周 君 駱祥華 許金亮 黨景濤

（青島特銳德電氣股份有限公司）

0 引言

隨著開關柜行業(yè)的發(fā)展，12kV共箱式氣體絕緣環(huán)網柜因其結構緊湊、體積小、重量輕、全天候、擴展性好、組合靈活、免維護、全封閉等特點[1-2]，迅速被城市配電網環(huán)網供電所接受從而廣泛應用[3-5]，在配電系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。其穩(wěn)定性及可靠性將直接影響整個配電網絡，氣箱作為環(huán)網柜的核心元件，其結構及制造將對環(huán)網柜的安全可靠運行產生直接影響。

到目前為止，氣箱的結構設計大部分建立在經驗積累的基礎之上，缺乏理論的支持，而通過有限元分析軟件的應用，能夠很好地找出氣箱的最大變形位置及應力集中點，從而對氣箱結構進行一個整體的優(yōu)化，以達到設計要求[6]；之后，通過水壓試驗進一步確定氣箱是否滿足要求，并最終確定其最大使用壓力。

1 氣箱分析

CCF（負荷開關單元+負荷開關單元+組合電器單元）模塊是三個單元的組合，是共箱式環(huán)網柜常見的模塊，其氣箱采用3mm厚不銹鋼板折彎后焊接而成，氣箱內外兩側均焊接相應的加強筋，分析前氣箱結構如圖1所示，圖中未增加任何電纜試驗套管孔，爆破片在氣箱底部左側位置。

2 峰值壓力的確定

氣箱在內部發(fā)生燃弧故障時將產生巨大的燃弧壓力[8-12]，因此，在分析氣箱受力變形之前，需要確定發(fā)生燃弧時的瞬時峰值壓力[13-14]。在此，摒棄以前分析時采用的經驗值，通過有限元理論分析，并結合實際經驗，確定在不同的位置產生燃弧時，不同燃弧電流，不同爆破片直徑（綜合考慮氣箱強度及爆破片安裝）的情況下所產生的峰值壓力。內部燃弧數(shù)據(jù)分析見表1，在取得峰值壓力的同時，確定爆破片的尺寸及在氣箱底部的位置。

圖1 CCF模塊氣箱結構示意圖

表1 內部燃弧數(shù)據(jù)分析表

在此前提下，利用專業(yè)的分析軟件，建立 CCF模塊氣箱真實模型，并寫入CCF的真實參數(shù)，如：箱體體積、相間距、燃弧時間、絕緣氣體、工作壓力[7]等。

同時，為使氣箱能夠滿足使用過程中更加苛刻的條件，使所分析的數(shù)據(jù)更具有參考性，假定氣箱溫度為 75℃，絕緣氣體相對壓力 0.03MPa，爆破壓力0.12MPa，頻率60Hz。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，對氣箱爆破時的峰值壓力進行分析，結果見表2。

表2 峰值壓力結果數(shù)據(jù)表

從分析數(shù)據(jù)中可以看出，爆破片直徑為 190mm時，峰值壓力最小，為0.17MPa。圖2為爆破片直徑為190mm時，氣箱內部燃弧壓力隨時間的變化曲線，在燃弧 100ms后，燃弧壓力達到峰值，換句話說，雖然爆破片的爆破壓力為0.12MPa，但氣箱內部產生燃弧后，爆破片爆破前，需要一定的響應時間，在爆破片爆破時，氣箱內部壓力達到峰值壓力0.17MPa。因此，在對氣箱結構進行強度分析時，燃弧壓力采用峰值0.17MPa，分析數(shù)據(jù)具備較大的權威性。

圖2 燃弧壓力隨時間變化曲線

通過上述分析，將爆破片的直徑優(yōu)化為190mm。

3 氣箱機械強度有限元分析

根據(jù)天津太鋼天管不銹鋼有限公司提供的 3mm厚不銹鋼板的質量證明書，可以得出此種類型的不銹鋼板屈服強度為275MPa（此值假設為設計壓力下的許用值），抗拉強度為663MPa（此值假設為燃弧峰值壓力下許用值）。

氣箱設計壓力為0.03MPa（相對值），但由于環(huán)網柜使用條件比較惡劣，如使用溫度為 75℃或海拔為 3000m等，綜合考慮惡劣因素的影響，在本次分析中將設定壓力值提高到0.094MPa；根據(jù)上述分析，燃弧壓力取峰值0.17MPa（相對值），考慮到安全系數(shù)，增加 10%容差，即分析中取計算壓力為0.187MPa；同時，假設氣箱內氣體壓力作用于氣箱內部每個表面。

3.1 氣箱結構優(yōu)化前有限元分析[15-16]

在此前提下，對氣箱進行設計壓力及燃弧峰值壓力兩種情況下的有限元分析，分析結果如圖3、圖4所示。

圖3 設計壓力下氣箱強度分析結果

通過結果分析得出，在設定的相應許用應力前提下，氣箱內部拉桿與后板連接處、側板加強筋處、氣箱后板折彎處、頂部加強筋等位置均出現(xiàn)較大的應力集中現(xiàn)象，應力值超出許用值的位置分布較多，因此，氣箱結構存在較大的缺陷，在工作壓力及峰值壓力下存在風險。而且，氣箱頂部及后部形變較大，其勢將影響開關柜的正常工作。根據(jù)分析結果可知，氣箱結構需進一步優(yōu)化。

圖4 燃弧峰值壓力下氣箱強度分析結果

3.2 氣箱結構優(yōu)化后有限元分析

根據(jù)分析結果可知，氣箱結構問題主要集中在加強筋[17]分布不合理、加強筋數(shù)量不足、拉桿及連接圓盤直徑較小等方面。因此，對氣箱結構做如下修改：

1）氣箱內部拉桿直徑由8mm增大至12mm，并調整位置，與氣箱連接處圓盤直徑及厚度增大以均衡氣箱受力。

2）提升側板外部中間加強筋本身強度，并均布加強筋。

3）在氣箱后板內部焊接兩根U形加強筋，以減少后板的變形及受力。

4）在氣箱頂部外側增加3根縱向加強筋，以減少氣箱頂部的變形及受力。

在優(yōu)化完成后，仍按照原有的假定分析條件對優(yōu)化后的模型進行分析，分析結果如圖5、圖6所示。

通過對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)分析可知：

1）在 0.094MPa的設計壓力作用下，最大應變?yōu)?mm，發(fā)生在氣箱后板；最大應力為460MPa，發(fā)生于后板上側折彎處，較優(yōu)化前已明顯降低，且超出許用值區(qū)域大面積減少。

圖5 設計壓力下氣箱強度分析結果

圖6 爆破壓力下分析結果

2）在 0.187MPa的爆破壓力下，最大應變?yōu)?2mm，發(fā)生在氣箱后板；最大應力為 850MPa，發(fā)生于后板上側折彎處，較優(yōu)化前已明顯降低。

4 結束語

通過對共箱式環(huán)網柜氣箱的有限元分析，得出以下結論：

1）有限元分析可以在氣箱的設計研發(fā)中為我們提供理論上的支持，為氣箱的進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)，避免盲目修改。

2）氣箱研發(fā)設計過程中合理布置加強筋位置，對氣箱減少形變及均布應力起到重要作用。

3）在氣箱設計過程中合理利用有限元分析，會大大提高工作效率，降低設計成本。

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