GIS用熱伸縮波紋管參數設計研究

馬志強 趙艷濤 張路陽

摘 要：氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）是電力系統的基礎設備，隨著電網建設的迅速發展，其重要性不斷提升。熱伸縮波紋管作為GIS運行過程中的重要部件，多用于現場GIS的安裝與拆解、環境溫度變化產生的熱伸縮的吸收以及基礎不均勻沉降的調節等。本文從某電壓等級熱伸縮波紋管設置距離入手，通過仿真解析確定熱伸縮波紋管設置原則，進而計算出熱伸縮母線長度，最后對熱伸縮波紋管參數進行詳細設計分析，為其他熱伸縮波紋管參數設計提供參考。

關鍵詞：GIS;波紋管;熱伸縮;參數設計

中圖分類號：TM216文獻標識碼：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

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

1 熱伸縮波紋管設置距離分析

GIS現場安裝后，由于現場環境的溫度變化、通電時產生的溫升、陽光的照射等原因，殼體本身的溫度發生相應變化，進而產生熱伸縮。在GIS間隔距離較小的情況下，間隔內的L型母線、T型母線可以通過自適應形變來吸收熱伸縮;而在GIS間隔距離較大的情況下，要設置熱伸縮波紋管來吸收外部環境變化引起的熱伸縮。下面通過統計歷年來某電壓等級的GIS工程站間隔距離，對位于節點間隔距離的GIS進行熱伸縮仿真解析，進而確定熱伸縮波紋管間隔距離的設置原則。

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進行熱伸縮仿真解析，通過分析間隔內各個零部件的應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變形來吸收相應的熱伸縮變化。

1.2 GIS熱伸縮仿真計算

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

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

經上述分析，7.5 m間隔距離以下的GIS可以不設置熱伸縮波紋管，7.5 m間隔距離以上的GIS設置熱伸縮波紋管。經研究，16 m間隔距離對應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，如果設置1個波紋管，那么在波紋管的幾何參數一定時難以滿足熱伸縮波紋管的疲勞壽命試驗要求，進而導致熱伸縮波紋管設計比較困難，故本文對16 m以上間隔距離的GIS設置2個波紋管。波紋管間隔距離與波紋管個數設置情況如表3所示。

2 熱伸縮母線長度計算

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

2.1 計算條件

環境溫度為-25～+40 ℃;安裝時的環境溫度為+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）;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[α1]為[23.9×10-6 ℃-1];由于基礎內部放入了鋼筋，因此混凝土的線膨脹系數與鋼材料的線膨脹系數相同，基礎的線膨脹系數[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

GIS設備壽命按50年計算，熱伸縮波紋管日變化循環壽命應大于18 250次，年變化位移循環壽命應大于50次。熱伸縮波紋管參數安裝位移則與該處母線裝配的防脫結構設計有關，位移參數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，本文根據相關設計得出波紋管安裝位移200 mm，安裝位移的循環壽命次數則是由波紋管廠家通過GIS廠家設計的波紋管的幾何參數（內徑、壁厚、波高、波距、波數）計算得出，人們可以根據以往設計經驗給出波紋管合理的循環壽命次數。根據上述分析，本研究得出某電壓等級熱伸縮波紋管設計參數，如表4所示。

4 試驗驗證

依據相關標準要求，本文對本次設計的熱伸縮波紋管進行了相關試驗驗證。本次試驗在國家儀器儀表元器件質量監督檢驗中心順利完成，部分試驗項目如表5所示。

5 結論

本文從熱伸縮波紋管設置間隔距離入手，通過對間隔距離不同的GIS進行熱伸縮仿真解析，確定了波紋管間隔距離與波紋管個數的設置原則，然后根據環境的溫度變化、通電時產生的溫升、陽光的照射等外界因素計算出間隔內熱伸縮母線長度和熱伸縮波紋管設計參數。在實際應用中，由于使用環境、允用應力的計算方法以及引用標準、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進行設計時，要考慮一定的靈活性，為GIS產品設備的安全可靠運行提供有力保障。

參考文獻：

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