直流穿墻套管用穿墻筒體機械結構設計

柴影輝 張楠楠 張銀穗

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

特高壓直流輸電具有輸電容量大、輸送效率高等特點，是未來建設堅強智能電網骨干網架的重要組成部分，是新能源等電力大規模遠距離輸送的最佳技術解決方案，是推動低碳型戰略性新興產業發展的重要力量。直流穿墻套管作為直流輸電系統中的重要設備，承擔著閥廳內部和外部高電壓大容量電氣設備的電氣連接作用，承載了系統的全電壓和全電流，是直流輸電系統的關鍵設備。直流穿墻套管通過穿墻筒體上的固定板與墻體進行連接，采用螺栓連接方式，穿墻筒體為主要承重零部件，采用高強度鋼焊接成型。該產品為整體水平安裝，長度長、直徑粗、質量大，中間固定，戶內側、戶外側套管懸臂梁結構，彎曲力矩大，易產生應力集中和變形，直流穿墻套管結構見圖1。

圖1 直流穿墻套管結構示意圖

穿墻筒體作為套管的關鍵零部件之一，屬于壓力容器元件，在建造、安裝和運行過程中，筒體設計對于穿墻套管的安全運行至關重要，壓力容器設計是具有一定專業性的設計工作，需要設計人員從壓力容器的選材、受力分析、強化措施、制造安裝、檢驗、使用、維護等方面考慮。

1 穿墻筒體材料選取

壓力容器殼體材料，直接影響壓力容器的強度、安全性及可靠性，因此，設計選材時，應注意以下幾點：

1.1 一般情況下，壓力容器的受壓元件不建議采用碳素鋼材料Q235B 與Q235C。Q235B 鋼板最低使用溫度為20℃，Q235C 鋼板最低使用溫度為0℃，而電容壓力容器殼體的使用環境溫度一般都低于0℃。在溫度較低的情況下，材料的力學性能會大大降低，從而降低電器產品的安全性。若基于某些因素（如經濟性）使用Q235 系列材料，則應對容器殼體采取加熱等措施，以滿足材料使用規定。

1.2 當殼體的工作溫度低于-20℃時，原則上需要采用低溫用鋼，如16MnDR 等，也可以采用Q345R。此時，按標準要求，需要對材料附加沖擊功試驗要求。

1.3 殼體設計溫度不能超過材料允許使用范圍。比如，若采用鋁材5083 作為壓力容器殼體，則設計溫度不應大于65℃。

目前，壓力容器的材料選擇主要有鋼材和鋁合金材料兩大類，綜合對比分析，在滿足使用條件和安全裕度的前提下，同時兼顧到成本，最終選取筒體材質為鋼板Q345R。

2 筒體設計方法

電力系統用壓力容器不同于化工行業的壓力容器，前者一方面要考慮容器的強度，還要求滿足容器的內絕緣和耐燒穿能力，因此，應從以下兩個方面設計穿墻筒體。

2.1 基于壓力容器標準的設計

一般情況下，設備的使用電壓等級確定后，筒體的內徑經過絕緣計算分析就已經確定了，根據設計壓力，設計溫度等條件，就可按式（1）確定筒體的計算厚度：

δ——殼體的計算厚度，mm；

δe——殼體的有效厚度，mm；

Di——殼體內徑，mm；

Pc——計算壓力，MPa；

[σ]t——設計溫度下材料的許用應力，MPa；

φ——焊接接頭系數，按GB150 選取。

式（1）得出的結果是筒體的計算厚度，而實際圖紙上標注的厚度為名義厚度，即計算厚度與材料負偏差之和，再向上圓整到標準中規定的材料厚度。

2.2 基于內部故障電弧的筒體設計

在設計穿墻套管的筒體時，除上述設計方法外，還應考慮筒體耐受故障電弧時間大于保護系統動作時間。GB7674-2008中規定：額定短路電流小于40kA 時，故障電流在0.2s 內殼體不允許燒穿，故障電流在0.5s 內切除，筒體沒有產生碎片；額定短路電流為40kA 及以上時，故障電流在0.1s 內殼體不允許燒穿，故障電流在0.3s 內切除，殼體沒有產生碎片。

可參考殼體厚度計算公式：

t——燒穿時間，ms

C——材料系數

S——筒體厚度，mm

I——故障電弧電流，kA

2.3 小結

比較式（1）和式（2）的結果，取二者較大值，并留適當裕度同時考慮經濟性。從上述設計方法可知，筒體厚度主要與設計壓力、筒體內徑、材料及采取何種焊接與檢測方式等因素有關，材料確定后，設計壓力越高，內徑越大，筒體壁厚就越大，產品耐受內部故障電流大小及時間越大，筒體壁厚就越大。

3 仿真校核

穿墻筒體材料選取鋼板Q345R，根據穿墻筒體設計方法的研究，確定穿墻筒體厚度為15mm，建立穿墻套管三維計算模型，模擬穿墻套管工程應用時的安裝狀態，采用ANSYS 有限元分析軟件進行力學校核，計算結果見圖2，通過計算結果可以看出，穿墻筒體上最大應力為45MPa，小于鋼板Q345R 的許用應力，仿真計算結果滿足要求。

圖2 穿墻筒體力學計算結果

4 結論

4.1 穿墻筒體材料選取方面，對比了多種鋼材和鋁合金材料的力學性能，綜合考核材料特性和經濟性，筒體材質為鋼板Q345R。

4.2 穿墻筒體設計主要從壓力容器標準的設計和內部故障電弧燒蝕特性兩個方面考慮，筒體厚度主要與設計壓力、筒體內徑、材料及采取何種焊接與檢測方式等因素有關，材料確定后，設計壓力越高，內徑越大，筒體壁厚就越大；產品耐受內部故障電流大小及時間越大，筒體壁厚就越大。

4.3 通過三維建模進行力學仿真分析，模擬穿墻套管工程應用時的安裝狀態，通過計算結果可以看出，穿墻筒體上最大應力為45MPa，小于鋼板Q345R 的許用應力，仿真計算結果滿足要求。