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研究生:鄭伊帆
研究生(外文):Yi-Fan Cheng
論文名稱:氣體絕緣開關設備之壓力容器應力分析
論文名稱(外文):Stress Analysis of Pressure Vessels in Gas Insulated Switchgear
指導教授:陳冠宇陳冠宇引用關係
指導教授(外文):Kuan-Yu Chen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:65
中文關鍵詞:壓力容器氣體絕緣開關應力分析
外文關鍵詞:gas insulated switchgearpressure vesselstress analysis
相關次數:
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氣體絕緣開關設備為一輸配電設備,具有體積小、安全性高、模組化設計且可整檔設備運輸等優點,尤其近年來環保意識高漲,變電所用地取得不易,佔地較大之開放式空氣絕緣開關設備已漸漸被淘汰,取而代之的為氣體絕緣開關設備。氣體絕緣開關設備的所有導體及相關重要零配件皆包覆於壓力容器內,其內部必須充填一定壓力之六氟化硫氣體,因此當壓力容器承受內壓或內部產生閃絡現象時,其強度是否足夠成為重要的研究課題,故近年來許多研究聚焦於氣體絕緣開關設備之壓力容器的強度分析。傳統上,壓力容器的設計均使用經驗公式計算應力,然而對於較複雜形狀之壓力容器,經驗公式難以適用。故本文的研究目的為利用ANSYS-Workbench輔助,提供壓力容器設計更迅速且可靠的應力分析。首先,本文採用的力學模型,依據氣體絕緣開關設備承受內壓之狀況,配合CNS規範求得壓力容器應具備之最小厚度與最大容許壓力後,再分別使用經驗公式及ANSYS-Workbench求其應力分佈,與前人的結果比對以驗證本文的計算及分析過程無誤。接著,依本文提出利用ANSYS-Workbench輔助之計算及分析步驟,可應用於較複雜形狀之壓力容器的設計,根據分析結果顯示:利用ANSYS-Workbench輔助設計可得到較佳的結果,此外,亦能求得支管接合處之受力狀況,且分析結果與前人的研究相符。
The gas insulated switchgears are transmission and distribution equipments which have a lot of advantages that are small size, high security, modular design and that can be transported fully assembled. Environmental protection receives much concern in recent years because of the area of transformer substations are difficult to obtain. So the gas insulated switchgears have already replaced the air insulated switchgears gradually and become indispensable products. All of conductors and important accessories of gas insulated switchgears are included in pressure vessels and that must be filled with the gas in suitable pressure. For this reason, when pressure vessels are withstood inner pressure or produced flashover, whether the intensity of pressure vessels is enough or not became the problem that we care about. Analysis of pressure vessels about gas insulated switchgear had be discussed extensively in recent years. The complicated pressure vessels can use the ANSYS-Workbench to design and get the better results. Besides, the empirical formulae are unsuitable to be used on complicated pressure vessels. So, the research purposes provide faster and more reliable method that is used by ANSYS-Workbench. First, according to the gas insulated switchgear which bears the internal pressure and then the model is the literature which adopts predecessors[1] and built by PRO/E. After utilizing CNS spec. to calculate pressure vessels’ minimum thickness and maximum allowable pressure, moreover, to use empirical formulae and ANSYS-Workbench to calculate the stress, and then compare results of empirical formulae and analytic results with the reference. Based on the method that could be used on complicated pressure vessels and the results showed that analytic results meet the requirements, besides, the analysis of ANSYS-Workbench is in conformity with predecessors' literature.
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 組織架構 4
第二章 氣體絕緣開關壓力容器之強度計算 5
2.1 氣體絕緣開關 5
2.2 強度計算 9
2.3 計算結果 12
第三章 利用ANSYS-WORKBENCH分析壓力容器之應力 16
3.1 ANSYS-WORKBENCH介紹 16
3.2 設計流程 18
3.2.1 分析方法 18
3.2.2 模擬結果與討論 30
3.3 實例應用 32
3.3.1 範例說明 32
3.3.2 分析方法 33
3.3.3 模擬結果與討論 45
3.4 討論 52
第四章 結論與未來展望 54
4.1 結論 54
4.2 未來展望 54
參考文獻 55

圖目錄
圖1.1 電力系統流程圖 2
圖2.1 空氣絕緣開關 5
圖2.2 西門子之單相式容器氣體絕緣開關 6
圖2.3 西門子之三相式容器氣體絕緣開關 6
圖2.4 三相式容器 8
圖2.5 單相式容器 9
圖2.6 閃絡現象產生之過程[5] 9
圖2.7 模型尺寸圖 10
圖2.8 延性材料之應力-應變曲線 15
圖3.1 ANSYS-Classic介面 17
圖3.2 ANSYS-Workbench介面 17
圖3.3 分析流程圖 18
圖3.4 Pro/E模型 19
圖3.5 匯出步距檔(*.stp)模型 19
圖3.6 步距檔模型匯入ANSYS-Workbench 20
圖3.7 A5052材料特性 20
圖3.8 單位選定 21
圖3.9 網格設定 22
圖3.10 Mesh後之模型 22
圖3.11 設定約束 23
圖3.12 Fixed Support約束 23
圖3.13 Pressure方式設定負載 24
圖3.14 填入1 MPa之設計壓力 24
圖3.15 完成設定負載 25
圖3.16 選定欲求解之應力 28
圖3.17 選定Solve 28
圖3.18 分析結果 29
圖3.19 放大1000倍之變形 30
圖3.20 應力量測點 31
圖3.21 C.B.外型尺寸 32
圖3.22 Static Structural模組 33
圖3.23 C.B.壓力容器應力分析流程圖 34
圖3.24 C.B.模型 36
圖3.25 C.B.步距檔(*.stp)匯出 37
圖3.26 C.B.模型匯入ANSYS-Workbench 37
圖3.27 單位轉換 38
圖3.28 網格設定 39
圖3.29 網格模型狀態 39
圖3.30 C.B.模型之邊界條件設定 40
圖3.31 C.B.模型設定Fixed Support之邊界條件 40
圖3.32 Pressure方式設定負載 41
圖3.33 填入1 MPa之設計壓力 41
圖3.34 完成設定負載 42
圖3.35 選定欲求解之Von Mises應力 42
圖3.36 選定Solve 43
圖3.37 分析結果 44
圖3.38 放大300倍之變形 44
圖3.39 量測點佈置圖 45
圖3.40 A區應力折線圖 46
圖3.41 B區應力折線圖 46
圖3.42 C區應力折線圖 47
圖3.43 D區應力折線圖 47
圖3.44 E區應力折線圖 48
圖3.45 F區應力折線圖 48
圖3.46 G區應力折線圖 49
圖3.47 H區應力折線圖 49
圖3.48 I區應力折線圖 50
圖3.49 J區應力折線圖 50

表目錄
表2.1 SF6氣體特性 7
表2.2 模型規格 10
表2.3 壓力容器板厚允許值與實際使用板厚比較 13
表2.4 容許壓力允許值與實際承受之內壓情況比較 13
表2.5 計算之應力與實際可承受之強度比較 14
表3.1 應力分析結果 31
表3.2 C.B.模型規格 33
表3.3 壓力容器板厚允許值與實際使用板厚比較 35
表3.4 容許壓力允許值與實際承受之內壓情況比較 35
表3.5 分析之應力與實際可承受之強度比較 52



參考文獻
[1]侯月玲、李育文、王宇、王紅衛,“基於ANSYS的GIS殼體應力分析研究”,煤礦機械,Vol. 30,No. 4,pp. 53-55,2009。
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[3]S. Sugiyama, M. Fujita, and T. Shinohara, “Extra-high-voltage gas-insulated switchgear”, Fuji Electric Journal, Vol. 71, No. 9, pp. 80-84, 1998.
[4]朱瑞墉,“台電公司遍佈全台的輸配電系統”,源雜誌,Vol. 79,pp. 5-9,2009。
[5]呂銘宗,“GIS設備部份放電檢測技術實習”, http://open.nat.gov.tw/OpenFront/index.jspx,2007。
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[7]中國國家標準CNS 9789壓力容器之胴體及端板,pp. 1-2,2001。
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[11]欒春遠,壓力容器ANSYS分析與強度計算,中國水利水電出版社,中國北京,2008。
[12]陳玉博、李志安、戴玉龍,“內壓等徑大開孔殼體應力集中的有限元分析”,瀋陽化工學院學報,Vol. 21,No. 1,pp. 39-42,2007。
[13]張銘坤、施俊誌、陳垠廷,“以有限元素法分析受內壓鋼管特性之研究”,工業安全衛生論文研討會,台北市,2003.
[14]劉晉奇,“固體力學的基本觀念”, http://researcher.nsc.gov.tw/site/nscml/public/jinchee/MMO/CAE-Ch3a.pdf, 2009。
[15]T. Sato, “Failure modes and stresses of pressure vessels and piping(1)-stress and strain, failure modes and ductile rupture”, Journal of High Pressure Institute of Japan, Vol. 43, No. 1, pp. 40-50, 2005.

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