高气压环境真空开关分闸速度对波纹管疲劳寿命影响

高气压环境真空开关分闸速度对波纹管疲劳寿命影响

宁占虎 1 ， 姚晓飞 2 ， 刘学 2 ， 洪礼鑫 2 ， 翟小社 2

(1.甘肃电器科学研究院， 甘肃 天水；2.西安交通大学，西安)

原 发表在《高压电器》2019年第 12期。

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一、内容简介

当气体绝缘金属封闭组合开关（GIS）应用真空开关作为开断元件时，真空灭弧室波纹管在高气压差环境下，承受开关高合分闸速度作用，其机械可靠性将成为影响GIS机械可靠性关键因素。然而，目前真空开关合分闸速度对波纹管疲劳寿命的影响研究尚属空白。 中旨在研究高气压环境下真空开关分闸速度对波纹管疲劳寿命的影响。以40.5 kV商用真空灭弧室波纹管作为研究对象，采用流固耦合方法，获得了波纹管在0.1~0.4 MPa气压差，以及1.0~4.0 m/s压缩速度条件下，波纹管的瞬态相对位移、瞬态等效应力分布，以及疲劳寿命，并进行了实验验证。结果显示：当波纹管分闸速度保持一定时，波纹管最大等效应力值随其内外压差的增大而提高；而当波纹管内部气压保持一定时，波纹管最大等效应力随压缩速度线性增加；波纹管压缩过程中应力波的传播与反射易造成波纹管局部应力的集中和阶跃式增大，其局部最大等效应力最大可增至1 500 MPa；高气压差条件下，波纹管压缩速度较高时，其机械寿命急剧降低，当压缩速度为4.0 m/s，气压差为0.4 MPa时，波纹管疲劳寿命仅为804次。

二、主要内容

气体绝缘金属封闭组合式开关(GIS)或气体开关设备(GCB)以其结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置环境适应能力强，维护工作量很小等特点，已经成为国内外中高压输配电领域的主流产品。GIS组合式开关电器与GCB中通常充有0.2 MPa以上的SF6 气体作为各电器部件的绝缘或熄弧介质。然而，联合国气候变化框架公约(FCCC)已明确将SF6 列为温室效应气体而限制其工业应用，因此研发环境友好型开关设备，削减和替代SF6 气体的应用，不仅是目前电力开断技术领域研究热点，同时对推进我国环境友好电力设备的发展具有十分重要的意义。目前可同时兼顾SF6绝缘与开断性能并实现其替代的环保型气体仍处于研究阶段；在GIS中应用真空作为开断介质，并采用一定压力的N2 、CO2 或干燥空气等环保型气体作为绝缘介质，是实现环保型GIS与GCB研发的有效技术措施。当真空灭弧室应用于GIS或GCB中时，将导致其波纹管承受较高的压力，经多次合分闸操作过程，易产生疲劳失效，尤其当GIS或GCB中应用快速真空开关作为开断元件时，真空灭弧室在高内外气压差环境下，波纹管承受开关高合分闸速度作用，其机械可靠性将成为影响GIS或GCB机械可靠性关键因素。

目前，有关波纹设计标准仅考虑波纹管结构参数以及气压条件下波纹管疲劳寿命的经验估计。美国膨胀节制造商 标准(the expansion joint manufactures association，EJMA 2008)采用直梁或曲梁近似模型工程近似法对波纹管在不同气体压差条件下的应力和寿命给出了简化评估模型，提供的U型波纹管设计及寿命评估经验式，适合用于机械寿命在10 00～10 000次的奥氏体不锈钢波纹管，在很多国家得到了广泛的应用。中国的国标GB/T 12777—2008和机械行业标准JB/T 6169—2006，以及日本压力容器的膨胀节标准JIS-B8277和波纹管膨胀节JIS-B2352即参照了EJMA标准中的相关部分。

现阶段国内外关于真空灭弧室波纹管疲劳寿命研究大多基于波纹管动静态应力分析、以及以集中应力——应变分布分析为基础的金属材料疲劳寿命估计等。Bankan提出了一种冲击运动条件下，确定波纹管动态应力的通用分析方法。于长波应用Manson-Coffin公式对波纹管在低载荷循环下的机械寿命进行了计算，并考虑了波纹管厚度以及层数、波纹管内压对机械寿命预测的影响。宋林红基于金属材料疲劳断裂理论，实验分析并获得了波纹管初始裂纹萌生位置分布。曹 晖基于Miner疲劳累积损伤理论和循环载荷作用下的局部应力——应变结果，得到了波纹管在设计机械寿命下的可靠度与使用寿命之间的关系曲线。徐中华基于应力强度干涉曲线(SN曲线)，通过4种不同的平均应力修正方法，对S型波纹管进行了机械寿命分析，发现应力的极值处于波纹管膜片的焊接处。Tsuts通过观察不同尺寸长行程真空灭弧室波纹管在高速伸缩时的变化，发现波数提高并不能有效延长波纹管寿命。

由此可见现阶段真空灭弧室波纹管机械可靠性研究大多基于特定气压差条件下的应力应变分析及以其为基础的疲劳寿命估计，缺乏波纹管伸缩速度对其疲劳寿命的影响研究。因此，有必要针对波纹管在不同伸缩速度条件下的疲劳寿命开展研究，以为环保型金属封闭真空开关的合分闸速度的综合优化设计提供依据。

1 真空灭弧室波纹管疲劳失效模式

2 波纹管疲劳寿命仿真计算

2.1 波纹管流固耦合仿真模型

2.2 波纹管流固耦合分析

2.3 波纹管瞬态应力、应变分布仿真结果

2.4 气体压力对波纹管瞬态应力分布影响

2.5 真空开关分闸速度对波纹管瞬态应力分布影响

2.6 波纹管疲劳寿命仿真计算

3 波纹管疲劳寿命实验验证

4 讨论

三、结论

中针对波纹管伸缩速度对其疲劳寿命影响规律的研究空白，以40.5 kV商用真空灭弧室波纹管作为研究对象，采用流固耦合方法，获得了波纹管在0.1~0.4 MPa气压差，以及1.0~4.0 m/s压缩速度条件下，波纹管的瞬态相对位移、瞬态等效应力分布，以及疲劳寿命，并进行了实验验证，具体结论如下：

1) 当波纹管分闸速度保持一定时，波纹管最大等效应力值随其内外压差的增大而提高；而当波纹管内部气压保持一定时，波纹管压缩速度每提高一倍，波纹管截面最大等效应力也会增加一倍；

2) 波纹管压缩过程中，应力波传播速率为32 m/s，且应力波的传播与反射造成波纹管的局部应力的集中和阶跃式增大，其局部最大等效应力最大可增至1 500 MPa；

3) 波纹管疲劳寿命的仿真结果发现，当压缩速度较高时，波纹管的机械寿命急剧降低。当压缩速度为4 m/s，气压差为0.4 MPa时，波纹管的疲劳寿命仅为804次。

作 者 简 介

宁占虎(1982—)，男，工程师，主要从事电器设备检修和检测技术研究。

姚晓飞(1985—)，男，博士，助理研究员，主要从事快速真空开关关键技术研究。

刘　学(1996—)，男，硕士研究生，主要从事快速真空开关可靠性研究。

洪礼鑫(1993—)，硕士研究生，研究方向为速真空开关关键技术研究。

翟小社(1972—)，男，博士，高级工程师，主要从事高压检测理论和技术研究。

宁占虎，姚晓飞，刘学，等. 高气压环境真空开关分闸速度对波纹管疲劳寿命影响[J]. 高压电器，2019，55(12)：38-45.

NING Zhanhu，YAO Xiaofei，LIU Xue，et al. Influence of opening velocities of a vacuum switch on fatigue life of bellows under high gas pressure circumstance[J]. High Voltage Apparatus，2019，55(12)：38-45.

《高压电器》

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