有壓力平衡裝置波紋管溫度補(bǔ)償器在組合電器中的應(yīng)用計算

王軍飛 朱傳運(yùn) 閆亞剛 胡勁濤

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

有壓力平衡裝置波紋管溫度補(bǔ)償器在組合電器中的應(yīng)用計算

王軍飛 朱傳運(yùn) 閆亞剛 胡勁濤

（平高集團(tuán)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(bǔ)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(bǔ)償器調(diào)節(jié)的母線的長度范圍進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)用計算。

補(bǔ)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(yīng)用的波紋管補(bǔ)償器主要有3種，即波紋管安裝補(bǔ)償器、有壓力平衡裝置的波紋管溫度補(bǔ)償器和壓力平衡型波紋管溫度補(bǔ)償器。這里介紹有壓力平衡裝置的波紋管溫度補(bǔ)償器（以下簡稱為補(bǔ)償器）的相關(guān)應(yīng)用及計算。

1 結(jié)構(gòu)介紹

補(bǔ)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(bǔ)償器結(jié)構(gòu)

圖2 補(bǔ)償器應(yīng)用

圖3所示為補(bǔ)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(yù)緊力，此預(yù)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(bǔ)償器碟簧組件預(yù)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(bǔ)償器的設(shè)置原則

對于有壓力平衡裝置的波紋管溫度補(bǔ)償節(jié)，為了保證設(shè)備筒體的熱脹冷縮的尺寸變化由補(bǔ)償器來補(bǔ)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(yīng)設(shè)置固定支撐，并且主固定支撐的剛度值應(yīng)大于補(bǔ)償節(jié)的整體剛度。

這里應(yīng)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(dāng)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(bǔ)償器的預(yù)緊力，此時補(bǔ)償器被拉伸伸長，從而導(dǎo)致母線偏離理論安裝位置。

3 補(bǔ)償器的工程應(yīng)用計算

補(bǔ)償器工程應(yīng)用中的理想模型如圖5所示。

圖5 補(bǔ)償器的理想應(yīng)用模型

首先假定計算條件：

1）固定支撐剛度（考慮地基的強(qiáng)度足夠）大于補(bǔ)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(bǔ)償器碟簧組件預(yù)緊力平衡時的溫度為20℃；設(shè)備正常運(yùn)行時，殼體溫升取30K（運(yùn)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(bǔ)償器的最大壓縮補(bǔ)償量：ΔL壓；補(bǔ)償器的最大伸長補(bǔ)償量ΔL伸；補(bǔ)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(bǔ)償器的壓縮量計算為

則

在最低環(huán)境溫度下，補(bǔ)償器的伸長量計算為

則

補(bǔ)償器可調(diào)節(jié)的筒體長度取兩者L中的較小值。

以實(shí)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(bǔ)償器的補(bǔ)償量為±10mm，則在+40℃時補(bǔ)償器所能調(diào)節(jié)的母線段長度為

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

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

補(bǔ)償器設(shè)置示意圖如圖6所示。

圖6 補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償器的設(shè)置原則應(yīng)重新考慮。下面就這種情況進(jìn)行具體分析和計算。補(bǔ)償器的實(shí)際應(yīng)用模型如圖7所示。

圖7 補(bǔ)償器的實(shí)際應(yīng)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)償器所能調(diào)節(jié)的母線段長度為

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

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

圖8 補(bǔ)償器設(shè)置示意圖

以上所有計算均假定當(dāng)GIS現(xiàn)場安裝時，周圍的環(huán)境溫度為20℃，但在實(shí)際產(chǎn)品安裝時很難實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度20℃條件下進(jìn)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(bǔ)償器的安裝長度不再是原始理論長度，而應(yīng)該根據(jù)筒體的實(shí)際伸長或收縮量對補(bǔ)償器進(jìn)行人工補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以保證補(bǔ)償器在環(huán)境溫度20℃下的理論狀態(tài)。下面對補(bǔ)償器的安裝長度進(jìn)行計算。

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

補(bǔ)償器的人工補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)、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(jìn)行計算。

下面對主固定支撐的受力情況進(jìn)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(bǔ)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(bǔ)償器應(yīng)根據(jù)工程當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度和工程具體設(shè)計進(jìn)行如上計算，并進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)置，保證正常發(fā)揮補(bǔ)償器的作用，從而保證高壓開關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)行。

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[2]王文斌.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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[4]JB/T 10617—2006.高壓組合電器用金屬波紋管補(bǔ)償器[S].

[5]劉俞銘.波紋管設(shè)計計算與生產(chǎn)新工藝新技術(shù)實(shí)務(wù)全書[M].北京:北方工業(yè)出版社,2012.

[6]GB/T 11022—2011.高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].

[7]GB 16749—1997.壓力容器波形膨脹節(jié)[S].

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。