楊 銳，司曉闖，袁端鵬，李 凱，周 凱，郝留成，陳 蕊，王亞祥，張 佩，許東杰

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山467001)

0 引 言

高壓開關(guān)設(shè)備用于電力系統(tǒng)中對輸電線路進(jìn)行控制、監(jiān)測、保護(hù)和切換[1]，高壓空心復(fù)合絕緣子(以下簡稱復(fù)合絕緣子)作為高壓開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵部件，其氣密性影響產(chǎn)品的可靠性，一般要求年漏氣率不高于3‰。目前，氣體絕緣形式的高壓開關(guān)設(shè)備多采用一定壓力的SF6作為絕緣介質(zhì)，在其密封方面，由于三元乙丙橡膠(EPDM)是一種超彈性材料，且具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度[2-4]，利用三元乙丙橡膠制成的O形密封圈是用量最大的密封件。在使用過程中，O形密封圈擠壓后會發(fā)生形變產(chǎn)生接觸應(yīng)力，實現(xiàn)可靠密封[5]。而應(yīng)力對橡膠材料的老化反應(yīng)速率有較大的影響[6]。

密封性能是復(fù)合絕緣子的一項關(guān)鍵技術(shù)，復(fù)合絕緣子常用的靜密封結(jié)構(gòu)有矩形槽和三角形密封結(jié)構(gòu)，靜密封的密封性能需要可靠的預(yù)壓縮應(yīng)力和高于內(nèi)絕緣氣壓的接觸壓力，不同的壓縮率和內(nèi)絕緣氣壓對結(jié)構(gòu)的密封性能有影響，而文獻(xiàn)中對三角形密封結(jié)構(gòu)的密封性能研究鮮有報道，本研究結(jié)合復(fù)合絕緣子產(chǎn)品實際運行經(jīng)驗，選用126～800 kV復(fù)合絕緣子產(chǎn)品中常用的工作壓力和試驗壓力參數(shù)對三角形密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過試驗測試、數(shù)值模擬的方法確定了三元乙丙橡膠的材料常數(shù)，利用有限元分析軟件ANSYS對三角形密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，得到不同壓縮率和氣壓下密封圈的應(yīng)力、變形及接觸壓力的變化規(guī)律，反映了不同壓縮率和內(nèi)壓下三角密封結(jié)構(gòu)的密封性能。本研究的密封性能分析結(jié)果可擴(kuò)展至126～800 kV等級復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，為復(fù)合絕緣子類產(chǎn)品的三角形密封結(jié)構(gòu)提供了合理的設(shè)計依據(jù)。

1 橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定

1.1 橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系

O形密封圈具有幾何非線性，橡膠體超彈性，邊界非線性的特點[7]，Mooney-Rivlin本構(gòu)模型對橡膠材料的超彈性特性可以較好的表達(dá)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性[8-11]。其彈性應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式如下[12]：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中I1和I2為應(yīng)變張量第1和第2不變量。綜合文獻(xiàn)[13-15]推導(dǎo)得到的材料常數(shù)的表達(dá)式(2)，其中：λ1=1+ε1，ε1為拉伸方向的應(yīng)變。

(2)

測得不同的伸長比λ1對應(yīng)的應(yīng)力值σ1，令1/λ1為橫坐標(biāo)，σ1/2(λ1-1/λ12)為縱坐標(biāo)[16]，對數(shù)值進(jìn)行擬合，C10為這條線的截距，C01為這條線的斜率，可得到二參數(shù)Mooney-Rivlin的材料常數(shù)。

1.2 單軸向拉伸試驗

圖1 樣件測試Fig. 1 Sample test

單軸向拉伸試驗測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 單軸向拉伸試驗測試應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curve of uniaxial tensile test

依據(jù)試驗得到表1的測試數(shù)據(jù)：

表1 單軸向拉伸試驗結(jié)果Table 1 The result of uniaxial tensile test

1.3 數(shù)值擬合確定材料常數(shù)

依據(jù)5件試樣應(yīng)力-應(yīng)變平均值的試驗數(shù)值對材料常數(shù)進(jìn)行擬合，橫坐標(biāo)以1/λ1為系數(shù)A，縱坐標(biāo)以σ1/2(λ1-1/λ12)為系數(shù)B，擬合曲線近似線性，見圖3。根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系，力學(xué)性能常數(shù)C10為0.912，C01為0.016。

圖3 擬合常數(shù)Fig. 3 Fitting constant

建立試驗樣件仿真分析模型，輸入擬合的材料力學(xué)常數(shù)C10及C01，依據(jù)單軸向拉伸試驗測得的標(biāo)距伸長率給定拉伸位移，模擬樣件的拉伸試驗過程，計算結(jié)果見圖4。按照仿真分析和試驗測試得到的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，分別擬合得到圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖5可以看出仿真和測試結(jié)果趨向一致，數(shù)值偏差小。因此，通過數(shù)值擬合方法得到的橡膠力學(xué)常數(shù)用來仿真分析復(fù)合絕緣子三角形密封結(jié)構(gòu)是可靠的。

圖4 試驗樣件仿真計算結(jié)果Fig. 4 Simulation calculation results of test samples

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Stress-strain curve

2 高壓復(fù)合絕緣子用O型密封圈三角密封槽結(jié)構(gòu)

相對于矩形槽(平面)密封結(jié)構(gòu)，三角形結(jié)構(gòu)更適合用于高壓復(fù)合絕緣子的密封。平面密封結(jié)構(gòu)示意見圖6(a),一方面，需要對玻璃鋼管和套管法蘭、套管法蘭和本體法蘭分別設(shè)計兩處平面密封槽，制造和安裝成本高，密封點數(shù)量多，增加了泄露風(fēng)險。另一方面，需要將其中一個密封圈預(yù)制于玻璃鋼和套管法蘭處的密封槽內(nèi)，從而密封圈處于不可拆卸狀態(tài)，在后期運維中，當(dāng)發(fā)生密封失效時，漏點排查難度高，需要更換整支復(fù)合絕緣子，維護(hù)成本高。

在三角密封結(jié)構(gòu)中，見圖6(b)和圖6(c)，O形密封圈布置于由玻璃鋼管、套管法蘭和本體法蘭組成的三角槽中，一個密封圈可同時實現(xiàn)對玻璃鋼管、套管法蘭和本體法蘭的密封，達(dá)到平面密封結(jié)構(gòu)中兩個密封圈的密封效果，既簡化了密封結(jié)構(gòu)，又減少了泄露隱患。當(dāng)出現(xiàn)密封失效時，只需要拆解本體法蘭，更換密封圈，對本體結(jié)構(gòu)沒有破壞，具有顯而易見的高裝配效率，低成本和易于維護(hù)的優(yōu)點。

圖6 高壓復(fù)合絕緣子用三角形密封結(jié)構(gòu)

由于O形密封圈的不可壓縮性[17]，三角密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)遵循O形密封圈截面積S1<三角槽截面積S2的原則。

等邊三角形密封槽的邊寬B、深度H1按以下算式(1)、(2)進(jìn)行計算。

B=(1.5d1-h1)/cos 30°

(1)

H1=1.5d1-h1

(2)

式中，h1為密封圈未壓縮時凸出空心復(fù)合絕緣子法蘭端面的高度。

圖7 三角密封結(jié)構(gòu)Fig. 7 Triangular sealing structure

以線徑φ8.6mm的O形密封圈為例，在10%、15%、20%、25%和30%的壓縮率下，得到的三角密封結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2：

表2 三角密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 三角形密封結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 建立分析模型

高壓復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)是軸對稱的，根據(jù)邊界條件的特點，建立二維軸對稱模型[18-19]。結(jié)合高壓復(fù)合絕緣子的實際使用情況，對玻璃鋼套管預(yù)留材料伸縮縫隙，設(shè)置密封間隙(見圖7中δ1)為0.3 mm，內(nèi)絕緣氣體從密封間隙處施氣壓于擠壓后的密封圈。O形密封圈的斷面直徑Φ8.6 mm，材料為三元乙丙橡膠(EPDM)，邵氏硬度70。建立分析模型及網(wǎng)格劃分見圖8。

圖8 二維軸對稱有限元分析模型網(wǎng)格劃分Fig. 8 Mesh generation of two-dimensionalaxisymmetric finite element analysis model

3.2 有限元仿真

密封結(jié)構(gòu)的接觸問題較為復(fù)雜，三角密封結(jié)構(gòu)中O形密封圈和金屬法蘭、玻璃鋼端面存在相互擠壓[20]。有限元仿真中使用的材料參數(shù)見表3。

表 3 材料參數(shù)Table 3 Material parameters

由于橡膠材料及接觸的非線性特點，通常采用罰函數(shù)(pure penalty)的接觸算法解決橡膠材料和法蘭、玻璃鋼管的接觸問題[21-24]。橡膠材料采用二參數(shù)的Mooney-Rivlin模型，接觸面采用adjust to touch，接觸面提供切向摩擦力，摩擦系數(shù)設(shè)為0.25，以剛度較大的玻璃鋼、法蘭作為目標(biāo)體，采用2個分析步模擬高壓復(fù)合絕緣子的安裝過程，求解步驟見圖9。首先對玻璃鋼管、套管法蘭頂端施加固定約束，本體法蘭沿著Y軸的正方向移動5 mm，仿真預(yù)壓縮O形橡膠密封圈的過程；然后在玻璃鋼管和本體法蘭間隙處施加給定的額定氣壓，模擬O形橡膠圈受到的氣壓。此分析過程基于O形密封圈的體積不可壓縮，彈性模量E和泊松比μ不受形變的影響，法蘭及玻璃鋼設(shè)為剛體邊界，且不考慮環(huán)境因素、材料老化對密封性能的影響[25-26]。

圖9 仿真分析步驟Fig. 9 Simulation analysis steps

3.3 計算及分析

3.3.1 壓縮率的變化對三角密封結(jié)構(gòu)的影響

分析O形密封圈在壓縮率為10%、15%、20%、25%、30%的條件下的預(yù)壓縮應(yīng)力及變形。O形密封圈在本體法蘭向上位移的過程中，隨著接觸應(yīng)力的增大，O形密封圈的應(yīng)力集中區(qū)由下側(cè)向兩側(cè)呈啞鈴狀分布。根據(jù)圖10的仿真分析結(jié)果，隨著壓縮率ε的增大，O形密封圈的變形量和應(yīng)力增大，應(yīng)力集中區(qū)從中間擴(kuò)散，并逐步向下部兩側(cè)分布和擴(kuò)大。σmax為O形密封圈的最大應(yīng)力壓縮率的增大導(dǎo)致預(yù)壓縮應(yīng)力相應(yīng)增大，但過大的預(yù)壓縮應(yīng)力易導(dǎo)致應(yīng)力集中。根據(jù)云圖的分布情況，壓縮率為30%左右時，近乎達(dá)到了密封圈的壓滿狀態(tài)，但密封圈并未發(fā)生擠出間隙，相對平面密封，三角結(jié)構(gòu)的三面擠壓狀態(tài)使密封圈即使處于壓滿也不易受間隙處的剪力作用影響[27]，在滿足預(yù)壓縮應(yīng)力的條件下，高壓復(fù)合套管常采用25%左右的壓縮率作為密封要求。

圖10 不同壓縮率預(yù)緊狀態(tài)時應(yīng)力及變形云圖Fig.10 Stress and deformation nephogram of preloaded state with different compressibility

3.3.2 內(nèi)氣壓的變化對三角密封結(jié)構(gòu)的影響

分析內(nèi)絕緣氣壓為0.4、0.6、0.8、1.6、2.4、3.2 MPa的條件下的應(yīng)力、變形及密封面接觸壓力分布。對壓縮率為25%的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行受壓分析，圖11中隨著內(nèi)絕緣氣壓的增大，O形密封圈的應(yīng)力集中區(qū)由下側(cè)的啞鈴狀分布朝著氣壓作用力的方向移動至密封圈和套管法蘭的接觸面一側(cè)，且隨著氣壓升高，應(yīng)力及變形越來越大。O形密封圈在常規(guī)的工作壓力如0.4、0.6、0.8 MPa下應(yīng)力分布情況較好，適用于復(fù)合套管長期運行的工況；在1.6、2.4、3.2 MPa的試驗壓力下，短期使用不會對密封性能造成影響。

圖11 不同內(nèi)絕緣氣壓下的應(yīng)力及變形云圖Fig. 11 Stress and deformation nephogram under different internal insulation pressure

3.3.3 密封面的接觸壓力分布情況

在無內(nèi)氣壓影響的不同壓縮率下，O形密封圈的三處擠壓面接觸壓力大小和接觸區(qū)長度近似相等，隨著內(nèi)絕緣氣壓的增大，密封圈朝向氣壓作用方向一側(cè)移動，應(yīng)力集中區(qū)向套管法蘭一側(cè)靠近，且密封圈和套管法蘭的接觸區(qū)長度逐漸增大。

密封失效的判據(jù)是密封面的接觸壓力小于內(nèi)絕緣氣體的充氣壓力[28-31]。根據(jù)圖12、圖13的計算結(jié)果，在3.2 MPa內(nèi)的氣壓作用下，密封面接觸壓力均大于內(nèi)絕緣充氣壓力，滿足高壓復(fù)合套管的密封要求。但是隨著氣壓的增大，密封面的接觸區(qū)域會發(fā)生變化，密封圈和玻璃鋼管的接觸區(qū)長度逐漸變小，密封圈和套管法蘭的接觸區(qū)逐漸增大，過小的密封接觸面和過大的接觸壓力均不利于密封的長期使用要求。在1.6 MPa以下的工作壓力下，滿足套管的長期工作運行要求。在1.6 MPa及以上的試驗壓力下可短期運行。

圖12 接觸壓力分布云圖Fig. 12 Cloud diagram of contact pressure distribution

圖13 接觸壓力Fig. 13 Contact pressure

4 結(jié)論

1)依據(jù)應(yīng)變能理論，對試驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)合有限元算法，驗證了Mooney-Rivlin常數(shù)確定方法的可靠性，得到了高壓復(fù)合套管用三元乙丙橡膠密封圈的材料力學(xué)性能常數(shù)C10和C01分別為0.912、0.016。

2)得到壓縮率及內(nèi)絕緣氣壓的變化對三角密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形的影響；在僅考慮應(yīng)力的作用下，三角形結(jié)構(gòu)中的O形密封圈應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在擠壓后的下部左右兩側(cè)，此部分區(qū)域易發(fā)生失效。在預(yù)壓縮應(yīng)力滿足密封要求的前提下，壓縮率在25%左右時，應(yīng)力分布情況較好，且三面擠壓的三角密封結(jié)構(gòu)不易受間隙處剪力影響，適宜高壓復(fù)合套管的密封要求。

3)分析壓縮率及內(nèi)絕緣氣壓的變化對三角密封結(jié)構(gòu)密封性能的影響，在3.2 MPa以下的氣壓下，接觸壓力均滿足密封要求。隨著內(nèi)壓的增大，接觸壓力朝著作用力方向增大，接觸區(qū)域變長，施壓一側(cè)接觸區(qū)域變小，得到三角密封結(jié)構(gòu)在0.4、0.6、0.8 MPa的工作壓力作用下可滿足復(fù)合套管的長期運行條件。此分析結(jié)果為三角密封結(jié)構(gòu)下126～800 kV復(fù)合絕緣子的密封性能分析提供了參考，對其密封結(jié)構(gòu)設(shè)計具有實際的參考價值。