氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）主要由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、套管、母線等組成，具有占地面積少、元件密封性好、可靠性高、運(yùn)行和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。母線作為126kV GIS的主要組成部分，起到電能匯總、電能傳輸、電能分配的作用，為了確保母線運(yùn)行安全可靠，在母線設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮母線熱脹冷縮和母線基礎(chǔ)沉降的補(bǔ)償方法。

工程中通常采用單式軸向型波紋管、碟簧波紋管、自平衡波紋管等不同種類的波紋管伸縮節(jié)來解決母線結(jié)構(gòu)補(bǔ)償問題。其中單式軸向型波紋管結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較低，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)廠家的126kV GIS母線設(shè)備中。

本文介紹了單式軸向型波紋管的技術(shù)特點(diǎn)以及使用方法，為單式軸向型波紋管在工程中的正確使用提供參考。

1 單式軸向型波紋管的特點(diǎn)

單式軸向型波紋管主要由螺母、薄螺母、拉桿、波紋管和法蘭等5部分組成，如圖1所示。通過調(diào)節(jié)波紋管內(nèi)外側(cè)螺母實(shí)現(xiàn)波紋管收縮功能，用于吸收母線軸向位移以及少量徑向位移。當(dāng)外側(cè)螺母松開后，波紋管會在內(nèi)壓的作用下產(chǎn)生內(nèi)壓推力。單式軸向型波紋管主要有以下關(guān)鍵特征。

1.1 單式軸向型波紋管的內(nèi)壓推力

兩端封閉的管道受到內(nèi)壓作用時(shí)，當(dāng)管道中裝有波紋管膨脹節(jié)，由于波紋管剛度較小，所承受的壓力推力非常有限，因此波紋管很容易產(chǎn)生變形，這種促使波紋管變形的力即是波紋管的內(nèi)壓推力（俗稱盲板力）。

圖1 單式軸向型波紋管

1.2 單式軸向型波紋管的彈性剛度

單式軸向型波紋管的波型尺寸如圖2所示。

圖2 單式軸向型波紋管的波型結(jié)構(gòu)

當(dāng)波紋管在軸向產(chǎn)生單位長度位移時(shí)，施加的軸向力為波紋管的軸向彈性剛度。當(dāng)波紋管端部承受橫向作用力或彎矩時(shí)，使波紋管的軸線產(chǎn)生單位角位移，施加的力或彎矩為波紋管的彈性彎曲剛度。

2 單式軸向型波紋管在126kV GIS母線中的作用

2.1 母線安裝拆卸和擴(kuò)建對接

在126kV GIS設(shè)計(jì)時(shí)為了便于設(shè)備擴(kuò)建對接和檢修拆卸工作，單式軸向型波紋管配合可拆卸單元被應(yīng)用于母線設(shè)計(jì)中?？刹鹦秵卧Y(jié)構(gòu)由可拆卸導(dǎo)體、帶手孔殼體及單式軸向型波紋管部分組成。某種126kV GIS用可拆卸單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 某種126kV GIS用可拆卸單元結(jié)構(gòu)

126kV GIS帶母線擴(kuò)建工程時(shí)，一般先對擴(kuò)建部分進(jìn)行裝配試驗(yàn)，試驗(yàn)通過后再與前期設(shè)備對接，對接完成后再對母線進(jìn)行試驗(yàn)。擴(kuò)建間隔母線設(shè)計(jì)時(shí)在與前期對接部位設(shè)置單式軸向型波紋管，方便新設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)和間隔就位時(shí)誤差補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)母線對接。126kV GIS母線對接方案如圖4所示。

2.2 誤差補(bǔ)償

126kV GIS母線殼體通常為焊接結(jié)構(gòu)，在母線殼體安裝時(shí)需要調(diào)整單式軸向型波紋管長度以補(bǔ)償母線殼體的累計(jì)制造公差。

現(xiàn)場安裝126kV GIS母線時(shí)，基礎(chǔ)存在建筑公差，定位母線的預(yù)埋件公差較大時(shí)也需要調(diào)整單式軸向型波紋管的長度以補(bǔ)償基礎(chǔ)建筑公差。

圖4 126kV GIS母線對接方案

2.3 熱補(bǔ)償

當(dāng)126kV GIS安裝于變電站室內(nèi)時(shí)，若設(shè)備間隔緊湊，母線距離較短，環(huán)境溫度變化較小，環(huán)境溫度變化引起母線的熱脹冷縮變形可以通過母線支架承受，此時(shí)母線上的單式軸向型波紋管只需考慮安裝檢修功能；當(dāng)126kV GIS安裝于變電站室外時(shí)，若設(shè)備間隔較大，母線較長，環(huán)境溫差變化較大，需要考慮溫差作用下母線的熱變形，在熱變形的補(bǔ)償中，根據(jù)補(bǔ)償量以及內(nèi)壓推力合理考慮單式軸向型波紋管的結(jié)構(gòu)布置。

單式軸向型波紋管的熱補(bǔ)償量較小，在工程布置時(shí)，需要配合固定支架和滑動支架使用，且對固定支架的強(qiáng)度和剛度有一定要求。

單式軸向型波紋管的補(bǔ)償方向主要是軸向，且在波紋管的兩端端點(diǎn)處支架為主固定支架，在母線的中間布置的固定支架為次固定支架，主固定支架對強(qiáng)度和剛度都有很高的要求，次固定支架可以降低對剛度的要求，但校核強(qiáng)度時(shí)應(yīng)該考慮內(nèi)壓推力的影響。

另外，滑動支架應(yīng)該保證軸向的完全自由，以免母線殼體在熱變形時(shí)對支架造成破壞。126kV GIS典型的補(bǔ)償布置方式如圖5所示。

3 單式軸向型波紋管在126kV GIS母線中使用需要注意的問題

3.1 螺母調(diào)節(jié)方式

單式軸向型波紋管不補(bǔ)償母線熱變形時(shí)，波紋管外側(cè)螺母必須鎖緊。

圖5 126kV GIS典型的補(bǔ)償布置方式

如圖6所示，單式軸向型波紋管不補(bǔ)償母線熱變形時(shí)應(yīng)該鎖緊外側(cè)螺母，若波紋管外側(cè)螺母未鎖緊，留有距離S，則當(dāng)波紋管與母線殼體安裝完畢，母線內(nèi)充入SF6氣體后，由于單式軸向型波紋管剛度較小，母線內(nèi)壓推力較大，在內(nèi)壓推力的作用下波紋管會由安裝長度L伸長為L+S，內(nèi)壓推力會傳遞到母線固定支架上，使固定支架產(chǎn)生彎曲變形。

為保證單式軸向型波紋管安裝后的長度不改變，單式軸向型波紋管安裝完成后必須鎖緊外側(cè)螺母。

圖6 單式軸向型波紋管內(nèi)壓推力示意圖

單式軸向型波紋管需要補(bǔ)償母線熱變形時(shí)，內(nèi)外側(cè)螺母須松開。若單式軸向型波紋管內(nèi)外側(cè)螺母鎖死，波紋管無法伸縮變形以補(bǔ)償殼體長度變化。但當(dāng)波紋管外側(cè)螺母松開后，波紋管在內(nèi)壓推力的作用下會被拉伸，此時(shí)波紋管無法滿足母線殼體變形對波紋管的補(bǔ)償要求。

同時(shí)，波紋管在內(nèi)壓推力作用下拉伸變形，波紋管兩端固定支撐也會受到內(nèi)壓推力的作用產(chǎn)生彎曲變形，嚴(yán)重時(shí)可能造成固定支架塑性變形或破壞。

為了使單式軸向型波紋管有效補(bǔ)償母線的變形，可以采取以下兩種方式來抵消內(nèi)壓推力對波紋管以及支架的影響。

1）單式軸向型波紋管配合拉桿的使用

如圖7所示，母線安裝完畢后，鎖緊拉桿內(nèi)外側(cè)螺母，同時(shí)波紋管內(nèi)外側(cè)螺母松開一定尺寸以補(bǔ)償母線所需變形量（具體松開尺寸需要根據(jù)具體工程情況計(jì)算，但不應(yīng)該超出波紋管技術(shù)要求的補(bǔ)償尺寸），隨后母線充入額定壓力SF6氣體。

由于拉桿外側(cè)螺母鎖緊，波紋管的內(nèi)壓推力主要由拉桿承擔(dān)，若拉桿剛度較高，拉桿和波紋管變形量很小，固定支架受到內(nèi)壓推力的影響也較小，當(dāng)拉桿內(nèi)母線熱脹冷縮變形時(shí)，波紋管可有效吸收母線的變形，并且波紋管變形后產(chǎn)生的反力也由拉桿承擔(dān)。

圖7 單式軸向型波紋管配合拉桿的使用

使用拉桿時(shí)，須按照波紋管內(nèi)壓推力以及波紋管變形后的彈性力對拉桿的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，拉桿設(shè)計(jì)不宜過長，拉桿過長，剛度不能保證，并且制造和安裝也非常困難。

2）單式軸向型波紋管配合高強(qiáng)度固定支架的使用

如圖8所示，在單式軸向型波紋管兩端安裝剛度較高的固定支架，母線和固定支架安裝完畢后，波紋管內(nèi)外側(cè)螺母松開適當(dāng)尺寸以補(bǔ)償母線所需變形量（具體松開尺寸需要根據(jù)具體工程情況計(jì)算），隨后母線充入額定壓力SF6氣體。

波紋管內(nèi)壓推力會作用于固定支架上使支架受力彎曲，由于固定支架剛度較大，固定支架彎曲變形較小，波紋管變形相應(yīng)較小。當(dāng)固定支架間母線熱脹冷縮變形時(shí)，波紋管可有效吸收母線的變形，并且波紋管變形后產(chǎn)生的反力也由固定支架承擔(dān)。

圖8 單式軸向型波紋管配合高強(qiáng)度固定支架的使用

使用高強(qiáng)度固定支架時(shí)，須按照波紋管內(nèi)壓推力以及波紋管變形后的彈性力對固定支架的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核；同時(shí)要注意固定支架需要焊接或化學(xué)錨栓固定于電站基礎(chǔ)預(yù)埋件上，設(shè)計(jì)前需考慮土建要求。

3.2 固定支架之間不允許串聯(lián)多個(gè)波紋管

固定支架間母線較長，不允許分別用于補(bǔ)償母線殼體安裝變形和補(bǔ)償母線運(yùn)行時(shí)殼體熱脹冷縮變形的多個(gè)單式軸向型波紋管串聯(lián)。下文通過一實(shí)例說明。

126kV GIS母線殼體制造溫度和安裝溫度經(jīng)常不同，當(dāng)安裝溫度低于制造溫度時(shí)，母線殼體會產(chǎn)生收縮變形，安裝時(shí)需要波紋管補(bǔ)償此收縮變形，此時(shí)波紋管的功能為母線安裝補(bǔ)償；安裝完畢后，母線殼體會隨著環(huán)境溫度、太陽輻射以及母線內(nèi)部導(dǎo)體發(fā)熱的共同作用產(chǎn)生熱變形并由波紋管補(bǔ)償，此時(shí)波紋管的功能為母線熱變形補(bǔ)償。

通常母線殼體的制造溫度為20℃，此時(shí)母線殼體不發(fā)生熱變形，以此溫度作為基準(zhǔn)溫度，母線在基準(zhǔn)溫度下安裝完畢充入SF6氣體后，產(chǎn)生的波紋管內(nèi)壓推力作用于固定支架上，若固定支架剛度較高，內(nèi)壓推力對固定支架造成的變形較小，波紋管亦產(chǎn)生微小變形（忽略此處變形），波紋管長度為300mm，以此長度作為波紋管的基準(zhǔn)長度，將波紋管內(nèi)外側(cè)螺母分別松開10mm，波紋管補(bǔ)償量為±10mm，用于吸收母線安裝和運(yùn)行的變形，如圖9所示。

圖9 波紋管內(nèi)外側(cè)螺母調(diào)整距離

某126kV GIS母線結(jié)構(gòu)中兩固定支架間距為8000mm，由母線殼體、固定支架、單式軸向型波紋管、滑動支架組成，其中兩個(gè)單式軸向型波紋管分別為安裝變形補(bǔ)償用和熱變形補(bǔ)償用，如圖10所示。

圖10 8000mm母線使用雙波紋管布置

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式（7）可計(jì)算出不同安裝溫度下8000mm母線殼體的熱脹冷縮量，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 8000mm間隔距母線殼體長度變化表

當(dāng)安裝溫度為-20℃時(shí)，根據(jù)表1可知母線殼體冷縮變形量為◆6.4mm，現(xiàn)場基礎(chǔ)誤差為◆1mm，補(bǔ)償安裝變形用波紋管補(bǔ)償以上變化，由初始長度300mm調(diào)整為307.4mm，調(diào)整后鎖緊安裝補(bǔ)償用波紋管內(nèi)外側(cè)調(diào)節(jié)螺母（此后安裝補(bǔ)償用波紋管長度固定，不具備補(bǔ)償功能）；設(shè)備帶電運(yùn)行后的母線變形由補(bǔ)償熱變形用波紋管補(bǔ)償，此時(shí)補(bǔ)償母線熱變形用波紋管初始長度為300mm。

環(huán)境溫度由-20℃上升至0℃（考慮導(dǎo)體溫升40℃，母線總溫升為60℃），母線殼體熱脹變形量為9.6mm，補(bǔ)償熱變形用波紋管長度由初始的300mm變化為290.4mm。

環(huán)境溫度由0℃上升到20℃時(shí)，母線殼體熱脹變形量為3.2mm，補(bǔ)償熱變形用波紋管長度由290.4mm變化為287.2mm。

環(huán)境溫度由-20℃變化為20℃時(shí)，補(bǔ)償熱變形用波紋管長度由300mm變化為287.2mm，超出了波紋管補(bǔ)償范圍±10mm，不滿足補(bǔ)償要求。以上溫度變化引起的波紋管長度變化如圖11所示。

若將圖10中一處單式軸向型波紋管取消，兩支架間僅使用一個(gè)單式軸向型波紋管，當(dāng)安裝溫度為◆20℃時(shí)，母線殼體變形量為◆6.4mm，現(xiàn)場基礎(chǔ)誤差為±1mm，波紋管補(bǔ)償以上變化，由初始長度300mm，調(diào)整為307.4mm（調(diào)整后不鎖緊波紋管內(nèi)外側(cè)調(diào)節(jié)螺母）。

安裝完畢后設(shè)備帶電運(yùn)行，環(huán)境溫度上升到0℃（考慮導(dǎo)體溫升40℃，母線總溫升為60℃），母線殼體熱脹變形量為9.6mm，此時(shí)波紋管長度由307.4mm變化為297.8mm。

環(huán)境溫度由0℃上升到20℃時(shí)，母線殼體熱脹變形量為3.2mm，此時(shí)波紋管長度由297.8mm變化為294.6mm。

環(huán)境溫度由-20℃變化為20℃時(shí)，單個(gè)波紋管長度由300mm變化為294.6mm，滿足波紋管補(bǔ)償范圍±10mm。

由以上實(shí)例可知，固定支架間串聯(lián)兩個(gè)單式軸向型波紋管，一個(gè)用于補(bǔ)償母線殼體安裝變形，一個(gè)用于補(bǔ)償母線殼體熱變形時(shí)，無法滿足波紋管補(bǔ)償要求。相同工況下固定支架間布置單個(gè)單式軸向型波紋管可滿足波紋管補(bǔ)償要求。因此，增加波紋管數(shù)量并不能提高補(bǔ)償能力，故不允許在固定支架間串聯(lián)多個(gè)單式軸向型波紋管。可以通過減小固定支架間母線長度或采用補(bǔ)償變形較大的波紋管伸縮節(jié)提高補(bǔ)償能力。

圖11 雙波紋管尺寸變化圖

結(jié)論

單式軸向型波紋管結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，廣泛應(yīng)用于126kV GIS的母線中。126kV GIS母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要了解單式軸向型波紋管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合單式軸向型波紋管在126kV GIS母線中的不同使用功能，預(yù)先計(jì)算母線熱變形量，合理調(diào)節(jié)波紋管內(nèi)外側(cè)螺母，配合拉桿或者固定支架使用，不允許在兩固定支架間串聯(lián)多個(gè)單式軸向型波紋管。

只有嚴(yán)格遵循單式軸向型波紋管的使用原則進(jìn)行母線設(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出合理的126kV GIS母線結(jié)構(gòu)，并為GIS長期安全運(yùn)行提供保障。