550 kV GIS電流互感器殼體壁厚減薄強度分析

史存偉，張 鵬，溫 勝，李鳳民，趙海亮

（1.山東電工電氣集團有限公司，山東 濟南 250022；2.山東電工電氣日立高壓開關有限公司，山東 濟南 250022）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉高壓開關（Gas Insulated Switchgear，GIS）是廣泛應用于電力系統的一次設備，其特征是封閉在金屬筒體內，采用SF6絕緣氣體作為絕緣和滅弧介質，將所有開關和母線等高壓電器元件密封在圓形金屬外殼內，構建完整的氣體絕緣和開關動作系統［1-4］。近五年的裝機量，年平均增長率達到12.2%。國內外運行統計結果表明，相對于戶外敞開式變電站，GIS 變電站具有維護工作少、運行可靠性高、結構緊湊而占地少、配置靈活、安裝方便、環境適應能力強等諸多優勢，因而在當今的超/特高壓電網中得到廣泛應用［5-9］。GIS 主要由斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端或套管等部分構成。

隨著全球能源互聯網戰略構想以及“碳達峰、碳中和”目標的提出和快速發展，電力能源消耗以及污染排放問題日益突出，降本增效勢在必行。針對電力一次設備的能效提升研究日漸成為電力領域一項重點工作，基于當前的背景環境以及電力設備的技術推進發展［10-12］。通過模擬電流互感器實際工況，綜合考量電流互感器裝置在工程的實際功用、設計準則等因素下，采取Solidworks 軟件對殼體降本增效的方案改進進行綜合受力校核分析［13-17］，從而為設備的能效提升方案提供了堅實可靠的理論支撐，對以后GIS設備的降本增效工作具有重要的借鑒意義。

1 模型選擇

研究對象計算模型選取的是550 kV GIS 設備電流互感器。此次研究分析設備在極限工況下電流互感器外殼體綜合受力，以此來判斷電流互感器外殼體可否減薄。

所研究的電流互感器裝置的模型在變電站設備布置模式如圖1 所示，其中考慮550 kV GIS 在變電站布置的極限工況下，電流互感器裝置下端與斷路器（Circuit Breaker，CB）連接，上端與I 相（組合電器接地開關與隔離開關的組合體簡稱為I相）連接，與I相連接的連接管底部須布置固定支承架，且最嚴苛條件下每隔18 m 布置1 處，每隔6.5 m 布置1 處滑動支撐架。

圖1 550 kV GIS在變電站的實際布置

本研究綜合分析時，考量18 m 連接管的熱脹冷縮作用力以及設備施加在電流互感器殼體的設備重力對電流互感器裝置的影響，綜合考慮到組合電器整個設備較為龐大、組成部件較多且結構差異較大，為了便于計算及模擬仿真，組合電器內部導體對殼體的作用相對于殼體的熱脹冷縮力影響很小，故模型裝置內部導體影響可忽略。

2 模型數據計算

基于Solidworks Simulation 有限元應力分析功能，在進行仿真分析前，需要計算電流互感器模型理論綜合受力。依據GIS 設備極限工況條件下實際運行中，電流互感器設備外殼體受力情況，綜合考慮I相及連接管的施加重力、電流互感器裝置內部SF6氣體的壓力（0.8 MPa）、連接管熱脹冷縮形成的力、螺栓預緊力、風載（35 m/s 時產生的應力）以及地震的影響［18］。

2.1 重力

GIS設備連接管每隔6.5 m處設有一處滑動支撐架，電流互感器裝置承受的壓力有來自I相的重力以及6.5 m連接管重力的一半，經計算可得

式中：F0為電流互感器殼體受到重力壓力；Mi為I 相質量，此處取值為1 382 kg；Mj為連接管質量，此處取值為1 620 kg；g為重力加速度，取值9.8 m/s2。

由式（1）計算可得，電流互感器裝置承受的重力為15 200 N。

2.2 熱脹冷縮力

電流互感器裝置承受的軸向熱脹冷縮應力為對應連接的18 m 管線沿軸線方向熱脹冷縮長度變化量，考慮設備安裝溫度為20 ℃，實際運行工況最低溫為-30 ℃，最高溫為40 ℃［19］。連接管設備熱脹冷縮軸向伸長量計算如式（2）所示，連接管設備熱脹冷縮軸向收縮量計算如式（3）所示。

式中：ΔL1為連接管軸向伸長量，mm；ΔL2為連接管軸向壓縮量，mm；L為固定支承間連接管設備長度，考慮安裝誤差及熱脹冷縮等因素，取L=18 000 mm；?1為設備鋁殼體的線膨脹系數，?1=23.9×10-6；?2為固定支承元基礎混凝土的線膨脹系數，?2=11.7×10-6；Te為設備通電電流為4 000 A 時引起的殼體溫度變化值，取值6.6 K；Ts為日照引起的母線溫度變化，Ts=10 K；Ta為設備安裝時周圍空氣溫度，本次取20 ℃；Td和Tg為設備運行環境溫度的下限和上限，此處分別取-30 ℃和40 ℃。

將 數據 代入 式（2）和式（3），得 出伸 長量ΔL1≈11.3 mm，得出壓縮量ΔL2≈10.9 mm。熱脹冷縮形變量計算公式為

根據式（4）得出熱脹伸長形變量ε1=0.000 63；冷縮形變量ε2=0.000 61。

熱脹冷縮形變產生的應力為

式中：E為鋁的彈性模量，取值7.2×1010N/mm2；R為連接管外徑，此處取293 mm；r為連接管內徑，此處取285 mm。

根據式（5），得出連接管熱脹形變產生應力為σ1=45.3 MPa，F1=656 850 N；連接管冷縮形變產生應力為σ2=43.9 MPa，F2=636 550 N。

2.3 風載

變電站GIS 設備安裝在戶外環境，會受到大風的影響［20］，本次綜合校核考慮風力影響設計最高風速為35 m/s，根據式（6）可以計算GIS 設備承受的風壓。

式中：ρ為空氣密度，取值為1.205 kg/m3；v為最高風速。由式（6）計算得Wp=0.738 kN/m2，即最大風壓為738 Pa。

2.4 地震載荷

發生地震時，GIS 設備受到的影響較大，因而在做GIS 設備受力分析時，通常需要考慮設備收到的地震力影響［21-23］，本次研究針對的對象為電流互感器裝置，與本體斷路器直接連接，兩個支撐點距離近，受到的地震力行波效應不明顯，因而本次研究不考慮行波效應，模擬分析計算時，采用單點地震輸入方式進行計算，經查閱資料可知，設備承受的地震力為設備自重與地震系數的乘積，其中地震系數為地震時地面最大加速度與重力加速度的比值，以K表示，是確定地震烈度的一個定量指標。殼體設計時一般K取1.2～1.5之間，此處為了計算準確，取值1.5，故將相關數據代入式（7），得地震載荷為6.75 MPa。

式中：σp為殼體豎直方向受到的地震載荷應力，MPa；K為地震系數，取值1.5；G為施加在殼體上的設備自重力，N；S為殼體最小受力截面面積，mm2。

3 仿真分析

通過上文對電流互感器在最嚴苛工況條件下計算出電流互感器所受的各種應力極限值，將其施加到電流互感器模型對其進行綜合仿真分析。

考慮到電流互感器設備組成部件較多且結構復雜，且其內部結構對殼體強度分析影響不大，為了便于計算及模擬仿真，可將計算仿真模型進行簡化，由電流互感器殼體、上端蓋以及下端蓋3 部分組成，材質均為5052-H112。模型中上端蓋直徑1 198 mm，厚度55 mm；下端蓋直徑1 198 mm，厚度60 mm；電流互感器殼體法蘭直徑1 198 mm，上法蘭厚度43 mm 下法蘭厚度34 mm；電流互感器筒體外徑1 026 mm。

在Solidworks Simulation 中導入對應模型后，將以上計算的載荷施加在模型中，其中連接管熱脹對電流互感器應力與連接管冷縮產生應用方向相反，分別按兩種極限情況下將應力值施加到電流互感器殼體進行驗證。其中風載、地震載荷、內部氣體壓力直接施加到電流互感器殼體，連接管熱脹冷縮應力的施加分別按照對應的最大應力于作用于電流互感器殼體，法蘭連接處螺栓預緊力為420 N·m。查閱相關資料及設計經驗，初步擬定殼體厚度縮減至厚度為13 mm、12 mm、11 mm，按照上述分析將各應力施加到模型進行仿真驗證分析，得出殼體壁厚降本增效最優值。

3.1 熱脹應力分析

施加自重、風載、地震載荷、內部氣體壓力、極限熱脹應力后經仿真分析，可以得出電流互感器裝置殼體應力、應變以及位移變化情況。仿真分析效果如圖3和圖4所示，各厚度電流互感器殼體在綜合受力仿真分析結果如表1 所示，可知電流互感器裝置最小壁厚為12 mm 時，最大位移為0.58 mm，發上在殼體法蘭根部，在允許變形范圍；電流互感器裝置極限熱脹影響最大應力為257 MPa，發生位置螺栓處，發生在螺栓螺桿處，螺栓材質為Q235，且強度等級為8.8級，螺栓的屈服強度為640 MPa，因此螺栓不會被破壞，所有殼體壁厚均滿足條件；安全系數選擇為設計準則1.5 的情況下，筒體壁厚至少為12 mm 時，筒體上最大應力56.3 MPa，殼體材質為5052-H112 鋁合金，殼體的屈服強度為90 MPa，因此殼體不會被破壞，殼體壁厚11 mm時，會發生筒體破壞現象。

圖3 熱脹應力作用下位移

表1 熱脹應力作用下殼體受力、位移表

圖4 極限熱脹作用下應力

3.2 冷縮應力分析

施加自重、風載、地震載荷、內部氣體壓力、極限冷縮應力后經仿真分析，可以得出電流互感器裝置殼體應力、應變以及位移變化情況。仿真分析效果如圖5 和圖6 所示，結果如表2 所示。殼體壁厚至少為12 mm 時，殼體最大位移為0.68 mm，發上在殼體法蘭根部，在允許變形范圍；電流互感器裝置極限冷縮影響最大應力為284 MPa，發生位置螺栓處，發生在螺栓螺桿處，螺栓材質為Q235，且強度等級為8.8級，螺栓的屈服強度為640 MPa，因此螺栓不會被破壞，所有殼體壁厚均滿足條件；安全系數選擇為設計準則1.5 的情況下，筒體壁厚至少為12 mm 時，筒體上最大應力53.6 MPa，殼體材質為5052-H112 鋁合金，殼體的屈服強度為90 MPa，因此殼體不會被破壞，殼體壁厚11 mm 時，應力值超過屈服強度會發生筒體破壞現象。

圖5 冷縮應力作用下位移

圖6 極限冷縮作用下應力

表2 冷縮應力作用下殼體受力、位移表

4 結語

對550 kV 電流互感器裝置外殼壁厚由原來16 mm 減薄進行受力分析，考慮了I相及連接管的壓力、電流互感器裝置內部SF6氣體的壓力、連接管熱脹冷縮形成的力、螺栓預緊力、風載、地震的影響。分析結果顯示殼體壁厚最小為12 mm 時，電流互感器筒體最大應力不超過56.3 MPa，在殼體屈服強度90 MPa 的安全系數范圍內，電流互感器筒體沒有發生破壞；電流互感器與I 相法蘭連接的螺栓處發生了應力集中現象，也是最大應力（161.4 MPa）所在處，螺栓屈服強度為640 MPa，故螺栓無損壞。因此550 kV GIS 設備電流互感器筒體厚度減薄方案可行，電流互感器裝置外殼壁厚由原來16 mm 最小減薄為12 mm，可實現電流互感器單個殼體筒體重量降低32.8%，進而實現設備降本增效的效果，為工程實際應用提供參考設計。