試論撓度在GIS和GIL工程設(shè)計中的應(yīng)用

李俊鋒++丁伯睿

摘 要：GIS和GIL安裝完成后，由于環(huán)境溫度的變化、通流時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射及風(fēng)等因素的影響，使殼體本身的溫度發(fā)生變化而進(jìn)行熱伸縮。限制該熱伸縮會產(chǎn)生P=ΔLAE/L的載荷，需設(shè)置能承受該載荷的支撐，經(jīng)濟性較差。為滿足GIS和GIL的安全運行，需采用能夠吸收這些熱伸縮的結(jié)構(gòu)。該文敘述了利用GIS和GIL彎曲部分自身的變形，即撓度來吸收熱伸縮。通過仿真計算，解析出撓度引起的位移、載荷和應(yīng)力，以此指導(dǎo)工程設(shè)計。合理利用撓度吸收熱伸縮，既能滿足工程設(shè)計要求，又具有一定的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：GIS GIL 熱伸縮 撓度 仿真計算

中圖分類號：TM1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0086-01

在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）和氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）中，母線是其重要的組成部分，根據(jù)GIS和GIL工程布置形式，母線在長度、布置結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。母線較長時，必須考慮吸收由母線殼體本身溫度變化引起的熱伸縮，尤其是長距離、大容量戶外安裝的GIL設(shè)備。根據(jù)GIS和GIL的布置形式，吸收熱伸縮的方法一般有：

（1）直線布置方式：常用的方法是設(shè)置波紋管或特殊設(shè)計的“門”形結(jié)構(gòu)吸收熱伸縮；

（2）彎曲布置方式：常用的方法是設(shè)置波紋管或利用母線自身撓度吸收熱伸縮。

從功能上而言，設(shè)置波紋管或者利用撓度都能達(dá)到吸收熱伸縮的目的，但合理地利用撓度來吸收熱伸縮是最經(jīng)濟的。下面討論如何利用撓度吸收溫度引起的熱伸縮。

1 撓度吸收熱伸縮的原理

在分析GIS和GIL母線受外力變形時，把母線簡化為梁進(jìn)行分析，下面以90 °母線彎曲為例討論撓度吸收熱伸縮的原理。

母線兩端部固定，由于周圍環(huán)境溫度的變化、通流時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射及風(fēng)等因素的影響，使殼體本身的溫度發(fā)生變化，母線沿軸向方向熱脹冷縮。以圖1中L1母線熱伸縮、L2母線翹曲為例計算L1母線的熱伸縮量及L2母線的撓度：

ΔL1=αΔTL1 （1）

λL2=PL1L23/（3EI） （2）

式（1）和（2）中，α為母線材料的線膨脹系數(shù)，ΔT為殼體的溫升，PL1為L1段母線熱伸縮時對L2段母線產(chǎn)生的熱載荷，E為母線材料彈性模量，I為母線橫截面的慣性矩。

由于母線的熱伸縮量ΔL1和撓度λL2遠(yuǎn)小于母線長度，變形后彎曲角度仍保持90 °不變：

PL1=（ΔL1-λL2）AE/L1 （3）

式（3）中，A為母線的橫截面面積。

由式（1）～（3）即可求出PL1和λL2，進(jìn)而可求出L2母線承受的應(yīng)力。同理，可求出L1母線承受的熱載荷、撓度及應(yīng)力。然后再判斷L1和L2母線承受的應(yīng)力是否滿足判據(jù)要求。

母線以不同彎曲角度或其他彎曲形式，例如“Z”形、“U”形布置時仍可建立平衡方程，求取熱載荷、撓度及應(yīng)力，也可借助有限元分析軟件進(jìn)行解析。

2 撓度吸收熱伸縮仿真計算

采用workbench有限元分析軟件，建立二維梁單元模型（圖1）對彎曲母線進(jìn)行解析。假設(shè)母線材質(zhì)為鋁合金，[σ]=68 MPa，外徑：Φ450 mm，內(nèi)徑：Φ440 mm，L1=L2=10 m。

加載2種邊界條件為：

（1）母線殼體施加85 ℃溫升；

（2）母線兩端固定，其余位置可沿軸向及徑向自由滑動。解析結(jié)果如撓度λ=28.056 mm，σmax=37.868 MPa<[σ]，均在90 °拐角處。

當(dāng)L1和L2取不同長度時，彎曲母線的撓度見表1，最大應(yīng)力值見表2。由表1、2可知，撓度隨著L1和（或）L2的增大而增大，最大應(yīng)力隨著L1和L2的增大而減小。

由上述計算可見，合理的利用撓度來吸收彎曲母線的熱伸縮，能大幅度減小母線的應(yīng)力，滿足工程設(shè)計要求。

3 利用撓度吸收熱伸縮的注意事項

3.1 固定支撐與滑動支撐的設(shè)置

合理布置固定支撐與滑動支撐。其中滑動支撐的設(shè)置尤為重要，根據(jù)撓度，合理確定滑動支撐的軸向和徑向位移量，既要避免因位移量過小發(fā)生母線與支撐頂死，也要避免位移量過大造成成本過高。

3.2 確保與電聯(lián)接導(dǎo)體可靠接觸

核算電聯(lián)接與導(dǎo)體是否接觸可靠，既要避免因母線軸向伸縮時電聯(lián)接與導(dǎo)體可靠接觸尺寸過小而拉脫，或者過大而頂死，也要避免在發(fā)生徑向位移時電聯(lián)接與導(dǎo)體卡死。

4 結(jié)語

因此，在GIS和GIL工程設(shè)計中合理的利用撓度來吸收彎曲母線熱伸縮不僅能減少波紋管的使用數(shù)量，而且簡化了母線的設(shè)計、統(tǒng)一了母線的結(jié)構(gòu)，既提高了經(jīng)濟性指標(biāo)又能做到模塊化設(shè)計，提高了設(shè)計效率。對于長距離、戶外彎曲布置的GIL設(shè)備，應(yīng)首先考慮使用撓度吸收彎曲母線的熱伸縮。

參考文獻(xiàn)

[1] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 丁毓峰.有限元完全分析手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 機械設(shè)計手冊（新版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.endprint

摘 要：GIS和GIL安裝完成后，由于環(huán)境溫度的變化、通流時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射及風(fēng)等因素的影響，使殼體本身的溫度發(fā)生變化而進(jìn)行熱伸縮。限制該熱伸縮會產(chǎn)生P=ΔLAE/L的載荷，需設(shè)置能承受該載荷的支撐，經(jīng)濟性較差。為滿足GIS和GIL的安全運行，需采用能夠吸收這些熱伸縮的結(jié)構(gòu)。該文敘述了利用GIS和GIL彎曲部分自身的變形，即撓度來吸收熱伸縮。通過仿真計算，解析出撓度引起的位移、載荷和應(yīng)力，以此指導(dǎo)工程設(shè)計。合理利用撓度吸收熱伸縮，既能滿足工程設(shè)計要求，又具有一定的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：GIS GIL 熱伸縮 撓度 仿真計算

中圖分類號：TM1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0086-01

在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）和氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）中，母線是其重要的組成部分，根據(jù)GIS和GIL工程布置形式，母線在長度、布置結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。母線較長時，必須考慮吸收由母線殼體本身溫度變化引起的熱伸縮，尤其是長距離、大容量戶外安裝的GIL設(shè)備。根據(jù)GIS和GIL的布置形式，吸收熱伸縮的方法一般有：

（1）直線布置方式：常用的方法是設(shè)置波紋管或特殊設(shè)計的“門”形結(jié)構(gòu)吸收熱伸縮；

（2）彎曲布置方式：常用的方法是設(shè)置波紋管或利用母線自身撓度吸收熱伸縮。

從功能上而言，設(shè)置波紋管或者利用撓度都能達(dá)到吸收熱伸縮的目的，但合理地利用撓度來吸收熱伸縮是最經(jīng)濟的。下面討論如何利用撓度吸收溫度引起的熱伸縮。

1 撓度吸收熱伸縮的原理

在分析GIS和GIL母線受外力變形時，把母線簡化為梁進(jìn)行分析，下面以90 °母線彎曲為例討論撓度吸收熱伸縮的原理。

母線兩端部固定，由于周圍環(huán)境溫度的變化、通流時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射及風(fēng)等因素的影響，使殼體本身的溫度發(fā)生變化，母線沿軸向方向熱脹冷縮。以圖1中L1母線熱伸縮、L2母線翹曲為例計算L1母線的熱伸縮量及L2母線的撓度：

ΔL1=αΔTL1 （1）

λL2=PL1L23/（3EI） （2）

式（1）和（2）中，α為母線材料的線膨脹系數(shù)，ΔT為殼體的溫升，PL1為L1段母線熱伸縮時對L2段母線產(chǎn)生的熱載荷，E為母線材料彈性模量，I為母線橫截面的慣性矩。

由于母線的熱伸縮量ΔL1和撓度λL2遠(yuǎn)小于母線長度，變形后彎曲角度仍保持90 °不變：

PL1=（ΔL1-λL2）AE/L1 （3）

式（3）中，A為母線的橫截面面積。

由式（1）～（3）即可求出PL1和λL2，進(jìn)而可求出L2母線承受的應(yīng)力。同理，可求出L1母線承受的熱載荷、撓度及應(yīng)力。然后再判斷L1和L2母線承受的應(yīng)力是否滿足判據(jù)要求。

母線以不同彎曲角度或其他彎曲形式，例如“Z”形、“U”形布置時仍可建立平衡方程，求取熱載荷、撓度及應(yīng)力，也可借助有限元分析軟件進(jìn)行解析。

2 撓度吸收熱伸縮仿真計算

采用workbench有限元分析軟件，建立二維梁單元模型（圖1）對彎曲母線進(jìn)行解析。假設(shè)母線材質(zhì)為鋁合金，[σ]=68 MPa，外徑：Φ450 mm，內(nèi)徑：Φ440 mm，L1=L2=10 m。

加載2種邊界條件為：

（1）母線殼體施加85 ℃溫升；

（2）母線兩端固定，其余位置可沿軸向及徑向自由滑動。解析結(jié)果如撓度λ=28.056 mm，σmax=37.868 MPa<[σ]，均在90 °拐角處。

當(dāng)L1和L2取不同長度時，彎曲母線的撓度見表1，最大應(yīng)力值見表2。由表1、2可知，撓度隨著L1和（或）L2的增大而增大，最大應(yīng)力隨著L1和L2的增大而減小。

由上述計算可見，合理的利用撓度來吸收彎曲母線的熱伸縮，能大幅度減小母線的應(yīng)力，滿足工程設(shè)計要求。

3 利用撓度吸收熱伸縮的注意事項

3.1 固定支撐與滑動支撐的設(shè)置

合理布置固定支撐與滑動支撐。其中滑動支撐的設(shè)置尤為重要，根據(jù)撓度，合理確定滑動支撐的軸向和徑向位移量，既要避免因位移量過小發(fā)生母線與支撐頂死，也要避免位移量過大造成成本過高。

3.2 確保與電聯(lián)接導(dǎo)體可靠接觸

核算電聯(lián)接與導(dǎo)體是否接觸可靠，既要避免因母線軸向伸縮時電聯(lián)接與導(dǎo)體可靠接觸尺寸過小而拉脫，或者過大而頂死，也要避免在發(fā)生徑向位移時電聯(lián)接與導(dǎo)體卡死。

4 結(jié)語

因此，在GIS和GIL工程設(shè)計中合理的利用撓度來吸收彎曲母線熱伸縮不僅能減少波紋管的使用數(shù)量，而且簡化了母線的設(shè)計、統(tǒng)一了母線的結(jié)構(gòu)，既提高了經(jīng)濟性指標(biāo)又能做到模塊化設(shè)計，提高了設(shè)計效率。對于長距離、戶外彎曲布置的GIL設(shè)備，應(yīng)首先考慮使用撓度吸收彎曲母線的熱伸縮。

參考文獻(xiàn)

[1] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 丁毓峰.有限元完全分析手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 機械設(shè)計手冊（新版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.endprint

摘 要：GIS和GIL安裝完成后，由于環(huán)境溫度的變化、通流時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射及風(fēng)等因素的影響，使殼體本身的溫度發(fā)生變化而進(jìn)行熱伸縮。限制該熱伸縮會產(chǎn)生P=ΔLAE/L的載荷，需設(shè)置能承受該載荷的支撐，經(jīng)濟性較差。為滿足GIS和GIL的安全運行，需采用能夠吸收這些熱伸縮的結(jié)構(gòu)。該文敘述了利用GIS和GIL彎曲部分自身的變形，即撓度來吸收熱伸縮。通過仿真計算，解析出撓度引起的位移、載荷和應(yīng)力，以此指導(dǎo)工程設(shè)計。合理利用撓度吸收熱伸縮，既能滿足工程設(shè)計要求，又具有一定的經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：GIS GIL 熱伸縮 撓度 仿真計算

中圖分類號：TM1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0086-01

在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）和氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）中，母線是其重要的組成部分，根據(jù)GIS和GIL工程布置形式，母線在長度、布置結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。母線較長時，必須考慮吸收由母線殼體本身溫度變化引起的熱伸縮，尤其是長距離、大容量戶外安裝的GIL設(shè)備。根據(jù)GIS和GIL的布置形式，吸收熱伸縮的方法一般有：

（1）直線布置方式：常用的方法是設(shè)置波紋管或特殊設(shè)計的“門”形結(jié)構(gòu)吸收熱伸縮；

（2）彎曲布置方式：常用的方法是設(shè)置波紋管或利用母線自身撓度吸收熱伸縮。

從功能上而言，設(shè)置波紋管或者利用撓度都能達(dá)到吸收熱伸縮的目的，但合理地利用撓度來吸收熱伸縮是最經(jīng)濟的。下面討論如何利用撓度吸收溫度引起的熱伸縮。

1 撓度吸收熱伸縮的原理

在分析GIS和GIL母線受外力變形時，把母線簡化為梁進(jìn)行分析，下面以90 °母線彎曲為例討論撓度吸收熱伸縮的原理。

母線兩端部固定，由于周圍環(huán)境溫度的變化、通流時產(chǎn)生的溫升、陽光的照射及風(fēng)等因素的影響，使殼體本身的溫度發(fā)生變化，母線沿軸向方向熱脹冷縮。以圖1中L1母線熱伸縮、L2母線翹曲為例計算L1母線的熱伸縮量及L2母線的撓度：

ΔL1=αΔTL1 （1）

λL2=PL1L23/（3EI） （2）

式（1）和（2）中，α為母線材料的線膨脹系數(shù)，ΔT為殼體的溫升，PL1為L1段母線熱伸縮時對L2段母線產(chǎn)生的熱載荷，E為母線材料彈性模量，I為母線橫截面的慣性矩。

由于母線的熱伸縮量ΔL1和撓度λL2遠(yuǎn)小于母線長度，變形后彎曲角度仍保持90 °不變：

PL1=（ΔL1-λL2）AE/L1 （3）

式（3）中，A為母線的橫截面面積。

由式（1）～（3）即可求出PL1和λL2，進(jìn)而可求出L2母線承受的應(yīng)力。同理，可求出L1母線承受的熱載荷、撓度及應(yīng)力。然后再判斷L1和L2母線承受的應(yīng)力是否滿足判據(jù)要求。

母線以不同彎曲角度或其他彎曲形式，例如“Z”形、“U”形布置時仍可建立平衡方程，求取熱載荷、撓度及應(yīng)力，也可借助有限元分析軟件進(jìn)行解析。

2 撓度吸收熱伸縮仿真計算

采用workbench有限元分析軟件，建立二維梁單元模型（圖1）對彎曲母線進(jìn)行解析。假設(shè)母線材質(zhì)為鋁合金，[σ]=68 MPa，外徑：Φ450 mm，內(nèi)徑：Φ440 mm，L1=L2=10 m。

加載2種邊界條件為：

（1）母線殼體施加85 ℃溫升；

（2）母線兩端固定，其余位置可沿軸向及徑向自由滑動。解析結(jié)果如撓度λ=28.056 mm，σmax=37.868 MPa<[σ]，均在90 °拐角處。

當(dāng)L1和L2取不同長度時，彎曲母線的撓度見表1，最大應(yīng)力值見表2。由表1、2可知，撓度隨著L1和（或）L2的增大而增大，最大應(yīng)力隨著L1和L2的增大而減小。

由上述計算可見，合理的利用撓度來吸收彎曲母線的熱伸縮，能大幅度減小母線的應(yīng)力，滿足工程設(shè)計要求。

3 利用撓度吸收熱伸縮的注意事項

3.1 固定支撐與滑動支撐的設(shè)置

合理布置固定支撐與滑動支撐。其中滑動支撐的設(shè)置尤為重要，根據(jù)撓度，合理確定滑動支撐的軸向和徑向位移量，既要避免因位移量過小發(fā)生母線與支撐頂死，也要避免位移量過大造成成本過高。

3.2 確保與電聯(lián)接導(dǎo)體可靠接觸

核算電聯(lián)接與導(dǎo)體是否接觸可靠，既要避免因母線軸向伸縮時電聯(lián)接與導(dǎo)體可靠接觸尺寸過小而拉脫，或者過大而頂死，也要避免在發(fā)生徑向位移時電聯(lián)接與導(dǎo)體卡死。

4 結(jié)語

因此，在GIS和GIL工程設(shè)計中合理的利用撓度來吸收彎曲母線熱伸縮不僅能減少波紋管的使用數(shù)量，而且簡化了母線的設(shè)計、統(tǒng)一了母線的結(jié)構(gòu)，既提高了經(jīng)濟性指標(biāo)又能做到模塊化設(shè)計，提高了設(shè)計效率。對于長距離、戶外彎曲布置的GIL設(shè)備，應(yīng)首先考慮使用撓度吸收彎曲母線的熱伸縮。

參考文獻(xiàn)

[1] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 丁毓峰.有限元完全分析手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 機械設(shè)計手冊（新版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.endprint