合材料。

圖1 盆式絕緣子示意圖Fig.1 Diagram of basin insulator

在仿真和水壓試驗研究中，對盆式絕緣子進行建模，各組裝、工裝零部件（水壓蓋板、水壓支撐筒、緊固螺栓等）的材料屬性設置見表1。

表1 材料屬性設置Tab.1 Material attribute settings

1.2 盆式絕緣子機械應力分布計算

橡膠密封圈是保障盆式絕緣子氣密性的關鍵部件，為了研究橡膠密封圈對盆式絕緣子應力分布的影響，在壓力作用下分別對加有橡膠密封圈和不加橡膠密封圈的盆式絕緣子應力分布進行對比分析。

為了在保證計算精度的同時，提高計算效率，本研究對盆式絕緣子模型進行一定的簡化，忽略螺栓及螺栓連接孔等元素。

由于盆式絕緣子為軸對稱結構，在仿真時使用二維軸對稱模型進行應力分析。此外，本研究的盆式絕緣子并無凹面與凸面之分，任選一面施加水壓即可。

該盆式絕緣子的額定壓力值為0.6 MPa，設計壓力值為0.8 MPa。按照國家電網企業標準水壓破壞值應不小于3倍的設計壓力[18]，即2.4 MPa。本研究在仿真計算中分別計算了2.0、2.1、2.2、2.3、2.4 MPa水壓下盆式絕緣子的應力和應變結果。限于篇幅，本研究主要介紹盆式絕緣子在2.4 MPa水壓下的應力分布情況。

1.2.1 未加橡膠圈的盆式絕緣子仿真分析

未加橡膠圈的盆式絕緣子仿真模型主要由中心嵌件、盆式絕緣子、屏蔽環、法蘭、壓力蓋板組成，如圖2所示。

圖2 未加橡膠圈的盆式絕緣子結構圖Fig.2 Structure diagram of basin insulator without rubber ring

無橡膠圈的盆式絕緣子在2.4 MPa水壓下的應力分布仿真結果如圖3所示。由圖3可知，在沒有橡膠圈時盆式絕緣子所受最大應力為85.76 MPa，大于材料的抗拉強度（78.50 MPa），超出幅度為9.25%。最大應力出現在盆式絕緣子裝配橡膠圈的凹槽內。

圖3 未加橡膠圈的盆式絕緣子2.4 MPa下的應力分布Fig.3 Stress distribution of basin insulator without rubber ring under 2.4 MPa pressure

1.2.2 加橡膠圈的盆式絕緣子仿真分析

加橡膠圈的盆式絕緣子仿真模型主要由中心嵌件、盆式絕緣子、屏蔽環、法蘭、橡膠圈、壓力蓋板組成，如圖4所示。

圖4 加橡膠圈的盆式絕緣子結構圖Fig.4 Structure diagram of basin insulator with rubber ring

橡膠材料具有超彈特性，本研究采用Mooney-Rivlin模型來描述橡膠圈的本構關系[19]，其方程如式（1）所示。

式（1）中：C01、C10為穆尼常數，其中C01=0.036 4 MPa，C10=0.728 MPa；D1為不可壓縮比，D1=0.01；I1、I2為Green應力張量的兩個主不變量。

加橡膠圈的盆式絕緣子在2.4 MPa水壓下的應力分布仿真結果如圖5所示。由圖5可知，加橡膠圈的盆式絕緣子在水壓為2.4 MPa時所受的最大應力為88.69 MPa，大于材料的抗拉強度（78.5 MPa），超出幅度為12.98%。盆式絕緣子應力最大值位于其表面凹槽處，距離中心嵌件155 mm。產生應力集中的區域位于距離中心嵌件100～200 mm處（見圖5中盆式絕緣子下端紅色區域）。

圖5 加橡膠圈的盆式絕緣子2.4MPa下的應力分布Fig.5 Stress distribution of basin insulator with rubber ring under 2.4 MPa pressure

在加橡膠圈的盆式絕緣子仿真計算中，水壓為2.0、2.1、2.2、2.3 MPa時盆式絕緣子產生應力集中的區域與水壓為2.4 MPa時的結果相一致，應力最大值隨著水壓的升高而增大。

2 盆式絕緣子水壓試驗裝置與測量系統

2.1 水壓試驗裝置

水壓試驗裝置結構如圖6所示，由加壓管、接頭、水壓蓋板、橡膠圈、緊固螺栓、水壓支撐筒等組成。水壓試驗裝配時盆式絕緣子密封槽外臺與筒體法蘭的間隙為0.3 mm，以保證只有密封槽和盆式絕緣子法蘭受力。

圖6 水壓試驗裝置結構圖Fig.6 Structure diagram of hydrostatic test device

2.2 測量系統

2.2.1 測量裝置介紹

本研究在盆式絕緣子表面粘貼BHF350-3AA（XX）型電阻應變片，從而在水壓試驗過程中得到絕緣子表面應變值。試驗采用JC-4B型電阻應變儀，選擇9通道測試模式，補償片固定于環氧復合件。

電阻應變片是在非電量電測技術領域中應用最廣泛的傳感元件之一，其工作原理是基于金屬電阻絲的電阻應變效應，當金屬電阻絲在軸向受到拉伸時，其電阻增大，而受到壓縮時，其電阻減小。該應變片多用于金屬和復合材料應力應變的測量。應變片自帶2米長的絕緣導線，可有效避免部分短路情況，方便應變片的固定。由于盆式絕緣子所用復合材料為各向同性材料，在理想狀態下，可假設各個方向的收縮應變值一致，測試所用應變片為雙向應變片。根據應變片測得的應變值，可計算相應應力值。

2.2.2 測量試驗

在絕緣子表面粘貼20片應變片，具體位置見圖7。1～7、8～14號測點沿著絕緣子表面一字排開，在水平面呈90°，各個應變片與中心嵌件的距離如圖7(a)所示，對絕緣子表面應變進行全面系統的測量；15～17、18～20號測點重點對絕緣子距離中心嵌件67、105、132 mm處進行測量。完成水壓試驗裝置裝配后，以平均不超過400 kPa/min的速度上升至盆式隔板的兩倍設計壓力，保壓10 min，繼續升壓至2.1 MPa時盆式絕緣子試品發生破壞。試驗對絕緣子進行0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1 MPa等16個水壓等級的應變數據采集。

圖7 絕緣子表面測點分布Fig.7 Distribution of measuring points on insulator surface

3 水壓試驗數據分析

根據圖7中對測量點應變片的布置，本次試驗使用直角雙向應變片，可同時測量得到測點位置的周向應變值和徑向應變值。

3.1 周向應變

1～7、8～14號測點的周向應變分別如圖8、圖9所示。由圖8～9可知，絕緣子的周向應變隨著水壓的升高，呈線性增大，離中心嵌件越遠，周向應變越大。

圖8 測點1～7周向應變值Fig.8 Circumferential strain value of measuring points 1-7

圖9 測點8～14周向應變值Fig.9 Circumferential strain value of measuring points 8-14

15～17、18～20號測點的周向應變分別如圖10、圖11所示。由圖10～11可知，15～17、18～20號測點周向應變隨水壓的升高而變大，離中心嵌件越遠，周向應變越大。

圖10 測點15～17周向應變值Fig.10 Circumferential strain value of measuring points 15-17

圖11 測點18～20周向應變值Fig.11 Circumferential strain value of measuring points 18-20

3.2 徑向應變

1～7、8～14號測點的徑向應變分別如圖12、圖13所示。由圖12～13可知，1～5、8～12號測點的徑向應變值隨著水壓的升高而變大，離中心嵌件距離越遠，應變越大。6、7和13、14號測點的徑向應變值隨著水壓的升高而變大，但離中心嵌件距離越遠應變越小，其中7、14號測點的徑向應變值為負值，說明盆式絕緣子的該位置被壓縮。1～7號測點中5號測點的徑向應變值最大，8～14號測點中12號測點的徑向應變值最大。5、12號測點與中心嵌件的距離均為159 mm，其中5號測點的徑向應變值大于12號測點的徑向應變值。在2.0 MPa工況下5號測點的實際測量應變值為6 307×10-6，在加橡膠圈時的仿真計算結果中提取的應變值為6 686×10-6，誤差為6.0%；在2.1 MPa工況下5號測點的實際測量應變值為6 750×10-6，在加橡膠圈時的仿真計算結果中提取的應變值為6 979×10-6，誤差僅為3.4%，如表2所示，其中水壓在2.1 MPa時盆式絕緣子試品已發生破裂，因此未采集水壓為2.2、2.3、2.4 MPa下的試驗數據。將水壓為2.0、2.1 MPa下的應變計算值和試驗測量值進行對比，說明了仿真計算結果的準確性。

表2 不同壓力下徑向應變值對比Tab.2 Comparison of radial strain values under different pressures

圖12 測點1～7徑向應變值Fig.12 Radial strain value of measuring points 1-7

圖13 測點8～14徑向應變值Fig.13 Radial strain value of measuring points 8-14

15～17、18～20號測點的徑向應變分別如圖14、圖15所示。由圖14～15可知，15～17、18～20號測點的徑向應變隨水壓的升高而變大，距中心嵌件越遠，應變越大。

圖14 測點15～17徑向應變值Fig.14 Radial strain value of measuring points 15-17

圖15 測點18～20徑向應變值Fig.15 Radial strain value of measuring points 18-20

對比15～17、18～20號測點測得的周向應變值和徑向應變值，其數值差別不大，說明盆式絕緣子圓周面上直徑相同位置的應變是大致相同的。比較各個測點的周向和徑向應值變可知，盆式絕緣子受壓后徑向應變大于周向應變。

3.3 水壓試驗數據分析

根據虎克定律，可應用式（2）～（3）[20-21]將應變換算成主應力。

式（2）～（3）中：εθ、εr是測點的周向、徑向應變；σθ、σr是周向和徑向的主應力；E、v是彈性模量和泊松比。

每一個測點的應力狀態可以用σ1、σ2、σ3三個主應力描述，分別指第一、二、三主應力，以1號測點為例，根據式（2）、（3）得到周向應力與徑向應力見圖16。由材料第四強度理論，將絕緣子所受主應力由大到小依次排列為σ1、σ2、σ3（其中σ3取值為0）。由圖16可知，不同水壓下徑向應力均大于周向應力，因此有σ1=σr、σ2=σθ。換算成米塞斯應力，如式（4）所示。

圖16 測點1徑向應力與周向應力值Fig.16 Radial and circumferential stress values of point 1

由式（4）計算得到不同水壓下各個測點的等效應力值如圖17～20所示。

圖17 測點1～7等效應力值Fig.17 Equivalent stress value of measuring points 1-7

圖18 測點8～14等效應力值Fig.18 Equivalent stress value of measuring points 8-14

由圖17～18可知，1～5、8～12號測點的等效應力值隨著水壓的升高而變大，離中心嵌件距離越遠等效應力值越大，6、7和13、14號測點的等效應力值隨著水壓的升高而變大，但離中心嵌件距離越遠，等效應力值越小。5、12號測點在2.1 MPa工況下的等效應力值分別是81.52 MPa、79.34 MPa，分別超出材料測試抗拉強度的3.8%和1.07%。

圖20 測點18～20等效應力值Fig.20 Equivalent stress value of measuring points 18-20

測點1、2、7隨水壓升高應力增大較為平緩。測點3、4、5、6隨水壓升高應力增幅較大，其中測點3、4、5、6距中心嵌件107～194 mm。測點8～14中10、11、12、13號測點隨水壓升高應力增幅較大，這些測點距中心嵌件108～200 mm。可以看出絕緣子表面應力隨著壓力的升高而增大，但產生應力集中的位置保持不變，位于距離中心嵌件107～200 mm處。

在仿真中加橡膠圈的盆式絕緣子受壓后產生應力集中的區域與水壓試驗得出的應變值換算成應力值所分析的盆式絕緣子產生應力集中的區域相一致，位于盆式絕緣子表面凹槽，距離中心嵌件107～200 mm處。而未加橡膠圈的盆式絕緣子仿真得到的應力集中區域在裝配橡膠圈的凹槽部位，且應力值也較小，與盆式絕緣子實際工況中裝配橡膠圈的水壓試驗結果不符。

由圖19～20可知，15～17、18～20號測點等效應力值隨水壓升高而變大，離中心嵌件距離越遠，等效應力值越大。

圖19 測點15～17等效應力值Fig.19 Equivalent stress value of measuring points 15-17

對比15～17、18～20號測點的等效應力值，其數值差別不大，說明盆式絕緣子圓周面上直徑相同位置的應力值是大致相同的。

3.4 水壓試驗結果分析

通過仿真計算分析，在2.4 MPa的壓力下，盆式絕緣子最易破損的中部最大應力值為88.69 MPa，裕度為0.885（抗拉強度/最大應力=78.5/88.69=0.885），表明該盆式絕緣子的機械強度不可靠，其力學性不能滿足設計要求，不可以用于產品。

在水壓試驗中，當水壓值達到2.1 MPa時，盆式絕緣子會發生破壞，兩個絕緣子的破壞情況如圖21所示。試驗結束后，用紅色水筆描出盆式絕緣子試品的裂縫，可以看到裂紋在水平面呈一定的對稱分布，盆式絕緣子破壞起始位置為9號測點附近距中心嵌件110～120 mm處。破壞裂紋呈樹枝狀從里向外延伸。

圖21 水壓試驗后盆式絕緣子破壞情況Fig.21 Damage condition of basin insulator after hydrostatic test

4 結論

（1）在2.0 MPa、2.1 MPa兩種工況下的實際測量應變值與加橡膠圈仿真中得到的應變值誤差分別為6.0%和3.4%，說明加橡膠圈的仿真結果符合工程實際情況，仿真結果可靠。

（2）通過仿真和水壓試驗數據分析找出了盆式絕緣子發生應力集中的位置位于距離中心嵌件107～200 mm處，得到盆式絕緣子發生破裂的起始位置距離中心嵌件110～120 mm處。

（3）隨著水壓的升高，同一測點的應變值、應力值呈線性增長；盆式絕緣子同一測點的徑向應變大于周向應變；盆式絕緣子圓周面上直徑相同的位置應變、應力大致相同。

（4）在水壓試驗中，當水壓值達到2.1 MPa時，盆式絕緣子會發生破壞，其裂紋在水平面上呈一定的對稱分布。

（5）該絕緣子為適應直流電場采用盤式結構，雖然能夠有效地降低電場強度，但是其力學性能未達到額定要求的標準，即2.4 MPa，因此后續研究中還需對其結構進行優化，以滿足標準規定的力學性能要求。