熱伸縮拉桿型波紋管在GIS設備中的應用

張磊

摘要：GIS設備在制作中，為便于安裝、檢修、吸收熱伸縮，經(jīng)常采用波紋管結(jié)構(gòu)。結(jié)合實際工程對熱伸縮拉桿型波紋管溫度變化、變形量及伸縮次數(shù)進行分析，可以讓設計人員對溫度補償型波紋管的合理、經(jīng)濟配置有所了解。

關鍵詞：GIS設備；波紋管；溫度變化量；波紋管伸縮量

氣體絕緣金屬封閉開關設備（簡稱GIS）由于其操作安全，受外界環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀等優(yōu)點，近年來，越來越多的用于各種變電站中。然而，GIS在運行過程中由于環(huán)境溫度的變化、通電時產(chǎn)生的溫升、日照、風力、早晚溫差等原因，會使金屬殼體本身的溫度產(chǎn)生變化而進行熱伸縮，殼體的熱伸縮對GIS，特別是對GIS母線的危害極大。

一、GIS中常用波紋管的類型

GIS用金屬波紋管作為GIS工程中相鄰兩個設備殼體間的連接部件，按其用途可以分為調(diào)整型波紋管和溫度補償型波紋管。

（一）調(diào)整型波紋管

調(diào)整型波紋管又叫可拆卸波紋管，主要由調(diào)整尺寸用波紋管和內(nèi)部可拆卸的導體組成。調(diào)整型波紋管有兩種功能：一種是用來解決因吸收零部件的加工尺寸公差、安裝誤差而造成的安裝困難問題。安裝時可松開波紋管上聯(lián)接兩側(cè)法蘭的雙頭螺桿上的螺栓，在圖紙規(guī)定尺寸內(nèi)對波紋管長度進行調(diào)整，安裝完畢后將螺母鎖緊；另一種是當設備需要檢修時，由于GIS結(jié)構(gòu)緊湊，操作空間較小。

（二）溫度補償型波紋管

溫度補償型波紋管又叫熱伸縮波紋管。溫度補償型波紋管不僅可以吸收加工尺寸公差、安裝誤差、方便檢修時拆卸，而且可吸收殼體由于熱脹冷縮產(chǎn)生的較大位移的變形量，吸收地震、基礎沉降等產(chǎn)生的較小的下沉量。在GIS工程中比較常用的溫度補償型波紋管有：熱伸縮拉桿型波紋管和壓力均衡型波紋管。

二、熱伸縮拉桿型波紋管伸縮量的計算

設計人員在工程設計時必須考慮波紋管伸縮量的計算。以下以大連某變電站參數(shù)為例，對熱伸縮拉桿型波紋管伸縮量的計算進行說明。

（一）使用環(huán)境條件

（1） 安裝場所：戶外 （2） 環(huán)境溫度：-30℃～+40℃ （3） 最大日溫差：20K（4） 日照溫升：5K （5） 通電溫升：30K （6） 安裝時環(huán)境溫度：5℃～+30℃（7） 材料的線膨脹系數(shù)α：鐵：α1=11.7×10-6鋁：α2=23.9×10-6

（二）溫度變化量的計算

根據(jù)使用環(huán)境條件，結(jié)合大連某站熱伸縮拉桿型波紋管的具體情況，可分別計算出波紋管的年溫度變化量和日溫度變化量。

1.年溫度變化量

① 當環(huán)境溫度為+40℃時，在工況㈠條件下的溫度變化量：

母線殼體的溫度變化量△T1=（+40）-（+5）+（+30）+（+5）=70K

熱伸縮拉桿的溫度變化量△T2=（+40）-（+5）+（+0）+（+5）=40K

② 當環(huán)境溫度為-30℃時，在工況㈥條件下的溫度變化量：

母線殼體的溫度變化量△T3=（-30）-（+30）+（+0）+（+0）=-60K

熱伸縮拉桿的溫度變化量△T4=（-30）-（+30）+（+0）+（+0）=-60K

2.日溫度變化量

在計算日溫度變化量時不需要考慮年平均環(huán)境溫度和安裝溫度，變化量如下：

母線殼體的溫度變化量△T5= （+20）+（+5）+（+30）=55K

熱伸縮拉桿的溫度變化量△T6= （+20）+（+5）+（+0）=25K

（三）波紋管軸向變形量的計算

在GIS變電站中地基一般采用鋼筋混凝土基礎，熱伸縮拉桿（材質(zhì)：鐵）與地基具有幾乎相等的線膨脹系數(shù)，因此可認為它們兩個屬于同步等量熱伸縮。此外，由于波紋管較短（485mm），為簡化計算，可忽略波紋管自身熱伸縮產(chǎn)生的變形。因此，可求出因熱伸縮而導致的波紋管的年變形量X和日變形量Y。

年變形量的計算

在工況㈠條件下的年變形量：X=L1×α1×△T2-L2×α2×△T1=-5.24mm

在工況㈥條件下的年變形量：X=L1×α1×△T4-L2×α2×△T3=2.97mm

其中負值表示波紋管被壓縮，正值表示被拉伸。

按照以上的參數(shù)條件，安裝完成后，因熱伸縮拉桿和殼體的綜合熱伸縮作用，波紋管將在壓縮5.24mm（通電的夏季）與拉伸2.97mm（不受電的冬季）之間的可能范圍內(nèi)變動。為了使波紋管有足夠的熱伸縮裕度，年變形量以計算值的2倍左右加以考慮，即+5mm至-10mm范圍內(nèi)變化。

日變形量的計算

Y=L1×α1×△T6 -L2×α2×△T5=-4.5mm

由上計算可知：當日溫差為0～20K時，波紋管將在0～4.5mm之間被壓縮。

綜上所述，波紋管年變形量為±10mm，年伸縮次數(shù)為50次（以GIS的使用壽命50年考慮）；日變形量為-15mm，日伸縮次數(shù)為18250次（=365天×50年）；同時，具有160mm的軸線壓縮和5mm的徑向拉伸能力，完全滿足工程的伸縮需求。

三、結(jié)論

近年來，隨著戶外大型變電站的迅猛增長，溫度補償型波紋管在GIS設備中被廣泛使用。本文以熱伸縮拉桿型波紋管為例，對波紋管的熱伸縮量計算進行了簡要介紹。在實際工程中，熱伸縮問題不僅僅只需考慮波紋管，還要從設備的結(jié)構(gòu)、支撐的布置、內(nèi)壓載荷等多方面進行綜合分析，只有這樣，波紋管的選用及布置才能更加合理、經(jīng)濟，設備的運行才能更加安全、可靠。

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【作者單位：河南平高東芝高壓開關有限公司】