GIS用热伸缩波纹管参数设计研究

马志强 赵艳涛 张路阳

摘 要：气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）是电力系统的基础设备，随着电网建设的迅速发展，其重要性不断提升。热伸缩波纹管作为GIS运行过程中的重要部件，多用于现场GIS的安装与拆解、环境温度变化产生的热伸缩的吸收以及基础不均匀沉降的调节等。本文从某电压等级热伸缩波纹管设置距离入手，通过仿真解析确定热伸缩波纹管设置原则，进而计算出热伸缩母线长度，最后对热伸缩波纹管参数进行详细设计分析，为其他热伸缩波纹管参数设计提供参考。

关键词：GIS;波纹管;热伸缩;参数设计

中图分类号：TM216文献标识码：A文章编号：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

隨着全球电力系统的发展和电力系统运行可靠性要求的提高，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）作为输配电系统的变电站基础设备，因占地面积及体积小、可靠性高、安装方便、检修周期长、维护工作量小等优点[1-3]，在国内外得到了广泛应用。GIS作为电网运行中的重要电气设备，需要在复杂多变的环境条件下长期可靠运行。热伸缩波纹管作为GIS运行过程中的重要部件，不仅用于GIS组装与拆解，也用来吸收因环境温度变化、通电时出现的温升等因素产生的热伸缩变化量，热伸缩波纹管参数设计不合理，会导致热伸缩波纹管不能够补偿温度变化引起的母线壳体变形，进而造成固定支撑产生裂纹或开裂，严重时导致SF6气体泄漏、GIS对地放电等，最终导致严重的电网安全事故[4-6]。目前，国内外各大高压开关厂都有各自的热伸缩波纹管设计基准。本文详细阐述了某电压等级GIS用热伸缩波纹管的参数设计，在确定波纹管设置距离的基础上，以目前工程设计最苛刻的外部环境为条件，设计出满足GIS设备需要的热伸缩波纹管，为GIS设备的安全可靠运行提供有力保障。

1 热伸缩波纹管设置距离分析

GIS现场安装后，由于现场环境的温度变化、通电时产生的温升、阳光的照射等原因，壳体本身的温度发生相应变化，进而产生热伸缩。在GIS间隔距离较小的情况下，间隔内的L型母线、T型母线可以通过自适应形变来吸收热伸缩;而在GIS间隔距离较大的情况下，要设置热伸缩波纹管来吸收外部环境变化引起的热伸缩。下面通过统计历年来某电压等级的GIS工程站间隔距离，对位于节点间隔距离的GIS进行热伸缩仿真解析，进而确定热伸缩波纹管间隔距离的设置原则。

1.1 某电压等级GIS工程站间隔距离汇总

本研究以某电压等级工程站为例，统计GIS间隔距离，如表1所示。表1显示，间隔距离7.5 m以下的工程站占该电压等级的65%，间隔距离7.5～16.0 m的占该电压等级的27%，16 m以上则占该电压等级的8%。下面首先对间隔距离7.5 m的GIS进行热伸缩仿真解析，通过分析间隔内各个零部件的应力情况来判断该间隔距离的GIS在不安装热伸缩波纹管的情况下是否可以通过自适应变形来吸收相应的热伸缩变化。

1.2 GIS热伸缩仿真计算

在进行电压等级工程站设计时，针对GIS本体、支架以及基础，要合理选用材料。本研究中，GIS本体材料选用铝或铸铝，支架和基础材料选用Q235，环境温度设置为+5 ℃，本体温升设置如下：35 ℃（环境温升）+10 ℃（日照温升）+30 ℃（通流温升）=75 ℃。仿真解析模型如图1所示，仿真解析结果如图2所示。

结果表明，在不考虑螺栓应力的情况下，7.5 m间隔距离的GIS不设置热伸缩波纹管，在极端的环境条件下，本体应力值处于各个材料的许用值范围内，也就是说，靠本体可以吸收相应的热伸缩。后又对8 m间隔距离的GIS进行仿真解析，在相应解析条件下，本体应力值超出材料许用值，两者的解析结果如表2所示。

经上述分析，7.5 m间隔距离以下的GIS可以不设置热伸缩波纹管，7.5 m间隔距离以上的GIS设置热伸缩波纹管。经研究，16 m间隔距离对应的热伸缩母線长度较大，该情况下计算出的热伸缩波纹管的年变化位移以及日变化位移较大，如果设置1个波纹管，那么在波纹管的几何参数一定时难以满足热伸缩波纹管的疲劳寿命试验要求，进而导致热伸缩波纹管设计比较困难，故本文对16 m以上间隔距离的GIS设置2个波纹管。波纹管间隔距离与波纹管个数设置情况如表3所示。

2 热伸缩母线长度计算

前文介绍7.5～16.0 m间隔距离设置1个热伸缩波纹管，该间隔内最长热伸缩母线的长度计算如下。

2.1 计算条件

环境温度为-25～+40 ℃;安装时的环境温度为+5～+32 ℃;日温度变化[T1]为20 K;因阳光照射所引起热伸缩的壳体温升[T2]为10 K（户外）或0 K（户内）;因电流所引起热伸缩的壳体温升[T3]为30 K;铝壳体材料的线膨胀系数[α1]为[23.9×10-6 ℃-1];由于基础内部放入了钢筋，因此混凝土的线膨胀系数与钢材料的线膨胀系数相同，基础的线膨胀系数[α2]为[11.7×10-6 ℃-1]。

2.2 最长热伸缩母线的长度计算

3.3 热伸缩波纹管参数

GIS设备寿命按50年计算，热伸缩波纹管日变化循环寿命应大于18 250次，年变化位移循环寿命应大于50次。热伸缩波纹管参数安装位移则与该处母线装配的防脱结构设计有关，位移参数需要保证热伸缩波纹管在正常压缩的情况下满足GIS顺利安装与拆解的要求，本文根据相关设计得出波纹管安装位移200 mm，安装位移的循环寿命次数则是由波纹管厂家通过GIS厂家设计的波纹管的几何参数（内径、壁厚、波高、波距、波数）计算得出，人们可以根据以往设计经验给出波纹管合理的循环寿命次数。根据上述分析，本研究得出某电压等级热伸缩波纹管设计参数，如表4所示。

4 试验验证

依据相关标准要求，本文对本次设计的热伸缩波纹管进行了相关试验验证。本次试验在国家仪器仪表元器件质量监督检验中心顺利完成，部分试验项目如表5所示。

5 结论

本文从热伸缩波纹管设置间隔距离入手，通过对间隔距离不同的GIS进行热伸缩仿真解析，确定了波纹管间隔距离与波纹管个数的设置原则，然后根据环境的温度变化、通电时产生的温升、阳光的照射等外界因素计算出间隔内热伸缩母线长度和热伸缩波纹管设计参数。在实际应用中，由于使用环境、允用应力的计算方法以及引用标准、地震条件等因素的不同，热伸缩变化量会有所波动，因此，在对热伸缩波纹管参数进行设计时，要考虑一定的灵活性，为GIS产品设备的安全可靠运行提供有力保障。

参考文献：

[1]王军飞.金属波纹管膨胀节在GIS中的应用[J].高压电器，2010（5）：47-48.

[2]黄坤鹏.伸缩节在GIS中的应用[J].电气制造，2011（6）：40-43.

[3]贾耿锋.GIS用热补偿型波纹管伸缩量设计分析[J].电气工程学报，2017（6）：36-40.

[4]宁占虎.高气压环境真空开关分闸速度对波纹管疲劳寿命影响[J].高压电器，2019（12）：46-53.

[5]国家市场监督管理总局，中国国家标准化管理委员会.金属波纹管膨胀节通用技术条件：GB/T 12777—2019[S].北京：中国标准出版社，2019.

[6]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.高压开关设备和控制设备的抗震要求：GB/T 13540—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.