戶外GIS套管導(dǎo)線拉力計算

李寶寶

（廈門ABB高壓開關(guān)有限公司，福建 廈門 361006）

戶外GIS套管導(dǎo)線拉力計算

李寶寶

（廈門ABB高壓開關(guān)有限公司，福建 廈門 361006）

戶外GIS套管在風(fēng)速增大的氣候條件下，是否還能正常地運行，越來越成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。本文以套管導(dǎo)線允許的拉力為判斷依據(jù)，并以印度實際運行的項目為例，通過分析影響套管導(dǎo)線拉力的幾大因素，依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進行計算，為戶外GIS套管的實際應(yīng)用提供了充分的理論依據(jù)和可借鑒的實際案例。

GIS套管；導(dǎo)線拉力；風(fēng)速；計算；安全可靠

輸由于厄爾尼諾現(xiàn)象，全球氣候變暖，風(fēng)速增大的極端天氣時有發(fā)生。自2000年以來，僅我國就有13個強（超強）臺風(fēng)登陸。風(fēng)速增大將導(dǎo)致機械負荷的變化，從而對套管導(dǎo)線拉力產(chǎn)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(fēng)速？越來越成為客戶關(guān)注的焦點。

ABB在銷往世界各地的GIS產(chǎn)品中，也常遇到客戶的咨詢和質(zhì)疑。本文以印度實際運行的典型項目為例（風(fēng)速高達47m/s），對實際運行的數(shù)據(jù)進行不斷的分析研究，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗，綜合判斷影響導(dǎo)線拉力的幾大因素：風(fēng)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(yīng)用中的安全可靠性做出準(zhǔn)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(guān)設(shè)備（簡稱GIS）不可缺少的部件，承擔(dān)著高壓絕緣電負荷及機械負荷（內(nèi)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(dǎo)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(shù)

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

1.3套管的結(jié)構(gòu)

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

圖2　套管的結(jié)構(gòu)

2　典型案例現(xiàn)場工況和分析判斷

1）風(fēng)負荷。印度客戶提供的氣候條件，戶外風(fēng)速高達47m/s，風(fēng)壓為1520N/m2。顯而易見，風(fēng)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(dǎo)線拉力。

2）氣體壓力負荷。根據(jù)新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4109—2008的8.9規(guī)定，套管懸臂負荷試驗，是在套管內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)發(fā)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(dǎo)線拉力相對也小，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)不符，故需重新校驗。

3）自重負荷。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4109—2008和IEC 60137表1的規(guī)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(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，產(chǎn)生的套管自重也將影響套管頂部的導(dǎo)線拉力。

4）懸臂試驗負荷。指套管導(dǎo)線拉力的試驗值，標(biāo)準(zhǔn)值為2500N。本案例所使用的套管，已通過相關(guān)資質(zhì)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(dǎo)線拉力最大可達6000N，大大超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，且有很大的裕度。

通過上述對工程現(xiàn)狀的分析，得出上述四大因素：風(fēng)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(dǎo)線拉力產(chǎn)生影響。這些因素綜合影響的結(jié)果，將導(dǎo)致GIS套管實際可承受的導(dǎo)線拉力值發(fā)生變化，該值是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，是決定套管能否安全可靠運行的主要依據(jù)。下面將根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定對本工程案例進行計算。

3　計算

3.1風(fēng)負荷

1）套管尺寸（見表1）

表1　套管的基本尺寸

2）風(fēng)負荷

根據(jù)IEC TS 61463風(fēng)負荷的理論計算，即

式中，F(xiàn)w為47m/s時的風(fēng)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(fēng)壓，N/m2。

將參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 4109的8.9規(guī)定：試驗時，套管內(nèi)部應(yīng)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(dǎo)線拉力將會產(chǎn)生不同的影響，此時應(yīng)該進行校核計算。

2）根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23752和國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62155的附錄D，設(shè)計壓力等值彎矩的計算為

式中，p為設(shè)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(nèi)經(jīng)，m；Mb為彎矩值，Nm。

（1）當(dāng)充氣壓力為500000Pa時，代入式（3）計算如下：

（2）當(dāng)設(shè)計壓力為800000Pa時，代入式（3）計算如下：

Mb2計算值是在設(shè)計壓力下計算的，設(shè)計壓力大于實際設(shè)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(dǎo)線拉力。

3）氣體壓力產(chǎn)生的導(dǎo)線拉力為

式中，F(xiàn)g為氣體壓力對套管頂部導(dǎo)線所產(chǎn)生的拉力，N；dh為套管長度，m。

3.3套管自重產(chǎn)生的導(dǎo)線拉力

根據(jù)IEC 61463的附錄D的D.3.1規(guī)定：

式中，F(xiàn)m為自重產(chǎn)生的懸臂試驗負荷，N；M為套管的重量，N。

將數(shù)值代入式中，求得套管自重產(chǎn)生的導(dǎo)線拉力值：

3.4套管頂部導(dǎo)線拉力

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

式中，F(xiàn)為導(dǎo)線允許拉力，N；Ft為型式試驗報告中已證實的導(dǎo)線拉力，N；Fw為風(fēng)速產(chǎn)生的導(dǎo)線拉力N；Fg為氣體產(chǎn)生的導(dǎo)線拉力，N；Fm為自重產(chǎn)生的導(dǎo)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(dǎo)線允許拉力F為1532.25N，工程規(guī)整值為1500N。該值大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頂部導(dǎo)線拉力1250N，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。因此，本案例中的GIS套管，在風(fēng)速高達47m/s的氣候條件下，仍然可以安全可靠地運行。

4　結(jié)論

戶外GIS套管隨著風(fēng)速增大和風(fēng)負荷的加大，將直接影響導(dǎo)線拉力。影響的結(jié)果GIS套管是否還能正常的使用，是需要根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)進行嚴(yán)密的計算和校驗，同時也要基于原設(shè)計的數(shù)據(jù)進行綜合分析和謹(jǐn)慎驗證。套管頂部導(dǎo)線拉力的計算結(jié)果是否大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jù)。

［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(guān)設(shè)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(shè)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(fēng)速壓力，2009.

［8］ SF6高壓電器設(shè)計， 2009（7）.

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