GIS中快速真空开关灭弧室波纹管机械寿命研究

断路器是电力系统中重要的控制和保护设备，真空和SF6是断路器中广泛使用的两种性能优异的绝缘与灭弧介质。目前，在110 kV及以上电压等级中，SF6断路器占据主导地位［1］，但由于SF6对地球大气层有很强的温室效应，因而必须对它的使用和排放进行限制［2］，因此，对高电压等级真空断路器的研究成为高压开关领域的重要研究方向之一。当真空断路器进入GIS后，具有更高的可靠性和安全性，且占用空间小、维护工作量少。

GIS内部通常充有0.1～0.4 MPa不等的气压，原本只需承受0.1 MPa气压的真空灭弧室波纹管现在需要承受0.1～0.4 MPa的压差，而快速断路器的平均分闸速度通常可以达到1～4 m/s。当断路器动作时，由于波纹管内部高气压气体无法及时从波纹管内部排除，造成在短时间内波纹管内部气压上升，从而导致波纹管在分闸过程中局部应力增大，造成波纹管机械寿命的减小，而在断路器未动作时的高气压差进一步增加了波纹管损坏的风险，降低了其可靠性。因此，对GIS中真空灭弧室波纹管在高分闸速度下机械寿命的研究成为GIS断路器是否可靠的关键因素之一。

传统真空灭弧室波纹管机械寿命计算方法主要基于文献［3］中的经验公式，但经验公式中并未考虑到波纹管的分合闸速度。文献［4］通过带有平均应力修正的Manson-Coffin公式对波纹管低载荷机械寿命进行了分析。文献［5-6］以初始裂纹法为研究理论，对金属波纹管进行了机械寿命仿真分析。文献［7］中对10件波纹管进行了机械寿命试验，发现10件波纹管的机械寿命呈正态分布。文献［9］针对波纹管在长行程下容易发生失稳的问题对波纹管进行了弯曲应力的仿真分析。以上研究均基于静力学仿真或实验结果，对真空灭弧室波纹管在分合闸过程中因机械波产生动态变化对波纹管机械寿命的影响并没有加以考虑，因此，通过仿真及实验得到真空灭弧室波纹管在高分闸速度和高气压环境下的机械寿命情况，可为高电压等级GIS中真空灭弧室波纹管结构强度的提高或加工工艺的改进提供依据。

1 真空灭弧室波纹管的应力分析模型

1.1 波纹管模型

40.5 kV真空灭弧室波纹管3D模型如图1所示。

图1 波纹管3D有限元模型

波纹管外部直径为63 mm，总长为81.48 mm，波峰和波谷的直径分别为3 mm和0.68 mm。其他参数如表1所示。

表1 波纹管结构参数 mm

1.2 波纹管材料

真空灭弧室波纹管通常采用1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢材料［8］。这种材料具有较好的耐腐蚀性，适合用于GIS真空断路器中。材料的相关特性参数如表2所示。

表2 波纹管材料特性参数

1.3 流固耦合仿真设置

因波纹管在快速压缩的过程中会使得其中的高气压气体压缩，因此采用流固耦合仿真形式对波纹管及其内部气体进行分析［10-11］。流固耦合仿真流程如图2所示。

图2 流固耦合仿真流程

固体域设置中，波纹管压缩量为20 mm，平均分闸速度为1～4 m/s。流体域设置中，流体模型采用工程通用的湍流模型，气体设置为理想可压缩气体，GIS内部气压大小设置为0.1～0.4 MPa。

2 仿真结果

2.1 分闸过程中的机械波传递

仿真设置平均分闸速度为4 m/s，GIS内部气压为0.1 MPa，得到波纹管分闸过程中的运动过程。取波纹管每个波峰的顶点，计算每个波峰顶点在分闸过程中的位移特性，得到各个波峰的位移曲线如图3所示。图3中1到18的标号分别为波纹管从上到下波峰序号。

图3 各个波峰的位移曲线

从图3可知，波纹管在分闸过程中伴随着机械波的正反向传递。机械波从到达第10个波峰的0.95 ms传递到第14个波峰的1.35 ms共经历了0.4 ms；而在机械波反方向运动后，从到达第14个波峰的2.4ms传递到第10个波峰的2.8ms同样经过了0.4ms，因此可以得出：波纹管在压缩时会伴随着机械波的传递，并从运动开始处向波纹管固定一端传递，机械波传递速率为4.36 mm×4÷0.4 ms＝43.6 m/s，而当机械波传递到波纹管固定端后，将以相同速度向反方向传递，直到再次传递到初始位置，并会到达初始位置后再一次以相同速度进行反方向传递，一直重复循环。

为了得到波纹管机械波与分闸速度及内部气压的关系，仿真中设置分闸速度为1～4 m/s，气压为0.1～0.4 MPa，分别对其进行仿真。仿真结果表明，波纹管分闸过程中机械波传递速率为固定数值，不随分闸速度与内部气压的改变而发生变化。

2.2 波纹管瞬时等效应力分布

当波纹管压缩行程为20 mm时，高分闸速度及GIS内部的高气压环境会使得波纹管承受1个很高的瞬时等效应力。考虑到波纹管运动时机械波在不同时刻传递位置不同，从而造成每个波峰波谷与平板圆环壳位置在同一时刻的应力大小可能不同，因此重点选择波纹管同一个波的波峰位置以及上中下3个位置的波峰、波谷、平板圆环壳位置的应力分布进行对比分析。对比分析结果如图4和图5所示。

图4中，波峰2、波峰10和波峰18分别代表波纹管从上向下第2、10和18的波峰顶点位置。

图4 不同波峰等效应力分布随时间变化曲线

如图4所示，波纹管不同波峰的瞬时等效应力基本相等，随时间呈阶跃式上升的趋势。不同的是，不同波峰瞬时等效应力突增的时刻不同，这是因为波纹管分闸过程中机械波传递到各个波峰的时间不同。

图5中，波峰10、波谷10和平板10分别代表波纹管第10个波的3个不同位置，分别为波峰顶部、波谷底部和平板圆环壳位置。

图5 不同位置等效应力分布随时间变化曲线

如图5所示，从零时刻开始，波峰、波谷与平板圆环壳位置的等效应力值大小几乎没有变化，一直维持很小的水平。一段时间后，这3个位置的瞬时等效应力值同时发生突变，从突变幅值上看，波谷处等效应力值增大最为明显，其次是波纹管的波峰处，平板圆环壳增大幅值最小。

由图4和图5分析可以得出，波纹管在分闸过程中，最大瞬时等效应力值通常出现在波纹管的波峰或波谷位置。

2.3 分闸速度与GIS内部气压对等效应力的影响

在高分闸速度和GIS内部高气压环境下，波纹管的最大瞬时等效应力很明显会发生一些改变。为了研究分闸速度与GIS内部气压对波纹管瞬时等效应力的影响，取平均分闸速度1～4 m/s，气压0.1～0.4 MPa，对其进行仿真分析。仿真结果如图6和图7所示。

图6 不同气压下最大等效应力随时间变化曲线

由图6可知，在分闸速度相同的情况下，波纹管内部气压每增加0.1 MPa，波纹管的瞬时最大等效应力值提高约6%，并且随着时间的增大，波纹管所受最大等效应力呈阶跃式增大，每次突变增大幅值约为400 MPa。

图7 不同分闸速度下最大等效应力随时间变化曲线

由图7可知，在GIS内部气压不变的情况下，平均分闸速度越大，波纹管压缩时的瞬时最大等效应力也越大。当平均分闸速度从1 m/s增大至2 m/s时，波纹管截面最大等效应力值约为1 m/s时的2倍。

2.4 波纹管机械寿命仿真

真空灭弧室波纹管属于U型单层波纹管，机械寿命可以用经验公式进行计算［3］，但是，经验公式中并没有考虑到分闸速度对波纹管机械寿命的影响，因此在高分闸速度下波纹管的机械寿命需要对其进行仿真预测。平均分闸速度设置为1～4 m/s，GIS内气体压力设置为 0.1～0.4 MPa，利用瞬态等效应力计算结果进行机械寿命仿真，结果如图8所示。

图8 不同分闸速度不同气压条件下波纹管机械寿命

从图8可以看出，当分闸速度为1 m/s、气体压力为0.1 MPa时，GIS内波纹管机械寿命约为4211次，而在高分闸速度下波纹管机械寿命急剧降低，当分闸速度为4 m/s、内部气体压力为0.4 MPa时，波纹管的机械寿命已经降低到1000次以下，约为804次。

从影响因素上看，当波纹管内部气压一定时，波纹管机械寿命随着分闸速度的提高而降低；当波纹管分闸速度一定时，波纹管机械寿命随着内部气体压力增大而减小；并且当分闸速度小于2 m/s时，波纹管的机械寿命受到分闸速度影响较大；而当分闸速度大于2 m/s时，波纹管机械寿命随分闸速度提高而线性降低。

3 波纹管机械寿命实验

3.1 实验原理

真空灭弧室波纹管在分闸过程中如果发生损坏，会直接影响真空灭弧室真空度并且影响开断效果［12-13］，但是，并不能通过真空灭弧室能否开断高电压大电流来判断波纹管是否破损，因为虽然真空灭弧室波纹管破损后真空灭弧室的真空度有很大的改变，也会对开断效果有一定的影响，但是灭弧室开断失败并不意味着波纹管的破损，开断失败与很多其他因素都有一定的关系；另外，波纹管破损后也未必一定会导致开断的失败，因此，利用真空灭弧室是否能开断大电流来判断真空灭弧室波纹管是否受损是不合理且难以定性的。最终设计的实验平台原理如图9所示。

图9 波纹管机械寿命实验原理

与波纹管处于真空灭弧室内不同，实验中波纹管处于设计罐体的外部，罐体内充入高压气体，这样波纹管处于内部高气压外部低气压的状态，这样对应了在GIS中真空灭弧室波纹管外部低气压内部高气压的情况，唯一不同的是在GIS中灭弧室波纹管外部是真空环境，而在此实验平台中波纹管的外部是大气环境，因此可以通过控制灭弧室内外气压差来满足GIS内波纹管内部高气压外部真空的环境。

在罐体上部，设置充气放气阀，并设置气压表，若波纹管发生了破损，由于罐体内是高气压环境，那么因高气压的作用，罐体内气体将会很快从波纹管破损处喷出，造成罐体内气压急剧下降，气压表显示数值就会迅速降低，这样可以准确判断波纹管是否发生损坏。

3.2 实验设置

实验现场如图10所示。

图10 波纹管机械寿命实验平台现场

实验中，设置波纹管分闸速度为2.82 m/s，分合闸之间间隔为40 s，罐体内气压为0.5 MPa，即波纹管内外压差为0.4 MPa。

3.3 实验结果

实验前波纹管如图11所示。当实验合分闸操作次数进行到838次后，将实验后的波纹管组件与进行实验前的波纹管组件进行对比，此时波纹管如图12所示。

实验前，波纹管组件中的波纹管每个波峰分布很均匀，且表现平滑光泽。从图12可以看出，经过838次的分合闸操作后，波纹管组件上部，相对于真空灭弧室波纹管与端盖焊接的固定端波峰已经压缩在了一起，基本已经失去弹性，因此可认为波纹管固定端部分已经失效。图12中靠右侧可以看到类似于皱褶状的部分，经过放大观察，此部分处于波纹管的波谷位置，而褶皱状表示因高气压以及高分闸速度的影响，原本向内凹陷的波谷有部分向外突出，因此可认为靠近固定端的波谷处也处于即将失效的阶段。经过观察，波纹管组件的波峰仍然平滑、光泽、没有损伤，仍保持较好的弹塑性。

图11 实验前的真空灭弧室波纹管

图12 实验838次后的真空灭弧室波纹管

当合分闸操作次数为1078次之后，实验后的波纹管组件如图13所示。从图13方框中可以发现，当实验进行到1078次之后，波纹管组件上部，相对于真空灭弧室波纹管与端盖焊接的固定端波峰已经完全压缩，完全失去弹性，因压缩程度过大，固定端部分的波峰和波谷位置已经完全变形，平板圆环壳位置也失去稳定性。其余部分与实验进行838次后的波纹管组件并无太大差别。

图13 实验1078次后的真空灭弧室波纹管

当合分闸操作次数为1410次之后，实验后的波纹管组件如图14所示。

图14 实验1410次后的真空灭弧室波纹管

从图14可以看出，进行1410次分合闸操作后的波纹管组件已经发生破损，破损形状为横线形，长度约为2 mm，破损的位置处于靠近固定端的第5和第6个波峰之间的波谷上。

从实验结果中可以看出，当实验进行到1078次之后，固定端的几个波峰已经完全压缩变形，此后波纹管在分闸压缩过程中已经不会对这几个波峰的形变与应力产生较大影响，因此形变与应力变化最大的部位已经转移到了第5与第6个波峰之间的波谷处。观察破损位置的纵向部分，正上方的波谷位置也发生了向外凸出的形变，因此，可以认为，在未发生破损前，在波谷处的该位置承受了整个波谷圆环的最大应力与最大形变。

与之前仿真结果对比发现：仿真中对波纹管的最大等效应力进行了仿真计算，计算结果得到波谷的等效应力值最大，在实验中，发生最大形变与破损的位置均为波谷处，与仿真结果保持对应。从图8的机械寿命仿真结果中可以计算得到：当斥力机构的合闸速度为2.82 m/s，波纹管内部气压为0.4 MPa时，仿真计算得到的波纹管机械寿命约为1606次。实验中波纹管经过1410次分合闸操作后，波纹管固定端部分已经完全失效，且波谷处发生2 mm长度大小的破损，实验结果与仿真结果较为吻合。

4 结 论

对高气压环境高分闸速度下GIS内真空灭弧室波纹管的机械寿命进行了仿真和实验研究，并对机械寿命仿真和实验结果进行了对比，得到如下结论：

（1）仿真观察到波纹管在分闸过程中机械波传递的现象，并得到了机械波传递的速率。压缩过程中机械波的传递速率为43.6 m/s，不随分闸速度和气压的变化而发生改变。

（2）仿真得到了波纹管内部气压和分闸速度对波纹管等效应力的影响。波纹管等效应力最大值位于波纹管波谷处，其次是波峰处，而波纹管平板圆环壳处的等效应力值最小。当波纹管分闸速度保持一定，波纹管内部气压每增加0.1 MPa，波纹管截面的最大等效应力值提高约6%；而当波纹管内部气压保持一定时，波纹管分闸速度每提高1 m/s时，波纹管截面最大等效应力提高约300 MPa。

（3）仿真得到了波纹管在不同分闸速度和气压条件下的机械寿命情况。分闸速度越大，气压越大，波纹管机械寿命越小。当分闸速度为4 m/s，内部气压为0.4 MPa时，波纹管的机械寿命仅为804次。

（4）实验研究了高分闸速度下GIS内真空灭弧室波纹管的机械寿命。实验中，波纹管内部气体气压设置为0.4 MPa，斥力机构的合闸速度为2.82 m/s，进行1410次分合闸操作后，波纹管靠固定端位置完全压缩失去弹性，第5和第6个波峰之间的波谷处发生破损，破损处与仿真结果完全吻合。而在相同条件下，机械寿命仿真结果为1606次，与实验结果较为吻合。