（正泰电气股份有限公司）
摘要：金属波纹管补偿器（简称波纹管）常用于调节安装误差、补偿基础间相对位移、补偿热胀冷缩引起的位移量。本文简述高压组合电器(GIS)用波纹管的分类及作用,以温度补偿器为例，介绍GIS用波纹管的一般设计方法。
关键词：高压组合电器；GIS；金属波纹管；温度补偿器
0 引言
波纹管是一种轴对称管状波纹薄壳，功能：在轴向力，横向力和弯矩作用下能产生相应的位移，是一种随系统自由伸缩的弹性补偿元件。在石油、化工、供热，GIS等领域已广泛应用。
GIS作为一种少维护、免维护组合电器，是以绝缘气体作为绝缘和灭弧介质，广泛使用在电力系统和工业领域。GIS运行时一般充以数倍于大气压的绝缘气体。据国标GB7674和GB11022要求，GIS长期可靠运行，气体年泄露率低于0.5%，而现场安装误差、基础间的相对位移、壳体因温度变化产生的热胀冷缩等因素对设备的密封性有着巨大的威胁。目前大多数GIS制造厂家采用波纹管，作为母线外壳（尤其母线较长时）间的弹性连接部件，吸收上述位移，避免因位移引起设备漏气。
1GIS用金属波纹管补偿器分类及补偿原理
1.1补偿器分类
根据补偿形式及结构不同，补偿器的分类如表1所示。
表1 补偿器的种类及结构.png)
安装补偿器如表1所述有三种结构形式。
温度补偿器如表1所述有四种结构形式。前三种结构形式可采用碟簧组件平衡装置，如图5；也可不采用碟簧组件平衡装置，如第四种结构为结构自身里平衡。
.png)
图1
.png)
图2
.png)
图3
.png)
图4
.png)
图5
1.2补偿原理
金属波纹补偿器采用不锈钢波纹管单元作为主要的弹性元件，不锈钢材料具有良好的塑性，可对GIS相邻两个外壳的轴向、横向和角向位移进行补偿。
2 GIS用金属波纹补偿器设计思路
2.1确定波纹管的功能
确定波纹管用于安装补偿或温度补偿。按《JB/T 10617-2006》规定，安装补偿器的循环寿命为10次，温度补偿器的循环寿命为10000次。
GIS母线上一般要求装配温补型波纹管，用以调节壳体沿其轴线方向的热胀冷缩量。下文以温度补偿器为例，探讨波纹管的一般设计方法。
2.2确定温度补偿器的补偿量
温度补偿器的补偿量是依据补偿对象的热胀冷缩量确定的。GIS壳体热胀冷缩量的计算公式：
ΔL = L1×α1×(θ＋T1－T0) （1）
式中：
ΔL：壳体伸缩量（mm）；L1：壳体长度（mm）；
α1：壳体材料的线膨胀系数（1/℃）；θ：壳体温升（K）；
T0：安装完成壳体温度（℃）；T1：运行环境温度（℃）；
GIS母线多采用铝或铝合金制造，铝在20~100℃范围内的平均线膨胀系数为23.9×10-6(1/℃)。按《GB/T 11022-2011高压开关设备和控制设备的共用技术要求》规定，GIS母线壳体温升不超过40K；环境温度-40℃~+40℃。
T0的取值，基于常温状态，为便于计算和分析，取T0=20℃。设母线总长度为10米，由式(1)计算得ΔL最大值为14.34mm。
GIS一般安装在平整凝土基础上，波纹管实际工作补偿量按下列公式：
ΔL = L1×α1×(θ＋T1－T0)-L1×α2×(θ＋T1－T0) （2）
式中：
a2：混凝土线膨胀系数（1/℃），取11.7×10-6(1/℃)
其他代号说明同计算公式（1）
由公式(2)计算得ΔL最大值为7.32mm。
综合(1)、(2)当温度补偿器的补偿量为15mm时，满足GIS正常工作要求。
2.3温度补偿器的结构设计与理论计算
2.3.1结构设计
温度补偿器结构如右图所示：
1：螺母；2：垫圈；3：法兰(一)；4：拉杆；
5：波纹管；6：接管；7：法兰(二)
设计压力：0.6MPa；轴向位移±15mm；疲劳寿命10000次，SF6气体年泄露率≤0.5%。
.png)
2.3.2温度补偿器的理论计算
2.3.2.1应力和寿命理论计算
按《GB/T 12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件》的公式对温度补偿器进行应力和寿命计算。
σ1 : 压力引起的波纹管直边周向薄膜应力；σ2: 压力引起的波纹管周向薄膜应力；
σ3 :压力引起的波纹管子午向薄膜应力；σ4 : 压力引起的波纹管子午向弯曲应力；
σ5 : 位移引起的波纹管子午向薄膜应力；σ6 : 位移引起的波纹管子午向弯曲应力。
经计算得出：
σ1 = 66.02（MPa）；σ2 = 61.7（MPa）；σ3 = 8.97（MPa）；
σ4 = 182.34（MPa）；σ5 = 5.81（MPa）；σ6 = 561.64（MPa）。
取波纹管设计温度下材料许用应力值 [σ]t = 118MPa。按《GB/T 12777-2008》进行压力应力校核，结果满足：
σ1≤[σ]t，σ2≤[σ]t，σ3+σ4≤3[σ]t，且补偿器整体失稳压力值大于试验压力时，可判断波纹管耐压能力合格。
补偿器的设计疲劳寿命按下面公式计算：
.png)
式中：
[Nc]：波纹管设计疲劳寿命数值，周次；
σt：子午向总应力范围的数值，σt = 0.7(σ3 + σ4) + σ5 + σ6，MPa;
nf：设计疲劳寿命安全系数，nf≥10。
取nf =10，根据公式(3)计算得：[Nc]=14000次，符合疲劳寿命10000次的要求。
2.3.2.2爆破压力理论计算
《JB/T 10617-2006》规定，补偿器应能承受大小为3倍设计压力的爆破压力，并保证密封、不泄露；而有的用户则要求达到5倍设计压力的爆破值。补偿器的爆破压力可用下面的经验公式计算：.png)
式(4)、式(5)中：
W：波距（mm）； h：波高（mm）；δm：单层波纹管的实际厚度（mm）；
m: 层数； σb：波纹管材料在设计温度下的抗拉强度（MPa）；
Di：波纹管内径（mm）； δ：单层波纹管的名义厚度（mm）；
pb：爆破压力（MPa）。
由式(4)、式(5)计算得， pb = 4.84 MPa ＞ 5倍设计压力。
3试验验证
按《JB/T 10617-2006》规定，补偿器厂家进行全部的型式试验并一次通过，证明此温度补偿器符合标准和设计要求。型式试验项目包括真空气密性试验、SF6气体气密性泄漏率检查、循环寿命试验、压力试验和爆破压力试验等。其中，循环寿命试验11000次，补偿器无泄漏；压力试验后，升至5倍设计压力，补偿器密封良好，继续升压至约4.5MPa(7.5倍设计压力)时，补偿器爆破。补偿器实际爆破压力值接近理论计算值。
4结束语
GIS已大量装备电力系统，其可靠运行对电力系统的安全至关重要。如何在工程中正确配置波纹管，需要GIS厂家深入了解和掌握波纹管的知识。本文以温度补偿器为例，阐述波纹补偿器的一般设计方法，对提高GIS厂家运用波纹管的能力，是一种有益的尝试。
参考文献：
[1]JB/T 10617-2006，高压组合电器用金属波纹管补偿器。
[2]GB/T 12777-2008，金属波纹管膨胀节通用技术条件。
[3]GB 150-1998，钢制压力容器。
[4]徐开先.波纹管类组件的制造及其应用.北京：机械工业出版社,1997.
[5]GB 7674-2008，额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备。
论文作者:陈刚富
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：波纹管论文; 补偿器论文; 压力论文; 温度论文; 应力论文; 位移论文; 壳体论文; 《电力设备》2019年第19期论文;