摘要：深入开展GIS绝缘垫片结构受力分析研究，对防止GIS隔离开关气室漏气和提高GIS设备运行安全可靠性具有重要意义，为此本文基于有限元方法开展了GIS隔离开关绝缘垫片结构受力分析研究，通过研究发现：GIS隔离开关绝缘垫悬置结构导致GIS隔离开关绝缘垫应力分布不均匀，且随着绝缘垫下面金属垫片的厚度增加，绝缘绝缘垫下表面受力逐渐趋向均匀，当精神垫片厚度达到5 mm时，基本接近于不悬置的情况。
关键词：有限元方法；GIS隔离开关；受力分析
0 前言
玻璃丝环氧树脂系胶结构由于其优异的绝缘和结构性能，在电力设备中得到了大量的应用[1-2]，如干式电抗器[3-4]、变压器、GIS中，主要作用是结构支撑和绝缘隔离。由于设计或工艺偏差在现场常遇到各种问题，如平高的GIS隔离开关的玻璃丝环氧树脂系胶结构绝缘垫开关由于设计的原因部分绝缘垫在现场出现了大量的开裂现象如图1(a)所示，严重时将导致GIS漏气发生，直接威胁了电气设备的安装可靠性运行[5-6]。为此，平高高集团针对该问题开展了处理，处理方式是在GIS隔离开关绝缘垫下加垫直径相同的厚度为1.5 mm的金属垫，但是通过上述方式整改后问题没有得到根本改善，开裂的情况依然严重，同时对比现场其他部位的类似的绝缘垫发现开裂的绝缘垫均为安装于有突出法兰外沿的部位图1(b)所示。因此深入开展这种安装于有突出法兰外沿的部位的绝缘垫的受力分析对揭示绝缘垫开裂问题就有重要的意义，为此，本文基于有限元方法的GIS隔离开关绝缘垫结构受力分析。
1 计算模型
1.1 几何模型
本文计算几何模型如图2所示，其中图2中①为螺帽、②为金属垫片、③为玻璃丝环氧树脂系胶结构绝缘垫、④为法兰、⑤为螺栓包裹的玻璃丝环氧树脂系胶结构绝缘筒、⑥为螺栓，其中图1中开裂部分就是图2中③所示部分。本文计算软件平台为有限元软件COMSOL Multiphysics®4.1，计算机处理器I7-3770，内存32 GB。对应部分的材料参数如下：螺栓和垫片的的杨氏模量和泊松比的取值分别是[7]：212e3[MPa]和0.31；玻璃纤维的杨氏模量和泊松比的取值分别是[8]：55[GPa]和0.33；载荷施加在螺帽上表面为65 MPa；
图1 GIS隔离开关绝缘垫
图2 计算几何模型
1.2 网格统计
在 COMSOL Multiphysics®4.1 软件中 [9]，网格单元质量是衡量网格好坏的重要参数之一[10]，表1所是为本文计算模型的网格统计，根据图1可以看出本文模型的网格平均单元质量达到了0.662 5，网格质量较高，这对计算的收敛较好。
表1 网格统计
2 计算结果分析
本文分别计算了四种情况依次是绝缘垫下无其他附件且部分悬置如图2、绝缘垫下有一个1.5 mm的金属垫片且部分悬置如图3a、绝缘垫下有一个5 mm的金属垫片且部分悬置如图3b、绝缘垫不再悬置如图3c。
图3 绝缘垫三种不同安装结构
1）绝缘垫下无其他附件且部分悬置
绝缘垫下无任何垫片时绝缘垫下表面悬空界线处有显著的受力不均匀部分图4所示，大部分区域在50 MPa到80 MPa之间。
图4 绝缘垫下表面受力
2）绝缘垫下有一个1.5 mm的金属垫片且部分悬置：绝缘垫下有一个1.5 mm的金属垫片且部分悬置时绝缘垫下表面悬空界线处有显著的受力不均匀情况有所改善图5所示，对比图4b和图5b可以看出界线的受力幅值也有所减小，大部分区域在44 MPa到50 MPa之间。
图5 绝缘垫下表面受力
3）绝缘垫下有一个5 mm的金属垫片且部分悬置：绝缘垫下有一个5 mm的金属垫片且部分悬置时绝缘垫下表面悬空界线处有显著的受力不均匀情况相对加入1.5 mm的改善更加明显图6所示，对比图4b、图5b和图6b可以看出界线的受力幅值也有所减小，大部分区域在29 MPa到35 MPa之间。
图6 绝缘垫下表面受力
4）绝缘垫不再悬置：绝缘垫不再悬置界面的受力非常均匀如图7所示，对比图4b、图5b、图6b和图7b可以看出界线的受力幅值也有所减小，大部分区域在20 MPa到30 MPa之间。
图7 绝缘垫下表面受力
3 结论
本文基于有限元方法开展了GIS隔离开关绝缘垫片结构受力分析研究，通过分析得出以下结论：
1）GIS隔离开关绝缘垫悬置结构导致GIS隔离开关绝缘垫应力分布不均匀，且随着绝缘垫下面金属垫片的厚度增加，绝缘绝缘垫下表面受力逐渐趋向均匀；
2）绝缘垫下有一个1.5 mm的金属垫片且部分悬置时，绝缘垫下表面悬空界线处受力大部分区域在44 MPa到50 MPa之间；
3）绝缘垫下有一个5 mm的金属垫片且部分悬置时，绝缘垫下表面悬空界线处受力大部分区域在29 MPa到35 MPa之间，基本接近于不悬置的20 MPa到30 MPa之间。
