户外GIS套管导线拉力计算

李宝宝

（厦门ABB高压开关有限公司，福建 厦门 361006）

户外GIS套管导线拉力计算

李宝宝

（厦门ABB高压开关有限公司，福建 厦门 361006）

户外GIS套管在风速增大的气候条件下，是否还能正常地运行，越来越成为业内关注的焦点。本文以套管导线允许的拉力为判断依据，并以印度实际运行的项目为例，通过分析影响套管导线拉力的几大因素，依据相关的标准和规定进行计算，为户外GIS套管的实际应用提供了充分的理论依据和可借鉴的实际案例。

GIS套管；导线拉力；风速；计算；安全可靠

输由于厄尔尼诺现象，全球气候变暖，风速增大的极端天气时有发生。自2000年以来，仅我国就有13个强（超强）台风登陆。风速增大将导致机械负荷的变化，从而对套管导线拉力产生直接的影响。在这样恶劣的气候条件下，原有正在运行的户外GIS套管能否正常的运行？能承受多大的风速？越来越成为客户关注的焦点。

ABB在销往世界各地的GIS产品中，也常遇到客户的咨询和质疑。本文以印度实际运行的典型项目为例（风速高达47m/s），对实际运行的数据进行不断的分析研究，结合以往的工程经验，综合判断影响导线拉力的几大因素：风速，气体压力，自重和悬臂试验负荷，并逐个进行分析和计算，从而对套管在实际应用中的安全可靠性做出准确的判断。

1　套管简介

1.1套管的作用

套管是气体绝缘金属封闭开关设备（简称GIS）不可缺少的部件，承担着高压绝缘电负荷及机械负荷（内压、弯矩、扭矩、拉伸或压缩等）的双重作用。在实际工程中，将套管安装在与管道相连的分叉模块上，每间隔三相共需三根，通过导线将套管接到高压架空线上，如图1所示。

图1　套管的实际工程运用

1.2套管的参数

正常使用条件和参数：户外使用；额定电压252kV；额定电流2500A；户外风速34m/s；额定压力650kPa；安装倾斜角度与垂线夹角不超过30°；导线试验拉力2500N；导线运行拉力1250N。

1.3套管的结构

GIS套管通常有两种类型：瓷套和复合绝缘套管（本文案例使用SF6复合绝缘套管）。主要组成部分：导线接头，端盖，上法兰，纤维加固环氧树脂管，硅橡胶伞套，导体，屏蔽罩，下法兰（图2中所指部分为内部SF6绝缘介质）。

图2　套管的结构

2　典型案例现场工况和分析判断

1）风负荷。印度客户提供的气候条件，户外风速高达47m/s，风压为1520N/m2。显而易见，风速超出正常的使用范围，套管承受的压力将随之加大，会直接影响套管顶部的导线拉力。

2）气体压力负荷。根据新版国家标准GB/T 4109—2008的8.9规定，套管悬臂负荷试验，是在套管内部施加比最高运行压力高出（0.1±0.01）MPa的压力。但本案例的套管是在新版标准发布之前进行的试验，试验压力值仅为500kPa。由于气体压力低，套管顶部所需的导线拉力相对也小，与现有标准规定的数据不符，故需重新校验。

3）自重负荷。根据国家标准GB/T 4109—2008和IEC 60137表1的规定，套管垂直安装或安装成与垂线夹角不超过30°的任何倾斜角度，都不会产生额外的自重负荷。但本工程案例中，仅有中间的那根套管是垂直安装，而其余两根套管安装倾斜度为55°（见图1）。安装倾斜度超出标准规定值，产生的套管自重也将影响套管顶部的导线拉力。

4）悬臂试验负荷。指套管导线拉力的试验值，标准值为2500N。本案例所使用的套管，已通过相关资质的国家试验室试验，试验值为6000N，即在正常使用条件下，套管顶部的导线拉力最大可达6000N，大大超过标准规定值，且有很大的裕度。

通过上述对工程现状的分析，得出上述四大因素：风负荷，气体压力负荷，自重负荷和悬臂负荷，都会对套管顶部导线拉力产生影响。这些因素综合影响的结果，将导致GIS套管实际可承受的导线拉力值发生变化，该值是否满足相关标准规定值，是决定套管能否安全可靠运行的主要依据。下面将根据相关标准和规定对本工程案例进行计算。

3　计算

3.1风负荷

1）套管尺寸（见表1）

表1　套管的基本尺寸

2）风负荷

根据IEC TS 61463风负荷的理论计算，即

式中，Fw为47m/s时的风负荷，N；De为套管最大伞形外径，m；Do为套管主体，m；dh为套管长度，m；Pw为47m/s时的风压，N/m2。

将参数代入式（1）计算如下：

3.2气体压力负荷

1）套管的型式试验报告，记录充气压力为0.5MPa进行悬臂负荷试验。国家标准GB/T 4109的8.9规定：试验时，套管内部应施加比最高运行压力高出（0.1±0.01）MPa的压力，充气压力不同对套管顶部的导线拉力将会产生不同的影响，此时应该进行校核计算。

2）根据国家标准GB/T 23752和国际标准IEC 62155的附录D，设计压力等值弯矩的计算为

式中，p为设计压力，N/m2；Ds为密封直径，m；D0为绝缘子外径，m；Di为绝缘子内经，m；Mb为弯矩值，Nm。

（1）当充气压力为500000Pa时，代入式（3）计算如下：

（2）当设计压力为800000Pa时，代入式（3）计算如下：

Mb2计算值是在设计压力下计算的，设计压力大于实际设备运行的最高压力。Mb2与Mb1的差值为1671.84Nm，此弯矩值会影响套管顶部导线拉力。

3）气体压力产生的导线拉力为

式中，Fg为气体压力对套管顶部导线所产生的拉力，N；dh为套管长度，m。

3.3套管自重产生的导线拉力

根据IEC 61463的附录D的D.3.1规定：

式中，Fm为自重产生的悬臂试验负荷，N；M为套管的重量，N。

将数值代入式中，求得套管自重产生的导线拉力值：

3.4套管顶部导线拉力

本工程使用的套管，其顶部导线拉力已通过试验验证，正常使用条件下导线具有Ft为6000N的拉力。但实际运行的套管，其导线拉力受到风速、气体压力和自重的影响，尤其当风速高达47m/s时，套管顶部导线允许的拉力会随着三大因素的影响而变小。根据国家标准GB/T 4109表1和IEC 61463的规定，计算如下：

式中，F为导线允许拉力，N；Ft为型式试验报告中已证实的导线拉力，N；Fw为风速产生的导线拉力N；Fg为气体产生的导线拉力，N；Fm为自重产生的导线拉力，N。

将上述式（2）、式（6）、式（8）代入式（9），计算值如下：

该套管顶部导线允许拉力F为1532.25N，工程规整值为1500N。该值大于标准规定的顶部导线拉力1250N，符合相关标准规定。因此，本案例中的GIS套管，在风速高达47m/s的气候条件下，仍然可以安全可靠地运行。

4　结论

户外GIS套管随着风速增大和风负荷的加大，将直接影响导线拉力。影响的结果GIS套管是否还能正常的使用，是需要根据相关的标准和依据进行严密的计算和校验，同时也要基于原设计的数据进行综合分析和谨慎验证。套管顶部导线拉力的计算结果是否大于标准规定值，可作为判断套管能否正常使用和安全可靠地运行的依据。

［1］ IEC TS 61463. 套管——抗震要求， 1996.

［2］ IEC 60137. 交流电压高于1000V的绝缘套管， 2008.［3］ GB 7674. 额定电压为52kV以上气体绝缘金属封闭开关设备， 2008.

［4］ GB/T 4109. 交流电压高于1000V的绝缘套管，2008.

［5］ GB/T 23752. 额定电压高于1000V的电器设备用承压和非承压空心瓷和玻璃绝缘子， 2009.

［6］ 本工程套管悬臂负荷型式试验报告， 2008.

［7］ 本工程客户提供的印度Isolux提供的风速压力，2009.

［8］ SF6高压电器设计， 2009（7）.

李宝宝（1963-），女，大学本科，福建福鼎人，厦门ABB高压开关有限公司工程师，主要从事产品技术支持。