GIS盆式绝缘子螺孔失效分析

李哲，周建，胡卡，韩煦，卢玉康，肖文凯

（1.国网湖北省电力有限公司超高压公司，湖北 武汉 430020；2.武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430072）

GIS设备中使用SF6气体作为绝缘气体，该气体有着良好的绝缘稳弧性能，是维持GIS设备高效运行的关键因素，一旦该气体出现泄漏，GIS设备的灭弧性能和绝缘强度就会降低，从而造成各种安全隐患。盆式绝缘子作为GIS设备中的重要组成部件，起着承重、绝缘以及密封气体等重要作用，在实际工况中会受到多种载荷的共同作用，因此亦成为高压设备泄漏的主要部件之一。近几年在冬季期间，华中地区变电站的盆式绝缘子在螺孔处频繁出现螺孔裂纹，给GIS设备造成了泄漏风险，也给相关区域电力系统的正常运行带来了重大隐患。本文通过仿真结合实验的方法，探究了盆式绝缘子螺孔失效的根本原因，为变电站的安全运行及维护提供了有力的理论支撑。

1 实际工况分析

图1所示是GIS盆式绝缘子（220kV）螺孔裂纹现场示意和凹凸面。盆式绝缘子圆周边缘共有两个通孔和十个半螺纹孔，其中，两个通孔的位置呈对称分布，半螺纹孔通孔内径为18mm，高度为40mm。螺纹孔公称直径为16mm，高度为24mm，其内部螺纹通过热固化成型镶嵌于绝缘子之中。

图1 GIS盆式绝缘子螺孔裂纹及凹凸两面

盆式绝缘子在正常工况下，主要会受到三种载荷：自身重力和其他部件所带来的承重载荷、绝缘气体所造成的气压载荷以及与其他部件栓接时所施加的预紧力载荷；另外在冬季时，螺栓与螺纹孔间隙可能会因渗水而结冰，从而造成较大的结冰膨胀力。本文将使用有限元方法分析盆式绝缘子螺纹孔区域在这四种类型载荷下的应力分布，为螺纹孔区域裂纹产生的机理提供力学依据。

2 力学仿真

2.1 几何模型

要分析的几何模型在结构和受力上都呈1/4对称，在SolidWorks中建立如图2所示的1/4装配体模型，通过螺栓将上下法兰跟盆式绝缘子紧密连接在一起。其中，孔1、孔2和孔3均为半螺纹孔，孔4为通孔。

图2 盆式绝缘子装配体模型

2.2 材料参数

盆式绝缘子的基体材质是由环氧树脂和氧化铝粉共同浇注而成的复合材料。该材料属于脆性材料，可用第一强度准则来进行失效判断。即当基体材料所受的最大第一主应力达到抗拉强度时，就会产生开裂。为得到该材质的相关材料参数，对其进行了三组拉伸试验，计算平均值可得该材质的杨氏模量为5.1GPa，拉伸强度为81.2MPa。拉伸试样如图3所示，相应的工程应力-应变曲线如图3所示。该材质拉伸试验的结果与许建春，高晋文，韩智云所给出的数据接近。

图3 拉伸试样 工程应力-应变曲线

2.3 有限元模型的建立

本文采用有限元软件Abaqus来建立盆式绝缘子的有限元模型。首先，将建立好的几何模型导入到Abaqus中，采用一阶线性六面体单元C3D8R进行离散，总的网格数量为3.1×105，节点数为3.6×105。根据实际工况，将下法兰底端进行固定。由于建立的是1/4对称模型，需要将两对称面分别进行对称约束。盆式绝缘子与上下法兰之间均建立接触，法向采用默认的硬接触，切向采用经典的库伦摩擦模型，摩擦系数设置为0.2。

2.3.1 正常工况下的应力分布

盆式绝缘子在GIS设备中起着支撑高压导体和管式母线的作用，本文探究的盆式绝缘子在实际工况中承受的最大重压力约为40000N，将其施加在上法兰顶端面上。并考虑到盆式绝缘子和法兰自重，设置相应的重力加速度为9800mm2/s。

对于220KV的GIS设备，气室中通常充有0.45MPa的SF6气体。因此，给法兰气室内腔和盆式绝缘子凹凸两面施加均匀的0.45MPa的气压力，给上下法兰外侧及盆式绝缘子侧面施加0.1MPa的标准大气压。

盆式绝缘子通过螺栓与上下法兰紧密连接，在实际安装的过程中会给螺栓施加一定的预紧力，这可能会导致螺孔附近产生应力集中。此外，工具精度、人为失误和工况环境变化等多种因素都会造成螺纹所受的预紧力偏离标准，使螺纹本应受到的双向均匀的预紧力变得不均匀，从而加剧盆式绝缘子螺孔区域的应力集中。在实际安装的过程中，不仅需要给内螺纹与上法兰施加预紧力（F1），也需要给内螺纹与下法兰施加预紧力(F2)。而孔4为通孔，只需要施加单向预紧力(F3)即可。设置预紧力F1和F3为40000N，F2为30000N。

针对以上三种力，使用Abaqus仿真软件中的隐式求解器进行静力学求解，盆式绝缘子的第一主应力云图如图4所示。在正常工况作用下，盆式绝缘子整体的应力水平较低。其中，最大第一主应力仅为20.0MPa，远小于盆式绝缘子的抗拉强度。因此，正常工况下盆式绝缘子螺孔附近很难产生裂纹。

图4 正常工况下的应力云图

2.3.2 孔隙渗水结冰作用下的应力分布

当M16螺栓与内嵌螺纹套配合之后，会在孔的两端留出较小的间隙，当雨水渗入间隙，恰逢冰冻天气，间隙内就会结冰，从而在间隙内产生较大的结冰膨胀力，对结冰孔周围区域造成较大的应力集中，成为盆式绝缘子失效的另一个重要因素。

通过测量得螺纹套的内径为r1为6.86mm，外径r2为7.9mm，通孔直径为9mm，两头未嵌螺纹高度均为8mm。由于螺栓并没有形成完全的光杆区域，因此取内外径中值作为理想螺栓光杆的直径r。则理想光杆的半径：

螺栓螺纹与通孔之间的理想薄壁空间的体积为：

水结冰时，体积会膨胀1/9，即体积变化率为11%，带入上式，求得结冰膨胀力所引起的径向位移ΔR为0.16mm。

如图5所示，给一螺纹孔的未嵌螺纹面施加0.16mm的径向位移来模拟结冰膨胀力，并求解结果。在施加结冰膨胀力之后，整体的第一主应力显著上升，其中，螺孔附近的第一主应力达到了102Mpa，超过了盆式绝缘子的抗拉强度。这说明，结冰膨胀力的大小可以导致盆式绝缘子开裂，是盆式绝缘子开裂的一个关键因素。此外，螺纹处的最大应力点与绝缘子法线方向大约呈50度方向，这与实际开裂方向类似，进一步说明了结冰膨胀力是盆式绝缘子开裂的主要因素。

图5 结冰力的施加和结冰力作用下的应力云图

3 结冰膨胀力综合分析

3.1 结冰试验

在实验室搭建了如图6所示的试验平台来进一步验证结冰膨胀力是否为盆式绝缘子开裂的主要因素。用角磨机切出盆式绝缘子样品，用两块铝板代替上下法兰，并通过螺栓将绝缘子样品与上下法兰进行连接。

图6 结冰试验

对含有三个螺纹孔配合的三根螺栓的绝缘子样品1施加双向40000N的预紧力，并在孔2间隙内注满水，在冰柜内进行低温（-4℃°）结冰实验。对含有一个通孔的通孔型绝缘子样品2，给内嵌螺纹与上法兰施加40000N的预紧力（孔1和孔2），给内嵌螺纹与下法兰施加40000N的预紧力（孔1和孔2），给孔3施加单向40000N的预紧力。其他试验条件保持一致，以上试验均重复三次。

结果如图7所示，绝缘子样品1孔隙内充满了冰，渗透探伤检测未发现裂纹；绝缘子样品2在孔2附近产生了两条非常明显的裂纹。裂纹向外扩展到了盆式绝缘子的侧面，但未发现裂纹向盆式绝缘子内部扩展的情况。通过对比发现，该侧面裂纹与图1（实际工况）中盆式绝缘子螺孔裂纹相似。

图7 试验结果

同样是结冰，为何得到截然不同的结果？对两组试验的结果进行对比，在第一组结冰试验中，绝缘子样品的三个孔都是螺纹孔，未产生任何裂纹。而在第二组结冰试验中，绝缘子样品中有一个通孔，却产生了与实际一致的裂纹。可见，样品中是否有通孔是盆式绝缘子能否开裂的关键性因素。那么，通孔的存在起到了什么作用？

3.2 通孔对绝缘子开裂的影响

搭建与试验平台一致的装配体模型，分别对两种盆式绝缘子样品进行不均匀预紧力的求解计算。对于通孔型样品1，给内嵌螺纹与上法兰施加40000N的预紧力（孔1和孔2），给内嵌螺纹与下法兰施加30000N的预紧力（孔1和孔2），给通孔（孔3）施加单向30000N的预紧力，并进行求解。对于不含通孔的三螺纹孔型样品2，给内嵌螺纹与上法兰施加40000N的预紧力（孔4、孔5和孔6），给内嵌螺纹与下法兰施加30000N的预紧力（孔4、孔5和孔6），并进行求解。求解结果如图8所示，最大应力点均出现在中心孔，样1的最大第一主应力为35.807MPa，样2的最大第一主应力为30.988MPa。此外，相对于样2，样1的三个孔周围都存在较大的蓝色压应力区，这说明通孔的存在会改变盆式绝缘子在实际工况中的表面应力分布，使得孔表面区域受到较大的压应力，增加了孔表面区域的密封性。结冰时，通孔样品的孔隙水会在密闭空间内充分膨胀，使得盆式绝缘子在充分大的结冰膨胀力的作用下达到失效极限，产生开裂。

图8 求解结果

4 结语

（1）在承重、气压和预紧力的作用下，盆式绝缘子所受的最大拉应力远小于盆式绝缘子的抗拉强度。因此，这三种载荷不会导致螺孔附近产生裂纹。（2）螺纹孔隙水结冰膨胀力的大小足以使盆式绝缘子产生开裂，但那是在孔隙水被完全密封在孔隙中结冰才产生的现象，若上下法兰端面的接触存在间隙，螺纹孔隙结冰时冰层可以向间隙空间膨胀，从而减小了孔隙内的膨胀力，因此结冰工况未必一定发生绝缘子开裂。（3）在通孔预紧力作用下，结合螺孔上下的不均匀预紧力，绝缘子的孔表面区域会形成更大的压应力，从而增加了绝缘子和法兰间的密封性，使螺纹孔隙中的水处于封闭结冰状态，极大的增加了结冰膨胀力，导致绝缘子开裂，这也说明了现场设备中不是所有的绝缘子都发生开裂，只是满足了预紧力密封条件的部分绝缘子发生开裂。（4）有限元模拟计算和实验室模拟试验的结果与绝缘子实际开裂现象基本一致。