套管懸臂負荷試驗裝置設計

趙博，劉志強，張敏，陸瑤，李鑫

（西安高壓電器研究院有限責任公司，陜西 西安 710077）

隨著電力建設的高速發展，各類型的套管被越來越多制造出來并廣泛運行在電網系統中，根據國家標準GB／T 26166—2010《±800 kV直流系統用穿墻套管》、GB／T 22674—2008《直流系統用套管》、GB／T 4109—2008《交流電壓高于1000V的絕緣套管》型式試驗的要求需要對套管進行懸臂負荷試驗，從而達到對整體產品的相應機械負荷的試驗考核。

以往套管采用搭建試驗構架見圖1所示，進行懸臂負荷試驗，這一方法存在以下幾個問題：①構架布置周期長，試驗效率低；②套管與地面的水平夾角為一固定值，無法在0°～30°之間的任意角度進行試驗調節，不能完全模擬實際運行的安裝角度；③套管軸線與施加負荷的夾角無法始終保持90°；④試驗過程中不安全因素較多。

圖1 采用搭建試驗構架進行套管懸臂負荷試驗

為了解決以上問題，本文提出了套管懸臂負荷試驗裝置的設計要求，并對裝置的結構進行了計算機仿真。

1 功能要求及仿真

通過對相關國家標準要求的研讀，提出試驗裝置的功能要求：涵蓋最大尺寸長22米，重8．5噸，額定電壓±800kV的套管；套管可在水平角度0°～30°之間的任意角度進行試驗；加載負荷范圍：0～10kN；負荷施加方向應垂直于套管軸線；施加力值至少能保持60s的恒定。

按照上述要求，利用有限元分析軟件soildwork對試驗裝置的整體布局和各部位應力進行了設計及仿真計算，關鍵部位的仿真過程如下所示。

（1）整體結構。單邊斷裂并卸載加載力后受力狀況見圖2和圖3所示：升降機座受壓2．78×105N，軸承座受拉 2．32×105N。

圖2 應力圖

結論：第一，最大受力點為絲杠升降機底座加強筋部分：約79．4MPa，最大變形位移為2．018mm；第二，其中最底部左側節點最大受力為20MPa壓力，右側節點最大受力為9．68MPa拉力，左側最大受壓約為1．6×105N，右側最大受拉約為 8．0×104N。

（2）旋轉架。推動旋轉時，推力105N旋轉支撐裝置受力狀況見圖4和圖5所示。

圖3 變形位移圖

圖4 應力圖

圖5 變形位移圖

結論：最大應力為46．3MPa，最大變形位移為1．3×10mm。

通過以上有限元分析確定了本裝置使用的材料型號見表1所示及主要技術參數：裝置高6．9m，長28．6m，重 7．4 噸，地面載荷導軌長 9．8m，寬 6．0m，兩側鋼絲繩導向器有效長度分別為5．5m和3．4m，最大加載力值10kN，頂部旋轉速度為3．8°/min，轉動角度范圍為水平夾角60°～90°(對應的套管水平夾角為0°～30°)，可承受的最大扭矩為1．5×105N·m。

表1 材料型號

2 裝置結構

下面結合圖6，對本裝置結構及套管懸臂負荷試驗方法進行簡要說明。

本裝置由四部分組成，第一部分由旋轉支撐裝置(2)和檢修吊裝平臺(3)構成，通過遠程操作可使穿墻套管在水平角度0°～30°（圖6所示）之間的任意角度進行轉動；第二部分為鋼支架結構(4)，由3．2m標準節和2m標準節構成，每層支架采用快裝結構，側面使用爬梯方便檢修，根據不同套管的尺寸可進行快速的拆裝；第三部分為載荷導軌(5)可將裝置安裝在水泥地面上，不需要破壞地面環境；第四部分由導向器(9)包括鋼絲繩卷揚機構成，導向器采用直線導軌和電機-絲杠驅動的形式，鋼絲繩卷揚機通過伺服電機渦輪蝸桿減速機構進行加載，加載速度分為快速（1mm/1s）和慢速（0．1mm/1s）兩個階段，加載負荷范圍：0～10000N。

圖6 裝置30度結構正視示意圖

試驗方法：

①套管水平角度的調節：通過頂部旋轉支撐裝置(2)，可使絕緣子安裝法蘭水平角度由60°～90°之間可調，從而實現套管可在水平角度0°～30°之間的任意角度進行轉動，從而滿足標準對套管角度的要求。

②鋼絲繩導向器調整：根據套管水平角度的不同，調節鋼絲繩導向器(9)上的滑輪移動到合適的位置，從而使得鋼絲繩(8)與套管(1)軸線保持90°夾角，從而滿足標準對負荷應垂直于套管軸線的要求。

③恒定負荷的施加：通過鋼絲繩導向器(9)上的卷揚機可實現最大10000N力值的自動加載，既能滿足標準對套管施加力值和時間的要求，也能滿足套管懸臂負荷破壞試驗的要求。

④測力計安裝位置：測力計(7)安裝于鋼絲繩(8)上，測力計(7)兩端分別通過鋼絲繩(8)與套管(1)端子和鋼絲導向器(9)上的滑輪相連接，通過觀察測力計上的數字從而達到所需施加力值要求，滿足了直接測量施加的機械負荷的目的。

3 試驗驗證

試驗室工作人員使用該裝置完成了對額定電壓±800kV套管兩端同時施加10000N力值，絕緣子安裝法蘭水平角度為60°(對應的套管水平夾角為30°)的懸臂負荷試驗, 試驗過程持續60s，試驗數據見圖7所示，可以看出，該懸臂負荷試驗裝置能實現拉力值的穩定輸出，各項試驗數據符合筆者提出的套管懸臂負荷試驗裝置功能要求。

4 裝置特點

具有以下三個特點。

（1）數據準確性高、利用率高和應用范圍寬：完全符合國家相關標準對套管懸臂試驗的要求，額定電壓等級≤±800kV的各種類型套管均可適用于本裝置。

圖7 試驗數據

（2）操作靈活簡便：使用時只需將套管裝到頂部旋轉裝置的U型定位槽內即可進行試驗，省時省力。

（3）試驗周期短和安全性高：不需要像以前那樣布置試驗構架來完成懸臂負荷試驗，試驗周期大幅縮短并且試驗效率得到了大幅提高，同時杜絕了使用試驗構架存在的不安全隱患。

5 使用效果

本裝置在套管懸臂負荷試驗項目使用后，試驗效率得到了大幅提高，同時保障了安全性，滿足國家標準要求的同時達到了直接測量施加機械負荷的目的。

6 結語

本文研制了一種經濟耐用的套管懸臂負荷試驗裝置，解決了以往±800kV及其以下套管懸臂負荷試驗中使用試驗構架存在的試驗布置周期長、試驗不能完全滿足標準要求和不安全隱患的弊端，為高壓電器試驗室提供了一種全新的可供參考的套管懸臂負荷試驗裝置。

參考文獻：

[1] GB／T 26166—2010． ±800 kV直流系統用穿墻套管[S]．

[2] GB ／ T 22674—2008． 直流系統用套管 [S]．

[3] GB／T 4109—2008． 交流電壓高于1000V的絕緣套管[S]．