电压互感器中盘式绝缘子的结构分析

王宇驰, 武泾元, 曾庆忠, 王光明

西安西电高压开关有限责任公司 西安 710018

1 研究背景

电压互感器是气体绝缘金属封闭组合电器中必不可少的关键元件之一,作为变电站日常运行中的一种重要设备,其作用是将电力系统的高电压按比例关系变换成100 V或更低等级的标准二次电压。电压互感器提供的实时电压检测值,供电力系统的电气测量和电气保护使用,也是发电厂、变电所等输电和供电系统中不可缺少的检测装置。随着我国电力事业的蓬勃发展,人们对电压互感器的性能提出了更高的要求[1-3]。

盘式绝缘子作为电压互感器中的关键部件,其性能优劣直接决定开关设备的绝缘性能及运行可靠性。盘式绝缘子综合性能的提高通常难以兼顾,如何通过设计及工艺优化来平衡力学性能、电气绝缘性能及耐热性能,是目前盘式绝缘子制造及研究的难点。随着电力系统可靠性要求的不断提高,人们对盘式绝缘子的耐压水平、力学性能也提出了更高的要求,尤其是盘式绝缘子的使用寿命要求达到40 a[4-10]。

笔者应用ANSYS有限元分析软件对126 kV电压互感器中盘式绝缘子的两种结构进行建模,并进行分析计算,同时介绍设计、生产盘式绝缘子时的注意事项。

2 电压互感器结构

126 kV电压互感器主要由躯壳、导体、绝缘子、线圈、屏蔽、铁心等组成,如图1所示。

由图1可知盘式绝缘子在电压互感器中的位置。盘式绝缘子阻隔了电压互感器气室中六氟化硫气体与气体绝缘金属封闭组合电器中其它元件的连通,方便带压维护,同时还可以在电压互感器单元装配完成后进行六氟化硫气体年漏气率检测,满足检测标准的要求。

图1 电压互感器结构

3 盘式绝缘子结构

126 kV电压互感器中盘式绝缘子的总体结构如下:外圈为铝环,内部为铝制中心导体,两者之间为环氧树脂混合料。盘式绝缘子的结构如图2所示,铝环的结构如图3所示。

图2 盘式绝缘子结构

图3 铝环结构

由图2、图3可知,通过浇注环氧树脂,使环氧树脂填充在铝环与中心导体之间。由于铝环四周椭圆切面浇注孔槽之中填充了环氧树脂,通过环氧树脂所具备的力学强度,可以保证当盘式绝缘子一侧充额定0.5 MPa六氟化硫气体,另一侧为常压时,盘式绝缘子不会破裂,满足产品带压检测、维护等需求。

4 不同结构盘式绝缘子仿真分析

设计四凸台支撑盘式绝缘子和十二凸台支撑盘式绝缘子,分别如图4、图5所示。针对两种结构盘式绝缘子,通过ANSYS有限元分析软件进行建模,分析不同结构盘式绝缘子的受力情况。

图4 四凸台支撑盘式绝缘子

图5 十二凸台支撑盘式绝缘子

在ANSYS分析时,对盘式绝缘子凸台进行全约束,限制其六个方向上的自由度。在施加载荷时,向盘式绝缘子一侧的面上施加0.5 MPa压强。

四凸台支撑盘式绝缘子受载变形前后比较如图6所示,受载后应力云图如图7所示。

图6 四凸台支撑盘式绝缘子受载变形前后比较

图7 四凸台支撑盘式绝缘子受载后应力云图

由图6可以看出,四凸台支撑盘式绝缘子由于仅有四处支撑作用在环氧树脂和铝环之间,造成环氧树脂部分和未连接的凸台支撑部分受力变形较大,盘式绝缘子整体变形也较大,变形最大处位于盘式绝缘子中间与导体接触的一圈环状体处,最大变形量为0.80 mm。

由图7可以看出,四凸台支撑盘式绝缘子凸台两侧为最大应力作用处,应力集中最大点位于凸台承受压力一侧。

十二凸台支撑盘式绝缘子受载变形前后比较如图8所示,受载后应力云图如图9所示。

图8 十二凸台支撑盘式绝缘子受载变形前后比较

图9 十二凸台支撑盘式绝缘子受载后应力云图

由图8可以看出,十二凸台支撑盘式绝缘子由于有十二处支撑,整体变形与四凸台结构相比,变形量大幅减小,变形最大处位于绝缘子中间与导体接触的一圈环状体处,最大变形量仅为0.12 mm。

由图9可以看出,十二凸台支撑盘式绝缘子应力集中最大点同样位于绝缘子中间与导体接触的一圈环状体处。

由图6～图9对比可以看出,十二凸台支撑盘式绝缘子的整体变形量相比四凸台结构大幅减小,应力集中点相应减少,绝缘子环氧树脂部分与铝圈接触的最外侧一圈几乎未发生变形。与四凸台结构相比,十二凸台结构受力状况改善显著。

5 四凸台支撑盘式绝缘子屈曲分析

屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状的技术。采用特征值屈曲分析的方法对四凸台支撑盘式绝缘子进行分析,如图10所示,得到临界载荷为43.3 kN。

根据临界载荷43.3 kN,计算出四凸台支撑盘式绝缘子凸台承受的剪切应力为13.5 MPa。应力集中因子一般为2～3,以最低数值2为应力集中因子,环氧材料的剪切应力需要达到27 MPa,已高于环氧浇注材料剪切设计许用应力。如果在凸台附近存在微小气泡等工艺过程缺陷,那么盘式绝缘子在承受0.5 MPa压强的六氟化硫气体检漏中存在开裂风险[11]。

图10 四凸台支撑盘式绝缘子屈曲分析

笔者公司电压互感器所使用的盘式绝缘子,均要求为十二凸台结构,在一次使用外协供货错误配送的四凸台支撑盘式绝缘子进行六氟化硫气体年漏气率检测时,发生开裂事故,如图11所示,说明前述理论计算是正确的,在产品设计时使用四凸台支撑盘式绝缘子是不合格的。

图11 四凸台支撑盘式绝缘子开裂事故

6 结束语

盘式绝缘子作为电压互感器的重要部件,设计时必须保证足够的安全性,不可随意改变结构。部分厂家将凸台数量减少到四个,对盘式绝缘子的使用埋下很大风险。

对于任何结构改变,均应使用技术手段进行计算分析,确认可靠后,方可实施。

对于性能要求严格的环氧浇注绝缘件,必须逐个按图纸要求进行入厂检测,外观检测无结果时,需要通过相关设备仪器保证产品符合图纸要求。例如,引入原用于绝缘件内部气泡缺陷的X射线检测,确认铝环内部凸台的数量,确认盘式绝缘子使用中的安全性。