試論撓度在GIS和GIL工程設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)生的溫升、陽(yáng)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(huì)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(jì)性較差。為滿足GIS和GIL的安全運(yùn)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(lái)吸收熱伸縮。通過(guò)仿真計(jì)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(jì)。合理利用撓度吸收熱伸縮，既能滿足工程設(shè)計(jì)要求，又具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：GIS GIL 熱伸縮 撓度 仿真計(jì)算

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

在氣體絕緣金屬封閉開(kāi)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(zhǎng)度、布置結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。母線較長(zhǎng)時(shí)，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(zhǎng)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(jì)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?yè)隙任諢嵘炜s。

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(lái)吸收熱伸縮是最經(jīng)濟(jì)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(shí)，把母線簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生的溫升、陽(yáng)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(jì)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L(zhǎng)1段母線熱伸縮時(shí)對(duì)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(zhǎng)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(shí)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(jì)算

采用workbench有限元分析軟件，建立二維梁?jiǎn)卧Ｐ停▓D1）對(duì)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(dòng)。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(zhǎng)度時(shí)，彎曲母線的撓度見(jiàn)表1，最大應(yīng)力值見(jiàn)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(jì)算可見(jiàn)，合理的利用撓度來(lái)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(jì)要求。

3 利用撓度吸收熱伸縮的注意事項(xiàng)

3.1 固定支撐與滑動(dòng)支撐的設(shè)置

合理布置固定支撐與滑動(dòng)支撐。其中滑動(dòng)支撐的設(shè)置尤為重要，根據(jù)撓度，合理確定滑動(dòng)支撐的軸向和徑向位移量，既要避免因位移量過(guò)小發(fā)生母線與支撐頂死，也要避免位移量過(guò)大造成成本過(guò)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(shí)電聯(lián)接與導(dǎo)體可靠接觸尺寸過(guò)小而拉脫，或者過(guò)大而頂死，也要避免在發(fā)生徑向位移時(shí)電聯(lián)接與導(dǎo)體卡死。

4 結(jié)語(yǔ)

因此，在GIS和GIL工程設(shè)計(jì)中合理的利用撓度來(lái)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(jiǎn)化了母線的設(shè)計(jì)、統(tǒng)一了母線的結(jié)構(gòu)，既提高了經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)又能做到模塊化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)于長(zhǎng)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(jì)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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

[3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）[M].北京：機(jī)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(shí)產(chǎn)生的溫升、陽(yáng)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(huì)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(jì)性較差。為滿足GIS和GIL的安全運(yùn)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(lái)吸收熱伸縮。通過(guò)仿真計(jì)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(jì)。合理利用撓度吸收熱伸縮，既能滿足工程設(shè)計(jì)要求，又具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：GIS GIL 熱伸縮 撓度 仿真計(jì)算

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

在氣體絕緣金屬封閉開(kāi)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(zhǎng)度、布置結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。母線較長(zhǎng)時(shí)，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(zhǎng)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(jì)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?yè)隙任諢嵘炜s。

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(lái)吸收熱伸縮是最經(jīng)濟(jì)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(shí)，把母線簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生的溫升、陽(yáng)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(jì)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L(zhǎng)1段母線熱伸縮時(shí)對(duì)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(zhǎng)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(shí)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(jì)算

采用workbench有限元分析軟件，建立二維梁?jiǎn)卧Ｐ停▓D1）對(duì)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(dòng)。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(zhǎng)度時(shí)，彎曲母線的撓度見(jiàn)表1，最大應(yīng)力值見(jiàn)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(jì)算可見(jiàn)，合理的利用撓度來(lái)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(jì)要求。

3 利用撓度吸收熱伸縮的注意事項(xiàng)

3.1 固定支撐與滑動(dòng)支撐的設(shè)置

合理布置固定支撐與滑動(dòng)支撐。其中滑動(dòng)支撐的設(shè)置尤為重要，根據(jù)撓度，合理確定滑動(dòng)支撐的軸向和徑向位移量，既要避免因位移量過(guò)小發(fā)生母線與支撐頂死，也要避免位移量過(guò)大造成成本過(guò)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(shí)電聯(lián)接與導(dǎo)體可靠接觸尺寸過(guò)小而拉脫，或者過(guò)大而頂死，也要避免在發(fā)生徑向位移時(shí)電聯(lián)接與導(dǎo)體卡死。

4 結(jié)語(yǔ)

因此，在GIS和GIL工程設(shè)計(jì)中合理的利用撓度來(lái)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(jiǎn)化了母線的設(shè)計(jì)、統(tǒng)一了母線的結(jié)構(gòu)，既提高了經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)又能做到模塊化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)于長(zhǎng)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(jì)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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

[3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）[M].北京：機(jī)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(shí)產(chǎn)生的溫升、陽(yáng)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(huì)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(jì)性較差。為滿足GIS和GIL的安全運(yùn)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(lái)吸收熱伸縮。通過(guò)仿真計(jì)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(jì)。合理利用撓度吸收熱伸縮，既能滿足工程設(shè)計(jì)要求，又具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：GIS GIL 熱伸縮 撓度 仿真計(jì)算

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

在氣體絕緣金屬封閉開(kāi)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(zhǎng)度、布置結(jié)構(gòu)上存在很大的差異。母線較長(zhǎng)時(shí)，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(zhǎng)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(jì)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?yè)隙任諢嵘炜s。

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(lái)吸收熱伸縮是最經(jīng)濟(jì)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(shí)，把母線簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)生的溫升、陽(yáng)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(jì)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L(zhǎng)1段母線熱伸縮時(shí)對(duì)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(zhǎng)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(shí)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(jì)算

采用workbench有限元分析軟件，建立二維梁?jiǎn)卧Ｐ停▓D1）對(duì)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(dòng)。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(zhǎng)度時(shí)，彎曲母線的撓度見(jiàn)表1，最大應(yīng)力值見(jiàn)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(jì)算可見(jiàn)，合理的利用撓度來(lái)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(jì)要求。

3 利用撓度吸收熱伸縮的注意事項(xiàng)

3.1 固定支撐與滑動(dòng)支撐的設(shè)置

合理布置固定支撐與滑動(dòng)支撐。其中滑動(dòng)支撐的設(shè)置尤為重要，根據(jù)撓度，合理確定滑動(dòng)支撐的軸向和徑向位移量，既要避免因位移量過(guò)小發(fā)生母線與支撐頂死，也要避免位移量過(guò)大造成成本過(guò)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(shí)電聯(lián)接與導(dǎo)體可靠接觸尺寸過(guò)小而拉脫，或者過(guò)大而頂死，也要避免在發(fā)生徑向位移時(shí)電聯(lián)接與導(dǎo)體卡死。

4 結(jié)語(yǔ)

因此，在GIS和GIL工程設(shè)計(jì)中合理的利用撓度來(lái)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(jiǎn)化了母線的設(shè)計(jì)、統(tǒng)一了母線的結(jié)構(gòu)，既提高了經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)又能做到模塊化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率。對(duì)于長(zhǎng)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(jì)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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

[3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.endprint