GIS设备壳体温变行为仿真结构建模研究

华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司 蒋池剑 王梓琪 余租良 济大学电气工程系 沈小军

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）已逐渐取代传统变电设备广泛应用于各电压等级的变电站中，但其较大的轴向跨度易受温度变化的影响，由此造成的温变位移事故时有发生[1]，同时国网公司编制下发的《国家电网公司户外GIS设备伸缩节反事故措施》和《输变电设备物联网建设方案》均指出应加强对户外GIS设备异常温变行为的监测与预防[2-3]。

文献检索资料表明，对于GIS设备温变行为的研究逐渐引起了国内外学者的重视。张晶等人分析了GIS设备母线筒法兰结构的仿真结果，认为在母线筒法兰处内侧变形量大于外侧，会导致法兰连接密封性下降[4]。徐节等人观测了波纹管和固定支撑腿的位移变化，建议对母线筒采用滑动支撑的方式，并指出固定支撑存在强度不足的隐患[5]。李大权等人总结了兰州东变电站的运行经验，提出利用主刚固定支架、伸缩节、滑块支架与次刚固定支架配合的方法来解决长母线筒端部的位移问题[6]。陈强等人建立了GIS母线的多物理场耦合有限元模型，分析了外部气候条件对GIS母线筒温度分布的影响[7]。杨志轶等人对GIS母线进行了热胀冷缩分析与计算，建议采用柔性支架进行温变位移补偿[8]。李海波等人对兰州东变电站GIS的固定支撑、温补伸缩节位移量进行分析，发现母线筒连接面漏气等缺陷的主要原因是固定支架设计及温补伸缩节安装调整的问题[9]。王军飞等人就膨胀节的长度调节、设置原则、调节方法等几方面对GIS用金属波纹管膨胀节进行了探讨[10]。Nesrine Rebzani等人提出了一种用于GIS母线温升预测的多物理数值模型，认为利用数值仿真可以准确可靠地预测GIS设备的温升[11]。阮江军等人结合电气设备智能运维的发展需求介绍了电气设备热点温升、材料参数等基于多物理场分析的智能反演检测研究方面取得的成果[12]。

但上述研究主要侧重于GIS设备局部的建模仿真和理论计算，对于不同结构间的相互耦合作用考虑不足，无法准确反映GIS设备整体的实际情况。近年来得益于三维感知技术和计算机算力的提升，集成了多物理场、多尺度和概率性仿真的数字孪生技术取得了大幅进步，能够在数字化平台内建立并模拟一个物理实体。数字孪生体的建模精度越高，则越能准确地反映物理实体在现实环境中的状态，而时效性则会相应降低。因此数字孪生技术应用于GIS设备异常温变行为监测与预防时，面临着时效性和精确性难以平衡的挑战。

鉴于此，本文研究了基于数字孪生技术的GIS壳体温变行为建模仿真方法，并据此建立了同一220kV GIS壳体不同精度的数字孪生体模型，对比验证了所提建模仿真方法的可行性，研究成果可为GIS壳体温变行为仿真奠定理论基础，有助于更加准确地反映实体GIS设备的温变行为，指导检修及维护工作。

2 GIS壳体结构简化及等效

实体GIS设备结构复杂、附属设施较多，且轴向跨度较大。其中附属设施与GIS母线筒并非刚性连接，当母线筒由于温度变化而产生轴向伸缩时，附属设施受到的影响较小，所以建立包括附属设施在内的GIS壳体模型不仅会大幅提高后续仿真计算成本，而且无益于研究GIS壳体温变行为。其次，母线筒与相邻的母线筒、波纹管和盆式绝缘子之间通过如图1所示的螺栓进行固定，而螺栓的热胀冷缩量与母线筒相比可以忽略不计，所以此处只需要建立带有法兰盘结构的母线筒、波纹管和盆式绝缘子。同时，根据国家电网公司的统计数据，目前已经投运的GIS设备温变故障主要表现为四类，按照出现频率由高至低分别是支撑腿破损（37.14%）、罐体开裂（28.57%）、盆式绝缘子破裂（25.71%）和基础变形（8.58%）。统计结果表明支撑腿、母线筒和盆式绝缘子发生温变故障的频率显著高于基础变形出现的频率，而波纹管作为吸收补偿GIS壳体温变位移的关键结构，同样需要准确体现在GIS壳体实景模型之中。

此外，GIS壳体支撑腿与金属底座之间的连接方式主要有固定支撑与滑动支撑两种，若支撑腿相对于金属底座不会发生任何方向上的滑动，则称为固定支撑，一般出现在整个GIS设备的两端、波纹管的一侧以及母线筒的转角处，限制关键节点的位移。若支撑腿可以在金属底座表面发生位移，则称为滑动支撑，仅发挥支撑母线筒体的作用，一般与波纹管配合使用。固定支撑腿的限位作用将轴向跨度较大的GIS壳体分割成了多个区间，每个区间的温变行为具有较强的一致性，同时GIS壳体结构上的对称性使得由温度变化等因素引起的应力、应变也呈现相应的对称性，所以为减少后续仿真运算成本、提高仿真效率，仅需要重构出任意区间内GIS壳体中心对称面一侧的实景模型即可。

GIS壳体不同结构间的等效主要体现在连接方式和接触情况两个方面。其中连接方式包括母线筒与支撑腿的刚性连接，即无论母线筒采用何种支撑方式，其与支撑腿之间均采用焊接的方式进行固定，且两种支撑腿结构方面的区别仅存在于同基础底座的接触部分，所以重构时均可统一为相同的结构，然后利用布尔并集操作组合成为一个实体模型，视为刚性连接。除此之外还包括母线筒与波纹管、盆式绝缘子间通过螺栓等方式固定在一起的准刚性连接，与母线筒和支撑腿之间刚性连接存在区别。至于GIS壳体滑动支撑腿和固定支撑腿与基础底座之间的接触，仅需要通过有限元软件中不同的接触属性进行模拟。

综上所述，统筹考虑时效性和准确性，GIS壳体温变行为的有限元仿真仅需重构1/2的母线筒、波纹管、支撑腿、盆式绝缘子和基础底座即可。

3 GIS壳体温变行为仿真前处理

3.1 有限元仿真及软件介绍

有限元分析是利用数学近似的方法对物理实体进行模拟。它将求解域看成是由许多被称为有限元的小单元组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，若结果收敛，则视为问题的解。通过较易求解的问题代替复杂的实际问题，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元法最初被应用于航空器的结构强度计算，随着计算机技术的快速发展和普及，迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有强健的计算功能和广泛的模拟性能，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程等。无论是分析简单的线弹性问题，还是包括几种不同材料、承受复杂的机械和热载荷过程，以及变化的接触条件的非线性组合问题；无论是分析静态和准静态问题，还是稳态和动态问题；无论是隐式求解，还是显示求解，应用ABAQUS计算分析都会得到令人满意的结果，被广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、水利水电和电子工程等科学研究领域。

采用ABAQUS软件进行温变仿真主要包含如下步骤：零部件导入及装配、赋予材料属性、设置分析步、定义相互作用属性、定义边界条件及载荷、网格划分、提交任务和后处理。各步骤之间一般不存在固定的先后顺序，改变操作顺序不会影响分析精度，针对GIS壳体温变行为仿真的约束主要包括定义相互作用属性和边界条件设置两个方面。

3.2 定义相互作用

ABAQUS接触对由主面和从面构成，在仿真计算过程中，接触方向总是主面的法线方向，从面上的节点不能够穿越主面，但主面上的节点可以穿越从面，原则上优先选择刚度较大、网格较粗糙的面作为主面，刚度较小、网格较精细的面作为从面。其次还应考虑两个接触面间的相对滑动公式，有限滑移公式适用于可以任意滑动的两个接触面之间，在整个分析过程中ABAQUS软件需要不断地判断从面节点与具体哪一部分主面存在接触，而小滑移则在确定了从面节点与具体哪一部分主面存在接触后便在整个仿真计算过程中始终保持，不再发生变化。最后需要考虑接触对平面间切向行为和法向行为，对于法向行为，ABAQUS提供了硬接触和指数模型、表格模型、线性模型等软接触，其中硬接触表示接触面之间能够传递地压力大小不受限制，当某些节点之间的接触压力变为零或负值时，相应节点虽然没有分离，但不再受接触属性的约束，符合滑动支撑腿与基础底座间的实际情况。而切向行为提供了库仑摩擦、拉格朗日摩擦、粗糙摩擦和动力摩擦等模型，其中库伦摩擦使用摩擦系数表示接触对之间的摩擦特性。因此，针对GIS壳体实景模型中的接触而言，即滑动支撑腿下表面与基础底座上表面的相互作用，应以基础底座上表面作为主面，滑动支撑腿下表面作为从面，选择支持任意相对滑动的有限滑移公式和法向不可分离的硬接触，并将摩擦系数赋予切向行为。

此外，对于空间直角坐标系内的刚体静态或准静态分析而言一般考虑六种自由，分别是在x、y、z平面内的平动自由度和绕x、y、z轴旋转的转动自由度，ABAQUS软件需要Constraint模块定义组成装配体的各实体之间的自由度约束，具体包括绑定约束、刚体约束、显示体约束、耦合约束、运动约束和分布约束等类型，本文针对GIS壳体实景模型所用到的主要是绑定约束，将各段母线筒、波纹管和盆式绝缘子的法兰面以及固定支撑腿下表面和基础底座上表面固定在一起，在整个分析过程中不再分开。

综上所述，GIS壳体不同结构间相互作用属性设置如表1所示。

表1 GIS壳体不同结构间相互作用属性设置

3.3 边界条件设置

空间直角坐标系内的六自由度不仅作用于各实体模型，对于由实体模型组成的装配体同样需要考虑其六种自由度的约束。而六种自由度的不同组合分别可以构成全约束、关于xoy平面的对称约束、关于xoz平面的对称约束和关于yoz平面的对称约束等。

首先由于第二章节中旨在减少计算成本、节约计算耗时而仅建立了中心对称平面一侧的GIS壳体实景模型，因此需要对中心平面施加对称约束，使中心平面所包含的节点仅拥有在中心平面内产生位移，从而反映GIS实体设备的对称性。

其次，基础底座在实际工程中是浇筑或固定于混凝土基础之上的，在不发生地基沉降的情况下，可以采用全约束限制基础底座下表面所包含节点的所有自由度，使其完全固定以反映真实情况。

最终，完成结构的简化等效以及ABAQUS有限元软件中的相互作用和边界条件设置后，GIS壳体实景模型已经足够反映GIS设备各实体结构的真实耦合关系，后续仅需要施加GIS设备日常运行时经历的真实温度变化即可完成温变行为仿真。

4 案例仿真

4.1 对比模型建立

为验证本文所提GIS壳体温变行为仿真方法的可行性，根据第二章节中的结构简化和体积简化准则，构建了同一220kV GIS壳体不同精度的数字孪生模型，包含实际GIS设备较多细节的完整模型、经过结构简化的结构简化模型和仅保留1/2结构简化模型的体积简化模型。

户外GIS设备所需承受的温度变化主要由环境温升和日照温升决定，实地测量及查阅数据后将仿真温升确定为40℃，据此施加相应的温度载荷，同时将重力载荷和设备内部绝缘气体产生的压力载荷赋予数字孪生体。同时对三种不同精度的数字孪生模型设置相同的种子密度和网格类型，最终完整模型、结构简化模型和体积简化模型的网格数量分别为251031、170779和82323个，可见经过结构简化之后，GIS数字孪生体的网格数量减少了31.97%，而经过体积简化之后，GIS数字孪生体的网格数量进一步减少至完整模型的32.79%。

4.2 仿真结果分析

对于GIS设备而言，其母线筒产生的温变位移主要通过波纹管进行补偿和吸收，从而缓解由温变位移引起的应力集中现象，避免GIS设备最大应力值超过所用材料的屈服极限，进而引起塑性形变，产生安全隐患。因此，针对GIS壳体异常温变行为的监测与预防主要在于波纹管补偿量和GIS最大应力值两项指标的实时仿真。

表2列出了三种不同精度数字孪生体模型的仿真时长和两项关键指标。可以发现，经过不同程度简化之后的模型，仿真得到的波纹管补偿量与完整模型之间最多相差0.62mm，仅为完整模型波纹管补偿量的6.67%，而最大应力值最多存在12.4MPa的差距，仅为完整模型最大应力值的3.71%。

表2 不同模型仿真时长和结果对比

通过图1所示的轴向应力曲线对比可以看出，不同精度数字孪生体的应力分布同样具有较好的一致性。其次，就仿真时长而言，经过结构简化之后的数字孪生体模型，仿真耗时减少了18.99%，经过体积简化之后的数字孪生体模型，其仿真耗时仅为完整模型的39.89%。

图1 应力曲线对比图

需指出的是，本文案例分析中的数字孪生体模型仅为两处固定支撑腿之间相对独立的一段母线间隔，轴向长度约为16米，而在运的GIS设备往往具有若干类似的间隔，经过结构简化和体积简化后的数字孪生体在仿真速度方面的优势则会得到进一步放大。

综上所述，本文所提的GIS壳体温变行为结构建模简化方法能够在保证仿真精度的前提下较为显著的加快仿真速度，有利于提升仿真时效性。

5 结语

母线筒、支撑腿、盆式绝缘子和波纹管是GIS设备发生温变位移故障的关键结构，在进行温变行为仿真研究时应准确重构，并重点关注。为平衡仿真精度、仿真算力和仿真时效性，在保留关键结构的基础上可以仅建立GIS壳体中心对称面一侧的结构，并舍弃附属设施等多于结构。GIS壳体不同结构间的等效方式可以归结为刚性连接、准刚性连接和滑动接触三种，可以分别通过布尔并集操作、绑定接触和有限滑移接触进行模拟。