有壓力平衡裝置波紋管溫度補償器在組合電器中的應用計算

王軍飛 朱傳運 閆亞剛 胡勁濤

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

有壓力平衡裝置波紋管溫度補償器在組合電器中的應用計算

王軍飛 朱傳運 閆亞剛 胡勁濤

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

本文介紹了有壓力平衡裝置波紋管溫度補償器的結(jié)構(gòu)原理、設(shè)置原則，并結(jié)合工程設(shè)計不同的情況分別對補償器調(diào)節(jié)的母線的長度范圍進行了詳細的應用計算。

補償器；組合電器；固定支撐；計算

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（以下簡稱為GIS）中應用的波紋管補償器主要有3種，即波紋管安裝補償器、有壓力平衡裝置的波紋管溫度補償器和壓力平衡型波紋管溫度補償器。這里介紹有壓力平衡裝置的波紋管溫度補償器（以下簡稱為補償器）的相關(guān)應用及計算。

1 結(jié)構(gòu)介紹

補償器的主要元件有波紋管、碟簧組件和附件。具體結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1 補償器結(jié)構(gòu)

圖2 補償器應用

圖3所示為補償器的波紋管。

圖3 波紋管

碟簧組件的主要作用是用來平衡GIS氣室內(nèi)部氣體的內(nèi)壓盲板推力，其內(nèi)部有被壓縮的碟簧墊圈作為平衡元件，由碟簧墊圈所產(chǎn)生的壓縮力稱之為預緊力，此預緊力等于GIS筒體內(nèi)部氣體在溫度為20℃時，額定壓力下氣體對筒體的兩端的內(nèi)壓盲板推力。內(nèi)部的碟簧墊圈每2個并聯(lián)為1組，又由n組碟簧墊圈串聯(lián)組成。

具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 碟簧組件

補償器碟簧組件預緊力的計算如下：

式中，p20為環(huán)境溫度為20℃時筒體內(nèi)氣體的相對壓力；A為母線筒體內(nèi)腔最大截面積。

2 補償器的設(shè)置原則

對于有壓力平衡裝置的波紋管溫度補償節(jié)，為了保證設(shè)備筒體的熱脹冷縮的尺寸變化由補償器來補償，而不是作用在GIS設(shè)備上，其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的筒體兩端應設(shè)置固定支撐，并且主固定支撐的剛度值應大于補償節(jié)的整體剛度。

這里應注意的是，必須在整條母線兩端可靠固定的情況下才允許充額定壓力氣體，否則當時的環(huán)境溫度大于20℃時，母線內(nèi)氣體的盲板推力將大于補償器的預緊力，此時補償器被拉伸伸長，從而導致母線偏離理論安裝位置。

3 補償器的工程應用計算

補償器工程應用中的理想模型如圖5所示。

圖5 補償器的理想應用模型

首先假定計算條件：

1）固定支撐剛度（考慮地基的強度足夠）大于補償器總體剛度，筒體熱脹冷縮引起的尺寸變形全部由波紋管吸收。

2）GIS筒體的原始加工長度為環(huán)境溫度為20℃時的長度。

定義設(shè)計參數(shù)如下：

GIS設(shè)備所在地的最高環(huán)境溫度為Tmax，取40℃；GIS設(shè)備所在地的最低環(huán)境溫度為Tmin；補償器碟簧組件預緊力平衡時的溫度為20℃；設(shè)備正常運行時，殼體溫升取30K（運行人員易觸及部位）；日照溫升取15K；鋁合金筒體線膨脹系數(shù)為1α，mm/℃·m?1，取值 0.022～0.024；混凝土線膨脹系數(shù)為2α，mm/℃·m?1，取值0.01～0.014；補償器的最大壓縮補償量：ΔL壓；補償器的最大伸長補償量ΔL伸；補償器可調(diào)節(jié)的筒體長度范圍L。

則

在最高環(huán)境溫度下，補償器的壓縮量計算為

則

在最低環(huán)境溫度下，補償器的伸長量計算為

則

補償器可調(diào)節(jié)的筒體長度取兩者L中的較小值。

以實際戶外工程為例，GIS設(shè)備所在地常年環(huán)境溫度為?25℃～40℃，補償器的補償量為±10mm，則在+40℃時補償器所能調(diào)節(jié)的母線段長度為

式中，L=7.4m。在?25℃時補償器所能調(diào)節(jié)的母線段長度為

式中，L=15.9m，即補償器可調(diào)節(jié)的筒體長度為7.4m。

補償器設(shè)置示意圖如圖6所示。

圖6 補償器設(shè)置示意圖

上述計算是整套設(shè)備布置在一整塊地基上的情況，在這種情況下地基和筒體熱脹冷縮方向?qū)Σy管的作用是相反的，也就是說，地基和筒體的熱脹冷縮對補償器作用發(fā)生了一定的抵消。有時因母線筒體的長度較長，整塊地基的長度會較大，這時地基設(shè)計往往設(shè)置伸縮縫來避免因熱脹冷縮對地基造成的破壞。為了配合這一設(shè)計，GIS會在地基伸縮縫處設(shè)置膨脹節(jié)來補償?shù)鼗臒崦浝淇s和不同地基相對沉降等尺寸變化。在這種情況下，筒體和地基的熱脹冷縮方向?qū)Σy管的作用是相同的，這時補償器所接受的壓縮量或伸長量因地基和筒體的同向熱脹冷縮而增大，因此，在這種情況下補償器的設(shè)置原則應重新考慮。下面就這種情況進行具體分析和計算。補償器的實際應用模型如圖7所示。

圖7 補償器的實際應用模型

在高溫環(huán)境下，筒體伸長壓縮波紋管，地基 1和地基2同樣伸長壓縮波紋管（如圖6所示），兩者同時壓縮波紋管；在低溫環(huán)境下，筒體收縮拉伸波紋管，地基1和地基2同樣收縮拉伸波紋管，兩者同時拉伸波紋管。

在最高環(huán)境溫度下：

則

在最低環(huán)境溫度下：

則

同樣，對補償器可調(diào)節(jié)的筒體長度取兩者L中的較小值。

仍以上述實際戶外工程為例，地基 1和地基 2總長度分別為19m，則在+40℃時補償器所能調(diào)節(jié)的母線段長度為

式中，L=4.6m。在?25℃時補償器所能調(diào)節(jié)的母線段長度為

式中，L=2.3m，即補償器可調(diào)節(jié)的筒體長度為2.3m，補償器設(shè)置示意圖如圖8所示。

圖8 補償器設(shè)置示意圖

以上所有計算均假定當GIS現(xiàn)場安裝時，周圍的環(huán)境溫度為20℃，但在實際產(chǎn)品安裝時很難實現(xiàn)在環(huán)境溫度20℃條件下進行安裝，在這種情況下，GIS筒體在安裝時其自然狀態(tài)就已經(jīng)伸長或收縮，故此時補償器的安裝長度不再是原始理論長度，而應該根據(jù)筒體的實際伸長或收縮量對補償器進行人工補償調(diào)節(jié)，以保證補償器在環(huán)境溫度20℃下的理論狀態(tài)。下面對補償器的安裝長度進行計算。

設(shè)GIS安裝時的環(huán)境溫度為T；補償器的理論長度為ΔL′。

補償器的人工補償量（注：有日照時考慮日照溫升，此處計算忽略日照的影響）為

則補償器的安裝長度為

4 固定支撐的受力計算

母線固定支撐是起支撐母線、設(shè)置固定點、將母線分段和限制約束母線的位移方向的作用。固定支撐分為主固定支撐和次固定支撐。主固定支撐主要承受母線內(nèi)壓產(chǎn)生的盲板推力、膨脹節(jié)位移時的剛度反力等，其支撐設(shè)置在母線端部；次固定支撐主要承受母線最大截面積與膨脹節(jié)有效面積的壓力差等，其承受的力較之主固定支撐所受的力要小的很多，故固定支撐受力按照主固定支撐進行計算。

下面對主固定支撐的受力情況進行計算。支撐計算模型如圖9所示。

圖9 支撐計算模型

定義設(shè)計參數(shù)如下：

補償器波紋管的剛度為K1；碟簧組件的剛度為K2；支撐所受的力為F支撐；波紋管對支撐的力為F波；氣體對支撐的力為F氣體。

計算在最高環(huán)境溫度下：

則

在最低環(huán)境溫度下：

則

固定支撐所受的最大力取其兩者中的較大值。

5 結(jié)論

在工程設(shè)計時，有壓力平衡裝置的波紋管溫度補償器應根據(jù)工程當?shù)氐沫h(huán)境溫度和工程具體設(shè)計進行如上計算，并進行科學合理地設(shè)置，保證正常發(fā)揮補償器的作用，從而保證高壓開關(guān)設(shè)備的正常運行。

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The Application Calculation of Composite Apparatus based on Bellows Temperature Compensator with Pressure Balancing Device

Wang Junfei Zhu Chuanyun Yan Yagang Hu Jintao
(Pinggao Group Co.,Ltd,Pingdingshan,He’nan 467001)

This paper introduces the structure mechanism and setting principles of bellows temperature compensator with pressure balancing device,and according to different cases of engineering designs,it also conducts detailed application calculation for the adapting bus length of compensator.

compensator;composite apparatus;fixed support;calculation

王軍飛（1979-），男，河南省平頂山市人，本科，工程師，從事高壓電器的工程設(shè)計工作。