李 勇，趙 順，辛道越

（廣東明陽電氣股份有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，工程建設(shè)的復(fù)雜程度也在不斷加大，用戶對(duì)電氣開關(guān)設(shè)備小型化、免維護(hù)、智能化的要求越來越高。中壓領(lǐng)域尤其是在35 kV電壓等級(jí)，C-GIS由于氣體絕緣開關(guān)柜的一次高壓部分完全密閉在充氣隔室內(nèi)，產(chǎn)品在環(huán)境耐受性方面有特殊優(yōu)勢(shì)，特別適用于高潮濕、高污染、高海拔等地區(qū)。充氣式開關(guān)柜由于其免受外部環(huán)境影響，所以深受用戶青睞。但是在實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行過程中，充氣箱體漏氣故障率居高不下。而氣箱一旦漏氣，必將引起設(shè)備絕緣性能、開斷性能的下降，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品安全運(yùn)行[1]。

因此，氣箱作為充氣式開關(guān)柜的重要組成部分，是母線充氣隔室和斷路器充氣隔室的殼體，也是充氣式開關(guān)柜正常工作的核心部件。針對(duì)某型號(hào)35 kV充氣式開關(guān)柜的氣箱而言，其要有可靠的強(qiáng)度，能夠承受住相對(duì)壓力為0.03 MPa的絕緣氣體正壓力，且氣箱不得有損傷和不允許的永久變形，以滿足充氣柜的正常運(yùn)行；另外氣箱也應(yīng)有嚴(yán)格的密封性和精確的形位精度，以滿足氣箱充氣后無泄漏的要求及整體裝配質(zhì)量的要求[2]。因此，氣箱強(qiáng)度決定著氣箱密封性和安裝精度，當(dāng)氣箱強(qiáng)度不足產(chǎn)生變形時(shí)，側(cè)并套管、母聯(lián)器、連接件等亦會(huì)產(chǎn)生變形，密封性和安裝精度也都會(huì)受到影響。

本文從氣箱變形與加強(qiáng)筋的布置方式進(jìn)行分析，基于ANSYS Workbench有限元分析，獲得氣箱核心部位變形量的數(shù)據(jù)及不同加強(qiáng)筋布置方式的變化規(guī)律；優(yōu)化了氣箱結(jié)構(gòu)，減小了充氣之后氣箱的變形量，且使充氣式開關(guān)柜氣箱各個(gè)部位的局部應(yīng)力在材料許用范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該型號(hào)充氣式開關(guān)柜設(shè)計(jì)的可靠性與穩(wěn)定性。

1 開關(guān)柜主要結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

1.1 相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸與參數(shù)確定

該型號(hào)充氣式開關(guān)柜是由上下氣箱（母線充氣隔室和斷路器充氣隔室）、前后柜體（低壓儀表室和泄壓通道）、鋁型材底座（電纜隔室）及相應(yīng)的電氣元件4個(gè)部分組成。其中氣箱作為充氣式開關(guān)柜正常工作的核心部件，由上氣箱、下氣箱、用于上下氣箱連通及緊固的連接裝置、氣箱內(nèi)部銅排及相關(guān)的電氣元件組成。一次方案原理圖和柜子整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示。其中A為上氣箱（母線充氣隔室）、B為下氣箱（斷路器充氣隔室）、C為前柜（低壓儀表室）、D為鋁型材底座（電纜隔室）、E為后柜上（泄壓通道）、F為后柜下（泄壓通道）。

圖1 一次方案原理

圖2 柜子整體結(jié)構(gòu)示意圖

由一次方案原理圖可知本型號(hào)的充氣式開關(guān)柜包含三位置隔離開關(guān)、斷路器、避雷器等電氣元件，且斷路器布置在下氣箱當(dāng)中，已知斷路器機(jī)構(gòu)的相間距為210 mm，斷路器結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置，要求該氣箱在電壓等級(jí)為35 kV時(shí)，且考慮以低壓力SF6氣體作為絕緣介質(zhì)、海拔低于1 000 m時(shí)，保證氣箱內(nèi)部清潔度等級(jí)的條件下，要確保在金屬封閉的氣箱內(nèi)，相間或者相對(duì)地絕緣距離不小于60 mm[3]。在爬電距離方面提出了十分嚴(yán)格的要求，通過添加屏蔽罩、對(duì)導(dǎo)電件進(jìn)行圓角處理等措施，保證了高壓開關(guān)柜中各組件及其支撐絕緣件（純瓷及有機(jī)絕緣件）的外絕緣爬電比距（高壓電器組件外絕緣的爬電距離與額定電壓之比）；另外在充氣式開關(guān)柜使用環(huán)境較潮濕的場(chǎng)所，為了防止發(fā)生凝露，在開關(guān)柜中的電纜室，斷路器室加入帶溫控裝置的加熱器[4]。

經(jīng)計(jì)算得知，該型號(hào)的充氣式開關(guān)柜整體尺寸為：寬800 mm、深1 800 mm、高2 250 mm。具體對(duì)于上下氣箱而言，其尺寸分別為：上氣箱寬800 mm、深800 mm、高670 mm和下氣箱寬800 mm、深1 300 mm、高795 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)分析及簡(jiǎn)化

由1.1節(jié)可知，該型號(hào)的充氣式開關(guān)柜的主要結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)已確定，借助SolidWorks軟件構(gòu)建起該柜的三維樣機(jī)模型如圖3所示。由圖可知，后柜上和后柜下是上下氣箱（母線充氣隔室和斷路器充氣隔室）的泄壓通道，因?yàn)樵诟邏狠斉潆娫O(shè)備運(yùn)行過程中，會(huì)因短路、絕緣老化、人員操作不當(dāng)?shù)仍?，使高壓開關(guān)設(shè)備在極高的短路電流下瞬間產(chǎn)生高壓高溫氣體，若這些高壓高溫氣體在狹小的柜體內(nèi)不能在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效地釋放，就會(huì)造成柜體開裂、并柜設(shè)備損壞以及傷害人員安全的后果。因此當(dāng)充氣式開關(guān)柜發(fā)生事故導(dǎo)致氣箱后端的防爆膜炸開之后，可迅速借助該通道將高壓高溫氣體從頂部排出，起主要泄壓作用[5]。前柜是充氣式開關(guān)柜的低壓儀表室，一些諸如智能電能表、繼電保護(hù)器等二次電氣元件可以放置在此處。鋁型材底座（電纜隔室）作為氣箱的主要承重部件，具有抗震的作用。而針對(duì)本文的研究對(duì)象—?dú)庀?，是以低壓力SF6氣體（經(jīng)實(shí)測(cè)氣體額定充入壓力為0.03 MPa（20℃表壓）作為主絕緣介質(zhì)，將斷路器、三位置隔離開關(guān)、分支母線等高壓帶電一次元件完全封閉在一個(gè)獨(dú)立的3 mm厚不銹鋼氣箱。

圖3 該柜的三維樣機(jī)模型示意圖

由圖4可知，上氣箱當(dāng)中有三工位機(jī)構(gòu)安裝板、側(cè)并套管、后封鋁板、上下氣箱連接絕緣子等結(jié)構(gòu)件及電氣元件，根據(jù)1.1節(jié)可知上氣箱的尺寸為：寬800 mm、深800 mm、高670 mm；已知在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)該型號(hào)的充氣式開關(guān)柜上氣箱變形量并不明顯，且上氣箱結(jié)構(gòu)也有著較好的密封性。而下氣箱僅在氣箱的前、后、上下端安裝有斷路器安裝板、后封鋁板及內(nèi)錐插座安裝法蘭板，在氣箱的左右兩側(cè)板上無電氣元件的固定點(diǎn)（面），只能靠加強(qiáng)筋起到抑制變形的作用。因此，本文針對(duì)氣箱的研究主要集中在下氣箱的左右兩側(cè)板位置，具體而言是驗(yàn)證側(cè)板變形與加強(qiáng)筋之間的關(guān)系；此時(shí)在下氣箱的前、后、上下端安裝的電氣元件相較于下氣箱兩側(cè)板加強(qiáng)筋（角加強(qiáng)筋）的緊固作用可以忽略不計(jì)，因此在省略其他無關(guān)影響因素之后，簡(jiǎn)化后下氣箱的主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 上下氣箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 簡(jiǎn)化后下氣箱主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 開關(guān)柜氣箱結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 加強(qiáng)筋與氣箱強(qiáng)度的影響

由第1節(jié)可知，影響該型號(hào)的充氣式開關(guān)柜氣箱變形主要位于下氣箱的左右側(cè)板位置，如果氣箱兩側(cè)面變形量不加以控制，那么不僅會(huì)對(duì)后面的拼柜會(huì)產(chǎn)生不良影響，還會(huì)造成氣箱內(nèi)部氣體的泄露，影響產(chǎn)品的氣密性和可靠性。簡(jiǎn)化后的下氣箱側(cè)板結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)化后下氣箱側(cè)板結(jié)構(gòu)示意圖

由圖可知下氣箱左右側(cè)板任一截面可以近似等效為簡(jiǎn)支梁的方式，加強(qiáng)筋作用在下氣箱側(cè)板上的受力示意圖如圖7[6]所示。

在圖7中，中間點(diǎn)C的擾度f為：

圖7 下氣箱側(cè)板上的受力示意圖

由式（1）可知，慣性矩IX越大，擾度fC越小；長(zhǎng)度a越小，擾度fC也越小。故為了降低下氣箱左右側(cè)板的變形，有效的方式是增大加強(qiáng)筋截面慣性矩以及減小加強(qiáng)筋a的長(zhǎng)度。

在該型號(hào)的充氣開關(guān)柜氣箱當(dāng)中，選取的加強(qiáng)筋形式主要為U型加強(qiáng)筋，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示[7]。

圖8 U型加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)示意圖

式中：IX為慣性矩，cm4；e1為重心S到相應(yīng)邊的距離，cm；e2為重心S到相應(yīng)邊的距離，cm。

根據(jù)式（1）～（3）及廠內(nèi)加工工藝的實(shí)際情況，該型號(hào)的充氣式開關(guān)柜下氣箱左右側(cè)板上焊接的加強(qiáng)筋為U型加強(qiáng)筋，且選取的U型加強(qiáng)筋橫截面尺寸：B=40 mm、H=20 mm、b=35 mm、d=3 mm。

2.2 氣箱結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

眾所周知，在對(duì)某些重要零部件表面上焊接加強(qiáng)筋，可以有效地增強(qiáng)該零件的強(qiáng)度。由2.1節(jié)已經(jīng)選擇好加強(qiáng)筋的類型，故在本章中針對(duì)該型號(hào)充氣開關(guān)柜下氣箱左右側(cè)板強(qiáng)度的分析，主要是考慮加強(qiáng)筋的布置方式及數(shù)量的影響[8]。

強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。金屬在外力作用下的變形可分為彈性變形、彈塑性變形和斷裂3個(gè)連續(xù)的階段。在應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，材料出現(xiàn)明顯塑性變形；當(dāng)應(yīng)力到強(qiáng)度極限時(shí)，材料會(huì)斷裂團(tuán)[9]。因此要在下氣箱左右側(cè)板上合適的位置焊接加強(qiáng)筋，以達(dá)到增大局部強(qiáng)度，降低失效風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2.2.1 模型的前處理

借助前兩章節(jié)的研究，已經(jīng)得到氣箱和加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)尺寸和三維模型，可通過SolidWorks軟件將簡(jiǎn)化修改好的三維模型另存為“x-t”格式，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析模塊，定義U型加強(qiáng)筋和下氣箱左右側(cè)板的材料均為“不銹鋼1Cr18Ni9 Ti”；當(dāng)U型加強(qiáng)筋通過焊接到板材表面時(shí)，需要定義接觸方式來提供不同部件之間載荷傳遞的方法，具體對(duì)于下氣箱左右側(cè)板與U型加強(qiáng)筋的焊接方式而言，該型號(hào)充氣式開關(guān)柜的氣箱焊接是選擇機(jī)器人滿焊接的方式，即在軟件中采用的是固定“bonded”的接觸組裝方式，由于U型加強(qiáng)筋與板材形狀較為規(guī)整，無異形結(jié)構(gòu)，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，故選擇“整體網(wǎng)格劃分控制”將“Relevance Center”和“Span Angle Center”選 擇“Fine”，“Relevance”的數(shù)值定義為100，“Element Size”和“Defeature Size”選擇“Default”即可。對(duì)于本本的載荷及約束的施加，邊界約束“Fixed Support”要選中板材的四周位置；對(duì)于壓力“Pressure”而言，本例在氣箱內(nèi)部充注0.03 MPa壓力氣體，即板材表面受到垂直其方向的“Pressure”，大小為0.03 MPa。

2.2.2 模型的分析求解

為提高網(wǎng)格劃分的效率，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能，大大縮短仿真分析的求解時(shí)間，特在ANSYS Workbench軟件中打開并行計(jì)算設(shè)置，點(diǎn)擊“Tools”→“Solve Process Settings”→“My Computer”→“Advance”，修改“Max number of utilized cores”數(shù)目為2，選擇“use GPU accelerate”為“NVIDIA”[10]。

2.2.3 氣箱結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

通過2.1章節(jié)的探討，已經(jīng)確定好焊接到下氣箱左右側(cè)板上的加強(qiáng)筋類型為U型加強(qiáng)筋，那么在ANSYS Workbench軟件中的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析模塊中，只用考慮加強(qiáng)筋的“數(shù)量”及“布置方式”對(duì)下氣箱左右側(cè)板強(qiáng)度的影響，故選擇使用“Directional Deformation”1.0倍（True Scale）的云圖來直觀明了地反映氣箱頂封板在受到0.03 MPa壓力作用下，在X軸方向（即垂直于板面方向）抵抗氣箱變形的能力[11]。

通過采用縱向和橫向比較來分析U型加強(qiáng)筋對(duì)板材的影響（縱向：分析相同數(shù)量的U型加強(qiáng)筋采用不同布置方式時(shí)對(duì)下氣箱左右側(cè)板產(chǎn)生的強(qiáng)度影響；橫向：分析相同布置方式的U型加強(qiáng)筋采用不同數(shù)量時(shí)對(duì)下氣箱左右側(cè)板產(chǎn)生的強(qiáng)度影響），具體分析對(duì)比結(jié)果如圖9和表1所示。

表1 不同數(shù)量加強(qiáng)筋焊接距離數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖9 縱向/橫向云圖對(duì)比分析結(jié)果

2.3 氣箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證

為了更好地驗(yàn)證利用ANSYS Workbench軟件得到的結(jié)果，我司對(duì)該型號(hào)的充氣式開關(guān)柜采用試驗(yàn)驗(yàn)證與模擬仿真相結(jié)合的方式，通過試制多臺(tái)采用不同布置方式及數(shù)量的U型加強(qiáng)筋的氣箱，測(cè)量與觀察加強(qiáng)筋焊接到氣箱側(cè)板內(nèi)壁之后，實(shí)際測(cè)量下氣箱左右側(cè)板的變形量，進(jìn)一步的證實(shí)了2.2章節(jié)的結(jié)論。

對(duì)豎直焊接7根U型加強(qiáng)筋的下氣箱左右側(cè)板進(jìn)行應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)受到最大應(yīng)力為139.9 MPa，且側(cè)板和加強(qiáng)筋材質(zhì)為304不銹鋼材料，在常溫靜態(tài)載荷下，考慮安全系數(shù)n=2.0，故其許用應(yīng)力為：

式中：[δ]為304不銹鋼材料的許用應(yīng)力值；δs為不銹鋼材料的極限應(yīng)力值；n為不銹鋼材料的規(guī)定安全系數(shù)，此處取塑性材料的上極限值[12]。

由計(jì)算可知，側(cè)板和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)材質(zhì)滿足強(qiáng)度要求。此外對(duì)側(cè)板進(jìn)行應(yīng)變分析可以發(fā)現(xiàn)其最大變形量為2.3 mm，變形量極小，對(duì)充氣式開關(guān)柜設(shè)備正常工作幾乎沒有影響，可以不作考慮。因此，下氣箱結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，且采用豎直焊接的方式要比其他焊接方式抑制氣箱的變形量效果更好。圖10和表2可以分別從實(shí)際感觀和數(shù)值對(duì)比的角度來說明情況。

圖10 改進(jìn)后整體設(shè)備的實(shí)物

表2 本次案例的加強(qiáng)筋與板材變形量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語

雖然在本文中存在多變量因素對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響的風(fēng)險(xiǎn)，但可采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的多變量分析法，利用多因素回歸分析的思想，對(duì)眾多結(jié)果進(jìn)行抽絲剝繭分析，逐步找到影響結(jié)果的關(guān)鍵因素。

通過前文中采用ANSYS Workbench軟件中的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析與試制樣機(jī)的辦法，通過“Directional Deformation”的云圖及實(shí)物變形測(cè)量的數(shù)據(jù)可知：當(dāng)相同數(shù)量的U型加強(qiáng)筋采用豎直布置方式時(shí)，對(duì)下氣箱左右側(cè)板產(chǎn)生變形的抑制效果更好；當(dāng)相同布置方式的U型加強(qiáng)筋采用較多數(shù)量時(shí)，對(duì)下氣箱左右側(cè)板產(chǎn)生變形的抑制效果更好，但在下氣箱左右側(cè)板上豎直布置7根U型加強(qiáng)筋，其相間距和到前后板邊的距離為162.5 mm時(shí)，達(dá)到最優(yōu)效果，實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋數(shù)量（布置方式）與板材強(qiáng)度匹配的最優(yōu)解，為下一步產(chǎn)品大批量生產(chǎn)和優(yōu)化降本提供了有力的依據(jù)和參考。