基于三角密封结构的高压复合绝缘子密封性能研究

杨 锐，司晓闯，袁端鹏，李 凯，周 凯，郝留成，陈 蕊，王亚祥，张 佩，许东杰

(平高集团有限公司，河南 平顶山467001)

0 引 言

高压开关设备用于电力系统中对输电线路进行控制、监测、保护和切换[1]，高压空心复合绝缘子(以下简称复合绝缘子)作为高压开关设备的关键部件，其气密性影响产品的可靠性，一般要求年漏气率不高于3‰。目前，气体绝缘形式的高压开关设备多采用一定压力的SF6作为绝缘介质，在其密封方面，由于三元乙丙橡胶(EPDM)是一种超弹性材料，且具有优良的机械强度[2-4]，利用三元乙丙橡胶制成的O形密封圈是用量最大的密封件。在使用过程中，O形密封圈挤压后会发生形变产生接触应力，实现可靠密封[5]。而应力对橡胶材料的老化反应速率有较大的影响[6]。

密封性能是复合绝缘子的一项关键技术，复合绝缘子常用的静密封结构有矩形槽和三角形密封结构，静密封的密封性能需要可靠的预压缩应力和高于内绝缘气压的接触压力，不同的压缩率和内绝缘气压对结构的密封性能有影响，而文献中对三角形密封结构的密封性能研究鲜有报道，本研究结合复合绝缘子产品实际运行经验，选用126～800 kV复合绝缘子产品中常用的工作压力和试验压力参数对三角形密封结构进行分析，通过试验测试、数值模拟的方法确定了三元乙丙橡胶的材料常数，利用有限元分析软件ANSYS对三角形密封结构进行计算，得到不同压缩率和气压下密封圈的应力、变形及接触压力的变化规律，反映了不同压缩率和内压下三角密封结构的密封性能。本研究的密封性能分析结果可扩展至126～800 kV等级复合绝缘子产品的密封结构设计，为复合绝缘子类产品的三角形密封结构提供了合理的设计依据。

1 橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定

1.1 橡胶材料的本构关系

O形密封圈具有几何非线性，橡胶体超弹性，边界非线性的特点[7]，Mooney-Rivlin本构模型对橡胶材料的超弹性特性可以较好的表达，应力应变关系呈现非线性[8-11]。其弹性应变能函数表达式如下[12]：

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

(1)

式中I1和I2为应变张量第1和第2不变量。综合文献[13-15]推导得到的材料常数的表达式(2)，其中：λ1=1+ε1，ε1为拉伸方向的应变。

(2)

测得不同的伸长比λ1对应的应力值σ1，令1/λ1为横坐标，σ1/2(λ1-1/λ12)为纵坐标[16]，对数值进行拟合，C10为这条线的截距，C01为这条线的斜率，可得到二参数Mooney-Rivlin的材料常数。

1.2 单轴向拉伸试验

图1 样件测试Fig. 1 Sample test

单轴向拉伸试验测试结果如图2所示。

图2 单轴向拉伸试验测试应力-应变曲线Fig. 2 Stress-strain curve of uniaxial tensile test

依据试验得到表1的测试数据：

表1 单轴向拉伸试验结果Table 1 The result of uniaxial tensile test

1.3 数值拟合确定材料常数

依据5件试样应力-应变平均值的试验数值对材料常数进行拟合，横坐标以1/λ1为系数A，纵坐标以σ1/2(λ1-1/λ12)为系数B，拟合曲线近似线性，见图3。根据材料的本构关系，力学性能常数C10为0.912，C01为0.016。

图3 拟合常数Fig. 3 Fitting constant

建立试验样件仿真分析模型，输入拟合的材料力学常数C10及C01，依据单轴向拉伸试验测得的标距伸长率给定拉伸位移，模拟样件的拉伸试验过程，计算结果见图4。按照仿真分析和试验测试得到的应力、应变数据，分别拟合得到图5所示的应力-应变关系曲线。由图5可以看出仿真和测试结果趋向一致，数值偏差小。因此，通过数值拟合方法得到的橡胶力学常数用来仿真分析复合绝缘子三角形密封结构是可靠的。

图4 试验样件仿真计算结果Fig. 4 Simulation calculation results of test samples

图5 应力-应变曲线Fig. 5 Stress-strain curve

2 高压复合绝缘子用O型密封圈三角密封槽结构

相对于矩形槽(平面)密封结构，三角形结构更适合用于高压复合绝缘子的密封。平面密封结构示意见图6(a),一方面，需要对玻璃钢管和套管法兰、套管法兰和本体法兰分别设计两处平面密封槽，制造和安装成本高，密封点数量多，增加了泄露风险。另一方面，需要将其中一个密封圈预制于玻璃钢和套管法兰处的密封槽内，从而密封圈处于不可拆卸状态，在后期运维中，当发生密封失效时，漏点排查难度高，需要更换整支复合绝缘子，维护成本高。

在三角密封结构中，见图6(b)和图6(c)，O形密封圈布置于由玻璃钢管、套管法兰和本体法兰组成的三角槽中，一个密封圈可同时实现对玻璃钢管、套管法兰和本体法兰的密封，达到平面密封结构中两个密封圈的密封效果，既简化了密封结构，又减少了泄露隐患。当出现密封失效时，只需要拆解本体法兰，更换密封圈，对本体结构没有破坏，具有显而易见的高装配效率，低成本和易于维护的优点。

图6 高压复合绝缘子用三角形密封结构

由于O形密封圈的不可压缩性[17]，三角密封结构的设计应遵循O形密封圈截面积S1<三角槽截面积S2的原则。

等边三角形密封槽的边宽B、深度H1按以下算式(1)、(2)进行计算。

B=(1.5d1-h1)/cos 30°

(1)

H1=1.5d1-h1

(2)

式中，h1为密封圈未压缩时凸出空心复合绝缘子法兰端面的高度。

图7 三角密封结构Fig. 7 Triangular sealing structure

以线径φ8.6mm的O形密封圈为例，在10%、15%、20%、25%和30%的压缩率下，得到的三角密封结构参数见表2：

表2 三角密封结构参数

3 三角形密封结构有限元分析

3.1 建立分析模型

高压复合绝缘子的结构是轴对称的，根据边界条件的特点，建立二维轴对称模型[18-19]。结合高压复合绝缘子的实际使用情况，对玻璃钢套管预留材料伸缩缝隙，设置密封间隙(见图7中δ1)为0.3 mm，内绝缘气体从密封间隙处施气压于挤压后的密封圈。O形密封圈的断面直径Φ8.6 mm，材料为三元乙丙橡胶(EPDM)，邵氏硬度70。建立分析模型及网格划分见图8。

图8 二维轴对称有限元分析模型网格划分Fig. 8 Mesh generation of two-dimensionalaxisymmetric finite element analysis model

3.2 有限元仿真

密封结构的接触问题较为复杂，三角密封结构中O形密封圈和金属法兰、玻璃钢端面存在相互挤压[20]。有限元仿真中使用的材料参数见表3。

表 3 材料参数Table 3 Material parameters

由于橡胶材料及接触的非线性特点，通常采用罚函数(pure penalty)的接触算法解决橡胶材料和法兰、玻璃钢管的接触问题[21-24]。橡胶材料采用二参数的Mooney-Rivlin模型，接触面采用adjust to touch，接触面提供切向摩擦力，摩擦系数设为0.25，以刚度较大的玻璃钢、法兰作为目标体，采用2个分析步模拟高压复合绝缘子的安装过程，求解步骤见图9。首先对玻璃钢管、套管法兰顶端施加固定约束，本体法兰沿着Y轴的正方向移动5 mm，仿真预压缩O形橡胶密封圈的过程；然后在玻璃钢管和本体法兰间隙处施加给定的额定气压，模拟O形橡胶圈受到的气压。此分析过程基于O形密封圈的体积不可压缩，弹性模量E和泊松比μ不受形变的影响，法兰及玻璃钢设为刚体边界，且不考虑环境因素、材料老化对密封性能的影响[25-26]。

图9 仿真分析步骤Fig. 9 Simulation analysis steps

3.3 计算及分析

3.3.1 压缩率的变化对三角密封结构的影响

分析O形密封圈在压缩率为10%、15%、20%、25%、30%的条件下的预压缩应力及变形。O形密封圈在本体法兰向上位移的过程中，随着接触应力的增大，O形密封圈的应力集中区由下侧向两侧呈哑铃状分布。根据图10的仿真分析结果，随着压缩率ε的增大，O形密封圈的变形量和应力增大，应力集中区从中间扩散，并逐步向下部两侧分布和扩大。σmax为O形密封圈的最大应力压缩率的增大导致预压缩应力相应增大，但过大的预压缩应力易导致应力集中。根据云图的分布情况，压缩率为30%左右时，近乎达到了密封圈的压满状态，但密封圈并未发生挤出间隙，相对平面密封，三角结构的三面挤压状态使密封圈即使处于压满也不易受间隙处的剪力作用影响[27]，在满足预压缩应力的条件下，高压复合套管常采用25%左右的压缩率作为密封要求。

图10 不同压缩率预紧状态时应力及变形云图Fig.10 Stress and deformation nephogram of preloaded state with different compressibility

3.3.2 内气压的变化对三角密封结构的影响

分析内绝缘气压为0.4、0.6、0.8、1.6、2.4、3.2 MPa的条件下的应力、变形及密封面接触压力分布。对压缩率为25%的密封结构进行受压分析，图11中随着内绝缘气压的增大，O形密封圈的应力集中区由下侧的哑铃状分布朝着气压作用力的方向移动至密封圈和套管法兰的接触面一侧，且随着气压升高，应力及变形越来越大。O形密封圈在常规的工作压力如0.4、0.6、0.8 MPa下应力分布情况较好，适用于复合套管长期运行的工况；在1.6、2.4、3.2 MPa的试验压力下，短期使用不会对密封性能造成影响。

图11 不同内绝缘气压下的应力及变形云图Fig. 11 Stress and deformation nephogram under different internal insulation pressure

3.3.3 密封面的接触压力分布情况

在无内气压影响的不同压缩率下，O形密封圈的三处挤压面接触压力大小和接触区长度近似相等，随着内绝缘气压的增大，密封圈朝向气压作用方向一侧移动，应力集中区向套管法兰一侧靠近，且密封圈和套管法兰的接触区长度逐渐增大。

密封失效的判据是密封面的接触压力小于内绝缘气体的充气压力[28-31]。根据图12、图13的计算结果，在3.2 MPa内的气压作用下，密封面接触压力均大于内绝缘充气压力，满足高压复合套管的密封要求。但是随着气压的增大，密封面的接触区域会发生变化，密封圈和玻璃钢管的接触区长度逐渐变小，密封圈和套管法兰的接触区逐渐增大，过小的密封接触面和过大的接触压力均不利于密封的长期使用要求。在1.6 MPa以下的工作压力下，满足套管的长期工作运行要求。在1.6 MPa及以上的试验压力下可短期运行。

图12 接触压力分布云图Fig. 12 Cloud diagram of contact pressure distribution

图13 接触压力Fig. 13 Contact pressure

4 结论

1)依据应变能理论，对试验测试数据进行拟合，结合有限元算法，验证了Mooney-Rivlin常数确定方法的可靠性，得到了高压复合套管用三元乙丙橡胶密封圈的材料力学性能常数C10和C01分别为0.912、0.016。

2)得到压缩率及内绝缘气压的变化对三角密封结构应力及变形的影响；在仅考虑应力的作用下，三角形结构中的O形密封圈应力集中区域主要分布在挤压后的下部左右两侧，此部分区域易发生失效。在预压缩应力满足密封要求的前提下，压缩率在25%左右时，应力分布情况较好，且三面挤压的三角密封结构不易受间隙处剪力影响，适宜高压复合套管的密封要求。

3)分析压缩率及内绝缘气压的变化对三角密封结构密封性能的影响，在3.2 MPa以下的气压下，接触压力均满足密封要求。随着内压的增大，接触压力朝着作用力方向增大，接触区域变长，施压一侧接触区域变小，得到三角密封结构在0.4、0.6、0.8 MPa的工作压力作用下可满足复合套管的长期运行条件。此分析结果为三角密封结构下126～800 kV复合绝缘子的密封性能分析提供了参考，对其密封结构设计具有实际的参考价值。