馬志強(qiáng) 趙艷濤 張路陽

摘 要：氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）是電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，隨著電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，其重要性不斷提升。熱伸縮波紋管作為GIS運(yùn)行過程中的重要部件，多用于現(xiàn)場GIS的安裝與拆解、環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的熱伸縮的吸收以及基礎(chǔ)不均勻沉降的調(diào)節(jié)等。本文從某電壓等級熱伸縮波紋管設(shè)置距離入手，通過仿真解析確定熱伸縮波紋管設(shè)置原則，進(jìn)而計算出熱伸縮母線長度，最后對熱伸縮波紋管參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計分析，為其他熱伸縮波紋管參數(shù)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：GIS;波紋管;熱伸縮;參數(shù)設(shè)計

中圖分類號：TM216文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0070-03

Abstract： Gas insulated switchgear （GIS） is the basic equipment of the power system， with the rapid development of power grid construction， its importance continues to increase. As an important component in the operation of GIS， thermal expansion bellows are mostly used for the installation and dismantling of on-site GIS， the absorption of thermal expansion caused by changes in ambient temperature and the adjustment of uneven foundation settlement. This paper started with the setting distance of the thermal expansion bellows of a certain voltage level， determined the setting principle of the thermal expansion bellows through simulation analysis， and then calculated the length of the thermal expansion bus， finally carried out a detailed design analysis of the thermal expansion bellows parameters to provide a reference for the parameter design of other thermal expansion bellows.

Keywords： GIS;bellows;thermal expansion;parameter design

隨著全球電力系統(tǒng)的發(fā)展和電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求的提高，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）作為輸配電系統(tǒng)的變電站基礎(chǔ)設(shè)備，因占地面積及體積小、可靠性高、安裝方便、檢修周期長、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。GIS作為電網(wǎng)運(yùn)行中的重要電氣設(shè)備，需要在復(fù)雜多變的環(huán)境條件下長期可靠運(yùn)行。熱伸縮波紋管作為GIS運(yùn)行過程中的重要部件，不僅用于GIS組裝與拆解，也用來吸收因環(huán)境溫度變化、通電時出現(xiàn)的溫升等因素產(chǎn)生的熱伸縮變化量，熱伸縮波紋管參數(shù)設(shè)計不合理，會導(dǎo)致熱伸縮波紋管不能夠補(bǔ)償溫度變化引起的母線殼體變形，進(jìn)而造成固定支撐產(chǎn)生裂紋或開裂，嚴(yán)重時導(dǎo)致SF6氣體泄漏、GIS對地放電等，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)安全事故[4-6]。目前，國內(nèi)外各大高壓開關(guān)廠都有各自的熱伸縮波紋管設(shè)計基準(zhǔn)。本文詳細(xì)闡述了某電壓等級GIS用熱伸縮波紋管的參數(shù)設(shè)計，在確定波紋管設(shè)置距離的基礎(chǔ)上，以目前工程設(shè)計最苛刻的外部環(huán)境為條件，設(shè)計出滿足GIS設(shè)備需要的熱伸縮波紋管，為GIS設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供有力保障。

1 熱伸縮波紋管設(shè)置距離分析

GIS現(xiàn)場安裝后，由于現(xiàn)場環(huán)境的溫度變化、通電時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射等原因，殼體本身的溫度發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而產(chǎn)生熱伸縮。在GIS間隔距離較小的情況下，間隔內(nèi)的L型母線、T型母線可以通過自適應(yīng)形變來吸收熱伸縮;而在GIS間隔距離較大的情況下，要設(shè)置熱伸縮波紋管來吸收外部環(huán)境變化引起的熱伸縮。下面通過統(tǒng)計歷年來某電壓等級的GIS工程站間隔距離，對位于節(jié)點(diǎn)間隔距離的GIS進(jìn)行熱伸縮仿真解析，進(jìn)而確定熱伸縮波紋管間隔距離的設(shè)置原則。

1.1 某電壓等級GIS工程站間隔距離匯總

本研究以某電壓等級工程站為例，統(tǒng)計GIS間隔距離，如表1所示。表1顯示，間隔距離7.5 m以下的工程站占該電壓等級的65%，間隔距離7.5～16.0 m的占該電壓等級的27%，16 m以上則占該電壓等級的8%。下面首先對間隔距離7.5 m的GIS進(jìn)行熱伸縮仿真解析，通過分析間隔內(nèi)各個零部件的應(yīng)力情況來判斷該間隔距離的GIS在不安裝熱伸縮波紋管的情況下是否可以通過自適應(yīng)變形來吸收相應(yīng)的熱伸縮變化。

1.2 GIS熱伸縮仿真計算

在進(jìn)行電壓等級工程站設(shè)計時，針對GIS本體、支架以及基礎(chǔ)，要合理選用材料。本研究中，GIS本體材料選用鋁或鑄鋁，支架和基礎(chǔ)材料選用Q235，環(huán)境溫度設(shè)置為+5 ℃，本體溫升設(shè)置如下：35 ℃（環(huán)境溫升）+10 ℃（日照溫升）+30 ℃（通流溫升）=75 ℃。仿真解析模型如圖1所示，仿真解析結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果表明，在不考慮螺栓應(yīng)力的情況下，7.5 m間隔距離的GIS不設(shè)置熱伸縮波紋管，在極端的環(huán)境條件下，本體應(yīng)力值處于各個材料的許用值范圍內(nèi)，也就是說，靠本體可以吸收相應(yīng)的熱伸縮。后又對8 m間隔距離的GIS進(jìn)行仿真解析，在相應(yīng)解析條件下，本體應(yīng)力值超出材料許用值，兩者的解析結(jié)果如表2所示。

經(jīng)上述分析，7.5 m間隔距離以下的GIS可以不設(shè)置熱伸縮波紋管，7.5 m間隔距離以上的GIS設(shè)置熱伸縮波紋管。經(jīng)研究，16 m間隔距離對應(yīng)的熱伸縮母線長度較大，該情況下計算出的熱伸縮波紋管的年變化位移以及日變化位移較大，如果設(shè)置1個波紋管，那么在波紋管的幾何參數(shù)一定時難以滿足熱伸縮波紋管的疲勞壽命試驗(yàn)要求，進(jìn)而導(dǎo)致熱伸縮波紋管設(shè)計比較困難，故本文對16 m以上間隔距離的GIS設(shè)置2個波紋管。波紋管間隔距離與波紋管個數(shù)設(shè)置情況如表3所示。

2 熱伸縮母線長度計算

前文介紹7.5～16.0 m間隔距離設(shè)置1個熱伸縮波紋管，該間隔內(nèi)最長熱伸縮母線的長度計算如下。

2.1 計算條件

環(huán)境溫度為-25～+40 ℃;安裝時的環(huán)境溫度為+5～+32 ℃;日溫度變化[T1]為20 K;因陽光照射所引起熱伸縮的殼體溫升[T2]為10 K（戶外）或0 K（戶內(nèi)）;因電流所引起熱伸縮的殼體溫升[T3]為30 K;鋁殼體材料的線膨脹系數(shù)[α1]為[23.9×10-6 ℃-1];由于基礎(chǔ)內(nèi)部放入了鋼筋，因此混凝土的線膨脹系數(shù)與鋼材料的線膨脹系數(shù)相同，基礎(chǔ)的線膨脹系數(shù)[α2]為[11.7×10-6 ℃-1]。

2.2 最長熱伸縮母線的長度計算

3.3 熱伸縮波紋管參數(shù)

GIS設(shè)備壽命按50年計算，熱伸縮波紋管日變化循環(huán)壽命應(yīng)大于18 250次，年變化位移循環(huán)壽命應(yīng)大于50次。熱伸縮波紋管參數(shù)安裝位移則與該處母線裝配的防脫結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，位移參數(shù)需要保證熱伸縮波紋管在正常壓縮的情況下滿足GIS順利安裝與拆解的要求，本文根據(jù)相關(guān)設(shè)計得出波紋管安裝位移200 mm，安裝位移的循環(huán)壽命次數(shù)則是由波紋管廠家通過GIS廠家設(shè)計的波紋管的幾何參數(shù)（內(nèi)徑、壁厚、波高、波距、波數(shù)）計算得出，人們可以根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗(yàn)給出波紋管合理的循環(huán)壽命次數(shù)。根據(jù)上述分析，本研究得出某電壓等級熱伸縮波紋管設(shè)計參數(shù)，如表4所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，本文對本次設(shè)計的熱伸縮波紋管進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。本次試驗(yàn)在國家儀器儀表元器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心順利完成，部分試驗(yàn)項目如表5所示。

5 結(jié)論

本文從熱伸縮波紋管設(shè)置間隔距離入手，通過對間隔距離不同的GIS進(jìn)行熱伸縮仿真解析，確定了波紋管間隔距離與波紋管個數(shù)的設(shè)置原則，然后根據(jù)環(huán)境的溫度變化、通電時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射等外界因素計算出間隔內(nèi)熱伸縮母線長度和熱伸縮波紋管設(shè)計參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于使用環(huán)境、允用應(yīng)力的計算方法以及引用標(biāo)準(zhǔn)、地震條件等因素的不同，熱伸縮變化量會有所波動，因此，在對熱伸縮波紋管參數(shù)進(jìn)行設(shè)計時，要考慮一定的靈活性，為GIS產(chǎn)品設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供有力保障。

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