隔离开关支柱绝缘子应力仿真分析

孙贺斌，魏晓枭，周治伊，周延科，李 辉

（1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2. 甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070；3. 国网甘肃省电力公司 电力科学研究院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

支柱绝缘子具有化学性能稳定、强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、绝缘性好等特点，是国内首选的隔离开关支撑部件[1,2]。户外隔离开关支柱绝缘子在运行过程同时承受工作载荷和风载荷。

现阶段，关于支柱绝缘子工作载荷的研究较为成熟，而关于风载荷的研究鲜有报道。与工作载荷一样，风载荷作用在支柱绝缘子上会导致支柱绝缘子发成弯曲变形，而弯曲部位出现的应力集中现象可能造成事故发生[3,4]。

此外，胶合状态对支柱绝缘子性能也有显著影响。近年以来，相关研究工作已取得一定的成果[5-7]。文献[8]针对支柱瓷绝缘子进行了受力分析与设计。文献[9]对棒形支柱瓷绝缘子弯曲应力进行了有限元仿真分析。文献[10]针对隔离开关中支柱绝缘子的风载荷进行了计算。文献[11]采用 3种计算方法模拟了风载荷对支柱绝缘子的影响。但是，文中只考虑了瓷件的力学性能指标，未考虑构成绝缘子3种材料力学性能的不同。

本文在不同固定约束条件下，计算了瓷件、铸铁及水泥这3种绝缘子构成材料对支柱绝缘子最大弯曲应力的影响，仿真模拟了支柱绝缘子在不同风速下的最大弯曲应力分布及变化情况。

1 支柱绝缘子的建模

在进行仿真分析之前，需要计算作用在支柱绝缘子上的风载荷。

目前大量研究工作采用经验公式进行风载荷估算。文献[11]采用湍流模型中的k-ε模型，利用软件进行风载荷仿真计算；同时，采用经验公式进行计算验证。

本文采用以下经验公式进行风载荷计算。

式中：F为绝缘子承受的风载荷，N；A为绝缘子受风方向正投影面积，m2；u为风速，m/s。

文献[10]认为风速超过25 m/s时，经验公式（1）风载荷计算过高；所以利用最小二乘法拟合原理，将公式（1）进行了修正：

采用上述经验公式（1）（2）计算出风载荷后，文献[11]将计算的风载荷视作一个集中力，施加在绝缘子上法兰顶部。文献[12-14]为了确保下法兰弯矩保持不变，在计算出风载荷后，将所计算载荷一半施加在上法兰上。

利用三维建模软件SolidWorks对外形结构如图1所示的支柱绝缘子进行建模。如图1所示，本文对2种胶合状态分别进行了建模，即下法兰与瓷体1/4水泥胶合状态、整体水泥胶合。

图1 支柱绝缘子模型Fig. 1 Post insulator models

支柱绝缘子外形尺寸：总高1 140 mm，下法兰高80 mm，下法兰直径Φ225 mm，大伞裙Φ199.2 mm，小伞裙Φ168.2 mm，大小伞裙间距30 mm，上法兰直径Φ170 mm。

将SolidWorks文件导入COMSOL仿真软件中。材料从COMSOL材料库及内置材料中进行选择，其中胶合水泥采用内置材料中“Concrete”，铸铁采用内置材料中“Cast iron”，瓷体采用材料库中“SiO2（fused quartz）”。瓷体抗拉强度65 MPa，断裂韧性4.5 MPa·mm1/2，其他相应材料力学性能参数见表1。

表1 材料力学性能参数Tab. 1 Material mechanical properties parameters

利用自由四面体网格对模型进行网格划分。为减少计算量采用较细网格，其中最大单元为0.062 7 m，最小单元为0.004 55 m，最大单元增长率为1.3，狭窄区域分辨率为0.6。

2 仿真结果与分析

根据所述支柱绝缘子外形尺寸，可计算出在风速方向支柱绝缘子的正投影面积为0.211 2 m2。

利用经验公式（1）计算10 m/s及20 m/s风速对应的风载荷，利用修正公式（2）计算30 m/s、40 m/s、50 m/s对应的风载荷。

采用COMSOL仿真软件“物理场–固体力学–稳态分析”研究支柱绝缘子力学性能。

本文从以下5种不同约束方式（S1—S5）开展对比分析。

（1）下法兰盘固定约束——1/4水泥胶合状态（S1）

仿真条件：1/4水泥胶合状态，底座整个下法兰盘固定约束，支柱绝缘子在风速10 m/s变化到50 m/s。该条件下弯曲应力分布仿真结果如图2所示。

图2 弯曲应力分布Fig. 2 Bending stress distribution

从图2看出，风速从10 m/s变化到50 m/s时，支柱绝缘子最大弯曲应力从0.42 MPa增加到9.3 MPa；不同风载荷下，最大弯曲应力发生在法兰与瓷体下部接触的地方。

（2）下法兰盘固定约束——整体胶合状态（S2）

仿真条件：整体水泥胶合状态，底座整个下法兰盘固定约束，支柱绝缘子在风速10 m/s变化到50 m/s。该条件下弯曲应力分布仿真结果如图3所示。

图3 弯曲应力分布云图Fig. 3 The nephogram of bending stress distribution

从图3看出，风速从10 m/s变化到50 m/s时，支柱绝缘子最大弯曲应力从0.4 MPa增加到8.89 MPa；不同风载荷下最大弯曲应力也发生在法兰与瓷体下部接触的地方。

如图4所示，与S1相比，2种约束在风速为10 m/s时，最大弯曲应力相接近；随着风速的增大，最大弯曲应力变化增大，且风速在50 m/s时，S1最大弯曲应力比S2增加了0.41 MPa。

图4 S1与S2不同风速与弯曲应力关系Fig. 4 Relationship between different wind speeds and bending stress in S1 and S2

（3）下法兰盘及水泥固定约束——整体胶合状态（S3）

仿真条件：整体水泥胶合状态，底座整个下法兰盘及水泥固定约束，支柱绝缘子在风速10 m/s变化到50 m/s。该条件下弯曲应力分布仿真结果如图5所示。

图5 弯曲应力分布Fig. 5 Bending stress distribution

从图5看出，风速从10 m/s变化到50 m/s时，支柱绝缘子最大弯曲应力从0.51 MPa增加到11.3 MPa；不同风载荷下最大弯曲应力同样发生在法兰与瓷体下部接触的地方，且最大弯曲应力明显比S1、S2增大。与S2相比，S3支柱绝缘子最大弯曲应力增加了2.41 MPa。故水泥胶合对支柱绝缘子弯曲应力有很大的影响。

（4）水泥固定约束——整体胶合状态（S4）

仿真条件：整体水泥胶合状态，水泥固定约束，支柱绝缘子在风速10 m/s变化到50 m/s。该条件下弯曲应力分布仿真结果如图6所示。

图6 弯曲应力分布Fig. 6 Bending stress distribution

从图6看出，风速从10 m/s变化到50 m/s时，支柱绝缘子最大弯曲应力从0.66 MPa增加到14.5 MPa，不同风载荷下最大弯曲应力也发生在法兰与瓷体下部接触的地方。

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从图7看出，与S3相比，S4支柱绝缘子最大弯曲应力增加了 22.1%。单独考虑水泥固定约束时，可能过高地模拟计算了支柱绝缘子弯曲应力，这可能导致仿真计算结果不准确。

图7 S3与S4不同风速与弯曲应力关系Fig. 7 Relationship between different wind speeds and bending stress in S3 and S4

如图8所示，4种不同约束的最大弯曲应力都随风速的增加对应增大，且风速越大最大弯曲应力增大越快。最大弯曲应力都发生在法兰与瓷体下部接触的地方。此处应力集中较大，支柱绝缘子断裂风险严重。当有水泥胶合时，最大弯曲应力明显比无水泥胶合时弯曲应力大；当水泥胶合做固定约束时，最大弯曲应力达最大。

图8 4种不同方法不同风速与弯曲应力关系Fig. 8 Relationship between different wind speeds andbending stress of four different methods

与S4固定约束相比，S1固定约束仿真结果的最大弯曲应力要偏小很多。S4固定约束过高计算了支柱绝缘子弯曲应力。因此在仿真建模过程中，不但要用正确的计算方法，还要选择合适的固定约束；要根据现场实际情况考虑真正位移不发生变化的固定约束，不能笼统采用某一种固定约束，否则仿真结果会有所偏差。

（5）下法兰盘及水泥固定约束——整体胶合状态（S5带缺陷）

仿真计算条件：风速 30 m/s；水泥胶合，底座整个下法兰盘及水泥固定约束；在水泥胶合层与瓷件接触区间下，初始裂纹长6.8 mm，深度为0.5 mm。

S5应力分布计算结果如图9所示。COMSOL固体力学模块计算绘制的裂纹应力强度因子 K1曲线如图10所示。

图9 裂纹处弯曲应力分布Fig. 9 Bending stress distribution at the crack

图10 应力强度因子（K1）值Fig. 10 Stress intensity factor (K1) value

从图9、图10中可看到，裂纹缺陷处弯曲应力达32.9 MPa，裂纹处应力强度因子在裂纹位置接近90°时最大，其值为3.6 MPa·mm1/2。所以：

（1）在特定载荷下，裂纹缺陷处最大应力约为32.9 MPa，小于瓷件的抗拉强度65 MPa，裂纹缺陷位置附近未发生变形失效。

（2）在特定初始裂纹状态下，模型中裂纹位置应力强度因子小于材料的断裂韧性4.5 MPa·mm1/2，支柱绝缘子不会发生突然断裂。

在以往相关文献[15,16]中，通常认为支柱绝缘子最大弯曲应力发生在下部第一和第二伞裙之间。此结论与本文仿真结果有差异。本文仿真结果与文献[11]结论基本相同——最大弯曲应力都发生在法兰与瓷体下部接触的位置；同是，本文考虑了瓷件、铸铁及水泥胶合的共同影响，弥补了文献[11]的不足。

相关文献中仿真结果的不同，由以下几个方面原因造成：（1）所研究的支柱绝缘子结构尺寸不一，造成应力集中位置不同；（2）风载荷计算方式不同，加载方式也不同；（3）考虑材料力学性能不同，没有按实际材料进行仿真；第四，固定约束条件不同，导致研究结果差距较大。

文献[17]认为支柱绝缘子瓷体下部法兰连接口附近应力集中明显。文献[18]研究结果表明，支柱绝缘子断裂发生在瓷体下部与法兰胶合处。文献[19,20]研究结果都表明，隔离开关支柱瓷绝缘子开裂事故大都发生在下部法兰与瓷体连接处。在文献[11]风载荷下支柱瓷绝缘子仿真计算结果中，最大应力集中位置也发生在下部法兰与瓷体连接附近。本文仿真结果与上述文献基本一致，符合现场实际情况。

3 结论

本文通过计算获得不同风速所对应的风载荷数值；模拟分析了有无水泥胶合时，隔离开关支柱绝缘子最大弯曲应力状态特征。与现有相关文献研究结果进行比对，分析了不同研究结论的成因。

在水泥胶合层缺失状态下，支柱绝缘子最大弯曲应力明显增大。同一风速下，水泥胶合缺失状态下的最大弯曲应力较整体水泥胶合状态下的最大弯曲应力提高。同一胶合状态下，随着风速增大，最大弯曲应力逐渐增大，且增幅逐渐变大。

不同固定约束条件下，单独考虑水泥胶合时支柱绝缘子最大弯曲应力达到最大。最大弯曲应力相比整个法兰盘及水泥固定约束时增加了22.1%。

绝缘子在不同风速对应的风载荷下最大弯曲应力都发生在下法兰与瓷体下部接触的地方。

所考虑的支柱绝缘子外形尺寸不一、风载荷计算方式不同、加载方式不同、仿真时所考虑的材料及材料力学性能的不同、固定约束条件不一：都是造成研究结果不尽相同的原因。

对支柱绝缘子性能进行分析，不但要用正确的计算方法，还要选择合适的固定约束。在生产实际中，应正确考虑真正位移不发生变化的固定约束，不能笼统采用某种固定约束。