GIS管母線力學(xué)特性的有限元分析與研究.pdf

1、隨著社會對電力需求量的逐漸增大，500kV及以上的高壓變電站數(shù)量逐漸增多。在供電中心區(qū)域，需要占地面積小，運行安全可靠的新型變電設(shè)備。在國內(nèi)外電網(wǎng)變電站建設(shè)中，逐漸引進一種新型的一次封閉開關(guān)機械設(shè)備——氣體絕緣全封閉組合電器GIS。GIS設(shè)備內(nèi)部充有SF6惰性氣體作為滅弧介質(zhì)，絕緣性能優(yōu)異，運行安全系數(shù)高。GIS設(shè)備暴露于室外，受力情況復(fù)雜，常因外力損壞、設(shè)備老化、安裝工藝不合理等原因發(fā)生氣體泄漏事故，對人身、環(huán)境和設(shè)備造成危害。因此，

2、全面了解和掌握GIS設(shè)備在不同工況下的靜動力學(xué)特征，對于提高我國電網(wǎng)運行的安全性有重要的理論和工程意義。
　　本文在有限元軟件ANSYSWorkbench12.1環(huán)境中，對臨淄變電站220kVGIS設(shè)備主母線進行多工況模擬分析，詳細(xì)研究了管母線幾何建模、網(wǎng)格劃分、接觸定義、載荷施加等技術(shù)。模擬結(jié)果獲得了管母線在大風(fēng)工況、變溫工況、地震工況和不均勻沉降工況中的應(yīng)力和變形分布情況，全面考察設(shè)備運行過程中的靜動力學(xué)響應(yīng)特征，為薄弱部位提

3、出改進意見。
　　對GIS管母線殼體及法蘭部位進行常規(guī)工況應(yīng)力分析。在0.1～0.6MPa工作內(nèi)壓作用下，對一典型四通母線筒殼體進行有限元分析。結(jié)果顯示，應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)于簡體開孔肩部外表面，在工作內(nèi)壓0.5MPa條件下，殼體最大應(yīng)力為60.34MPa，結(jié)構(gòu)偏于安全。本文以工作內(nèi)壓和螺栓預(yù)緊力為變量，考察一三通母線筒殼體法蘭的應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在法蘭與母線筒連接位置，在工作內(nèi)壓0.5MPa，螺栓預(yù)緊力800

4、0N條件下，螺栓和法蘭最大應(yīng)力值分別為33.3MPa和21MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)偏于安全。
　　在大風(fēng)工況分析中，對GIS管母線分別施加穩(wěn)定風(fēng)、陣風(fēng)和脈動風(fēng)載荷作用。模擬結(jié)果表明，相比于靜態(tài)風(fēng)作用，動態(tài)風(fēng)載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，位移量較小。在設(shè)計風(fēng)速30m/s作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值位于波紋管表面，最大變形量出現(xiàn)在東側(cè)端部法蘭處，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足大風(fēng)工況強度要求。在管母線模態(tài)分析中，根據(jù)卡門渦旋理論計算出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速作用下管母線自鎖頻率

5、為9.23Hz。通過有限元模態(tài)分析，得到不同跨距和形式管母線前六階固有頻率。結(jié)果顯示，當(dāng)管母線跨距大于16.9m時，固有頻率小于自鎖頻率，結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生共振。結(jié)構(gòu)失效形式為最東側(cè)支撐絕緣子與法蘭連接失效。在變溫工況分析中，結(jié)構(gòu)最大位移量出現(xiàn)在波紋管膨脹節(jié)處。在-5～70℃和35～70℃變溫工況中，母線筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在母線筒開孔處，分別為167.29MPa和167.19MPa，均超過材料許用應(yīng)力。在夏季，管母線結(jié)構(gòu)母線筒開孔處會因材料屈服

6、而發(fā)生泄漏事故。本文采用不同烈度和方向的El-centro地震波對臨淄變電站GIS管母線抗震性能進行驗證。結(jié)果顯示，地震波作用下，管母線最大應(yīng)力出現(xiàn)在母線筒開孔處。X方向地震波作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值明顯大于Z方向地震波作用下的情況。在9級地震波作用下，管母線最大應(yīng)力值為82.68MPa，小于設(shè)計規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足變電站抗震需求。在不均勻沉降工況中，相鄰支撐桿最大沉降差為1.24mm，管母線整體沉降比為1.79mm/20m，結(jié)構(gòu)最大沉降量