戶外GIS套管導線拉力計算

李寶寶

（廈門ABB高壓開關有限公司，福建 廈門 361006）

戶外GIS套管導線拉力計算

李寶寶

（廈門ABB高壓開關有限公司，福建 廈門 361006）

戶外GIS套管在風速增大的氣候條件下，是否還能正常地運行，越來越成為業內關注的焦點。本文以套管導線允許的拉力為判斷依據，并以印度實際運行的項目為例，通過分析影響套管導線拉力的幾大因素，依據相關的標準和規定進行計算，為戶外GIS套管的實際應用提供了充分的理論依據和可借鑒的實際案例。

GIS套管；導線拉力；風速；計算；安全可靠

輸由于厄爾尼諾現象，全球氣候變暖，風速增大的極端天氣時有發生。自2000年以來，僅我國就有13個強（超強）臺風登陸。風速增大將導致機械負荷的變化，從而對套管導線拉力產生直接的影響。在這樣惡劣的氣候條件下，原有正在運行的戶外GIS套管能否正常的運行？能承受多大的風速？越來越成為客戶關注的焦點。

ABB在銷往世界各地的GIS產品中，也常遇到客戶的咨詢和質疑。本文以印度實際運行的典型項目為例（風速高達47m/s），對實際運行的數據進行不斷的分析研究，結合以往的工程經驗，綜合判斷影響導線拉力的幾大因素：風速，氣體壓力，自重和懸臂試驗負荷，并逐個進行分析和計算，從而對套管在實際應用中的安全可靠性做出準確的判斷。

1　套管簡介

1.1套管的作用

套管是氣體絕緣金屬封閉開關設備（簡稱GIS）不可缺少的部件，承擔著高壓絕緣電負荷及機械負荷（內壓、彎矩、扭矩、拉伸或壓縮等）的雙重作用。在實際工程中，將套管安裝在與管道相連的分叉模塊上，每間隔三相共需三根，通過導線將套管接到高壓架空線上，如圖1所示。

圖1　套管的實際工程運用

1.2套管的參數

正常使用條件和參數：戶外使用；額定電壓252kV；額定電流2500A；戶外風速34m/s；額定壓力650kPa；安裝傾斜角度與垂線夾角不超過30°；導線試驗拉力2500N；導線運行拉力1250N。

1.3套管的結構

GIS套管通常有兩種類型：瓷套和復合絕緣套管（本文案例使用SF6復合絕緣套管）。主要組成部分：導線接頭，端蓋，上法蘭，纖維加固環氧樹脂管，硅橡膠傘套，導體，屏蔽罩，下法蘭（圖2中所指部分為內部SF6絕緣介質）。

圖2　套管的結構

2　典型案例現場工況和分析判斷

1）風負荷。印度客戶提供的氣候條件，戶外風速高達47m/s，風壓為1520N/m2。顯而易見，風速超出正常的使用范圍，套管承受的壓力將隨之加大，會直接影響套管頂部的導線拉力。

2）氣體壓力負荷。根據新版國家標準GB/T 4109—2008的8.9規定，套管懸臂負荷試驗，是在套管內部施加比最高運行壓力高出（0.1±0.01）MPa的壓力。但本案例的套管是在新版標準發布之前進行的試驗，試驗壓力值僅為500kPa。由于氣體壓力低，套管頂部所需的導線拉力相對也小，與現有標準規定的數據不符，故需重新校驗。

3）自重負荷。根據國家標準GB/T 4109—2008和IEC 60137表1的規定，套管垂直安裝或安裝成與垂線夾角不超過30°的任何傾斜角度，都不會產生額外的自重負荷。但本工程案例中，僅有中間的那根套管是垂直安裝，而其余兩根套管安裝傾斜度為55°（見圖1）。安裝傾斜度超出標準規定值，產生的套管自重也將影響套管頂部的導線拉力。

4）懸臂試驗負荷。指套管導線拉力的試驗值，標準值為2500N。本案例所使用的套管，已通過相關資質的國家試驗室試驗，試驗值為6000N，即在正常使用條件下，套管頂部的導線拉力最大可達6000N，大大超過標準規定值，且有很大的裕度。

通過上述對工程現狀的分析，得出上述四大因素：風負荷，氣體壓力負荷，自重負荷和懸臂負荷，都會對套管頂部導線拉力產生影響。這些因素綜合影響的結果，將導致GIS套管實際可承受的導線拉力值發生變化，該值是否滿足相關標準規定值，是決定套管能否安全可靠運行的主要依據。下面將根據相關標準和規定對本工程案例進行計算。

3　計算

3.1風負荷

1）套管尺寸（見表1）

表1　套管的基本尺寸

2）風負荷

根據IEC TS 61463風負荷的理論計算，即

式中，Fw為47m/s時的風負荷，N；De為套管最大傘形外徑，m；Do為套管主體，m；dh為套管長度，m；Pw為47m/s時的風壓，N/m2。

將參數代入式（1）計算如下：

3.2氣體壓力負荷

1）套管的型式試驗報告，記錄充氣壓力為0.5MPa進行懸臂負荷試驗。國家標準GB/T 4109的8.9規定：試驗時，套管內部應施加比最高運行壓力高出（0.1±0.01）MPa的壓力，充氣壓力不同對套管頂部的導線拉力將會產生不同的影響，此時應該進行校核計算。

2）根據國家標準GB/T 23752和國際標準IEC 62155的附錄D，設計壓力等值彎矩的計算為

式中，p為設計壓力，N/m2；Ds為密封直徑，m；D0為絕緣子外徑，m；Di為絕緣子內經，m；Mb為彎矩值，Nm。

（1）當充氣壓力為500000Pa時，代入式（3）計算如下：

（2）當設計壓力為800000Pa時，代入式（3）計算如下：

Mb2計算值是在設計壓力下計算的，設計壓力大于實際設備運行的最高壓力。Mb2與Mb1的差值為1671.84Nm，此彎矩值會影響套管頂部導線拉力。

3）氣體壓力產生的導線拉力為

式中，Fg為氣體壓力對套管頂部導線所產生的拉力，N；dh為套管長度，m。

3.3套管自重產生的導線拉力

根據IEC 61463的附錄D的D.3.1規定：

式中，Fm為自重產生的懸臂試驗負荷，N；M為套管的重量，N。

將數值代入式中，求得套管自重產生的導線拉力值：

3.4套管頂部導線拉力

本工程使用的套管，其頂部導線拉力已通過試驗驗證，正常使用條件下導線具有Ft為6000N的拉力。但實際運行的套管，其導線拉力受到風速、氣體壓力和自重的影響，尤其當風速高達47m/s時，套管頂部導線允許的拉力會隨著三大因素的影響而變小。根據國家標準GB/T 4109表1和IEC 61463的規定，計算如下：

式中，F為導線允許拉力，N；Ft為型式試驗報告中已證實的導線拉力，N；Fw為風速產生的導線拉力N；Fg為氣體產生的導線拉力，N；Fm為自重產生的導線拉力，N。

將上述式（2）、式（6）、式（8）代入式（9），計算值如下：

該套管頂部導線允許拉力F為1532.25N，工程規整值為1500N。該值大于標準規定的頂部導線拉力1250N，符合相關標準規定。因此，本案例中的GIS套管，在風速高達47m/s的氣候條件下，仍然可以安全可靠地運行。

4　結論

戶外GIS套管隨著風速增大和風負荷的加大，將直接影響導線拉力。影響的結果GIS套管是否還能正常的使用，是需要根據相關的標準和依據進行嚴密的計算和校驗，同時也要基于原設計的數據進行綜合分析和謹慎驗證。套管頂部導線拉力的計算結果是否大于標準規定值，可作為判斷套管能否正常使用和安全可靠地運行的依據。

［1］ IEC TS 61463. 套管——抗震要求， 1996.

［2］ IEC 60137. 交流電壓高于1000V的絕緣套管， 2008.［3］ GB 7674. 額定電壓為52kV以上氣體絕緣金屬封閉開關設備， 2008.

［4］ GB/T 4109. 交流電壓高于1000V的絕緣套管，2008.

［5］ GB/T 23752. 額定電壓高于1000V的電器設備用承壓和非承壓空心瓷和玻璃絕緣子， 2009.

［6］ 本工程套管懸臂負荷型式試驗報告， 2008.

［7］ 本工程客戶提供的印度Isolux提供的風速壓力，2009.

［8］ SF6高壓電器設計， 2009（7）.

李寶寶（1963-），女，大學本科，福建福鼎人，廈門ABB高壓開關有限公司工程師，主要從事產品技術支持。