有压力平衡装置波纹管温度补偿器在组合电器中的应用计算

王军飞 朱传运 闫亚刚 胡劲涛

（平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）

有压力平衡装置波纹管温度补偿器在组合电器中的应用计算

王军飞 朱传运 闫亚刚 胡劲涛

（平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）

本文介绍了有压力平衡装置波纹管温度补偿器的结构原理、设置原则，并结合工程设计不同的情况分别对补偿器调节的母线的长度范围进行了详细的应用计算。

补偿器；组合电器；固定支撑；计算

气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称为GIS）中应用的波纹管补偿器主要有3种，即波纹管安装补偿器、有压力平衡装置的波纹管温度补偿器和压力平衡型波纹管温度补偿器。这里介绍有压力平衡装置的波纹管温度补偿器（以下简称为补偿器）的相关应用及计算。

1 结构介绍

补偿器的主要元件有波纹管、碟簧组件和附件。具体结构分别如图1和图2所示。

图1 补偿器结构

图2 补偿器应用

图3所示为补偿器的波纹管。

图3 波纹管

碟簧组件的主要作用是用来平衡GIS气室内部气体的内压盲板推力，其内部有被压缩的碟簧垫圈作为平衡元件，由碟簧垫圈所产生的压缩力称之为预紧力，此预紧力等于GIS筒体内部气体在温度为20℃时，额定压力下气体对筒体的两端的内压盲板推力。内部的碟簧垫圈每2个并联为1组，又由n组碟簧垫圈串联组成。

具体结构如图4所示。

图4 碟簧组件

补偿器碟簧组件预紧力的计算如下：

式中，p20为环境温度为20℃时筒体内气体的相对压力；A为母线筒体内腔最大截面积。

2 补偿器的设置原则

对于有压力平衡装置的波纹管温度补偿节，为了保证设备筒体的热胀冷缩的尺寸变化由补偿器来补偿，而不是作用在GIS设备上，其调节范围内的筒体两端应设置固定支撑，并且主固定支撑的刚度值应大于补偿节的整体刚度。

这里应注意的是，必须在整条母线两端可靠固定的情况下才允许充额定压力气体，否则当时的环境温度大于20℃时，母线内气体的盲板推力将大于补偿器的预紧力，此时补偿器被拉伸伸长，从而导致母线偏离理论安装位置。

3 补偿器的工程应用计算

补偿器工程应用中的理想模型如图5所示。

图5 补偿器的理想应用模型

首先假定计算条件：

1）固定支撑刚度（考虑地基的强度足够）大于补偿器总体刚度，筒体热胀冷缩引起的尺寸变形全部由波纹管吸收。

2）GIS筒体的原始加工长度为环境温度为20℃时的长度。

定义设计参数如下：

GIS设备所在地的最高环境温度为Tmax，取40℃；GIS设备所在地的最低环境温度为Tmin；补偿器碟簧组件预紧力平衡时的温度为20℃；设备正常运行时，壳体温升取30K（运行人员易触及部位）；日照温升取15K；铝合金筒体线膨胀系数为1α，mm/℃·m−1，取值 0.022～0.024；混凝土线膨胀系数为2α，mm/℃·m−1，取值0.01～0.014；补偿器的最大压缩补偿量：ΔL压；补偿器的最大伸长补偿量ΔL伸；补偿器可调节的筒体长度范围L。

则

在最高环境温度下，补偿器的压缩量计算为

则

在最低环境温度下，补偿器的伸长量计算为

则

补偿器可调节的筒体长度取两者L中的较小值。

以实际户外工程为例，GIS设备所在地常年环境温度为−25℃～40℃，补偿器的补偿量为±10mm，则在+40℃时补偿器所能调节的母线段长度为

式中，L=7.4m。在−25℃时补偿器所能调节的母线段长度为

式中，L=15.9m，即补偿器可调节的筒体长度为7.4m。

补偿器设置示意图如图6所示。

图6 补偿器设置示意图

上述计算是整套设备布置在一整块地基上的情况，在这种情况下地基和筒体热胀冷缩方向对波纹管的作用是相反的，也就是说，地基和筒体的热胀冷缩对补偿器作用发生了一定的抵消。有时因母线筒体的长度较长，整块地基的长度会较大，这时地基设计往往设置伸缩缝来避免因热胀冷缩对地基造成的破坏。为了配合这一设计，GIS会在地基伸缩缝处设置膨胀节来补偿地基的热胀冷缩和不同地基相对沉降等尺寸变化。在这种情况下，筒体和地基的热胀冷缩方向对波纹管的作用是相同的，这时补偿器所接受的压缩量或伸长量因地基和筒体的同向热胀冷缩而增大，因此，在这种情况下补偿器的设置原则应重新考虑。下面就这种情况进行具体分析和计算。补偿器的实际应用模型如图7所示。

图7 补偿器的实际应用模型

在高温环境下，筒体伸长压缩波纹管，地基 1和地基2同样伸长压缩波纹管（如图6所示），两者同时压缩波纹管；在低温环境下，筒体收缩拉伸波纹管，地基1和地基2同样收缩拉伸波纹管，两者同时拉伸波纹管。

在最高环境温度下：

则

在最低环境温度下：

则

同样，对补偿器可调节的筒体长度取两者L中的较小值。

仍以上述实际户外工程为例，地基 1和地基 2总长度分别为19m，则在+40℃时补偿器所能调节的母线段长度为

式中，L=4.6m。在−25℃时补偿器所能调节的母线段长度为

式中，L=2.3m，即补偿器可调节的筒体长度为2.3m，补偿器设置示意图如图8所示。

图8 补偿器设置示意图

以上所有计算均假定当GIS现场安装时，周围的环境温度为20℃，但在实际产品安装时很难实现在环境温度20℃条件下进行安装，在这种情况下，GIS筒体在安装时其自然状态就已经伸长或收缩，故此时补偿器的安装长度不再是原始理论长度，而应该根据筒体的实际伸长或收缩量对补偿器进行人工补偿调节，以保证补偿器在环境温度20℃下的理论状态。下面对补偿器的安装长度进行计算。

设GIS安装时的环境温度为T；补偿器的理论长度为ΔL′。

补偿器的人工补偿量（注：有日照时考虑日照温升，此处计算忽略日照的影响）为

则补偿器的安装长度为

4 固定支撑的受力计算

母线固定支撑是起支撑母线、设置固定点、将母线分段和限制约束母线的位移方向的作用。固定支撑分为主固定支撑和次固定支撑。主固定支撑主要承受母线内压产生的盲板推力、膨胀节位移时的刚度反力等，其支撑设置在母线端部；次固定支撑主要承受母线最大截面积与膨胀节有效面积的压力差等，其承受的力较之主固定支撑所受的力要小的很多，故固定支撑受力按照主固定支撑进行计算。

下面对主固定支撑的受力情况进行计算。支撑计算模型如图9所示。

图9 支撑计算模型

定义设计参数如下：

补偿器波纹管的刚度为K1；碟簧组件的刚度为K2；支撑所受的力为F支撑；波纹管对支撑的力为F波；气体对支撑的力为F气体。

计算在最高环境温度下：

则

在最低环境温度下：

则

固定支撑所受的最大力取其两者中的较大值。

5 结论

在工程设计时，有压力平衡装置的波纹管温度补偿器应根据工程当地的环境温度和工程具体设计进行如上计算，并进行科学合理地设置，保证正常发挥补偿器的作用，从而保证高压开关设备的正常运行。

[1]徐开先.波纹管类组件的制造及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

[2]王文斌.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

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[4]JB/T 10617—2006.高压组合电器用金属波纹管补偿器[S].

[5]刘俞铭.波纹管设计计算与生产新工艺新技术实务全书[M].北京:北方工业出版社,2012.

[6]GB/T 11022—2011.高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].

[7]GB 16749—1997.压力容器波形膨胀节[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

王军飞（1979-），男，河南省平顶山市人，本科，工程师，从事高压电器的工程设计工作。