直流穿墙套管用穿墙筒体机械结构设计

2020-06-15柴影辉张楠楠张银穗

科学技术创新 2020年14期

柴影辉张楠楠张银穗

（平高集团有限公司，河南平顶山467001）

特高压直流输电具有输电容量大、输送效率高等特点，是未来建设坚强智能电网骨干网架的重要组成部分，是新能源等电力大规模远距离输送的最佳技术解决方案，是推动低碳型战略性新兴产业发展的重要力量。直流穿墙套管作为直流输电系统中的重要设备，承担着阀厅内部和外部高电压大容量电气设备的电气连接作用，承载了系统的全电压和全电流，是直流输电系统的关键设备。直流穿墙套管通过穿墙筒体上的固定板与墙体进行连接，采用螺栓连接方式，穿墙筒体为主要承重零部件，采用高强度钢焊接成型。该产品为整体水平安装，长度长、直径粗、质量大，中间固定，户内侧、户外侧套管悬臂梁结构，弯曲力矩大，易产生应力集中和变形，直流穿墙套管结构见图1。

图1 直流穿墙套管结构示意图

穿墙筒体作为套管的关键零部件之一，属于压力容器元件，在建造、安装和运行过程中，筒体设计对于穿墙套管的安全运行至关重要，压力容器设计是具有一定专业性的设计工作，需要设计人员从压力容器的选材、受力分析、强化措施、制造安装、检验、使用、维护等方面考虑。

1 穿墙筒体材料选取

压力容器壳体材料，直接影响压力容器的强度、安全性及可靠性，因此，设计选材时，应注意以下几点：

1.1 一般情况下，压力容器的受压元件不建议采用碳素钢材料Q235B 与Q235C。Q235B 钢板最低使用温度为20℃，Q235C 钢板最低使用温度为0℃，而电容压力容器壳体的使用环境温度一般都低于0℃。在温度较低的情况下，材料的力学性能会大大降低，从而降低电器产品的安全性。若基于某些因素（如经济性）使用Q235 系列材料，则应对容器壳体采取加热等措施，以满足材料使用规定。

1.2 当壳体的工作温度低于-20℃时，原则上需要采用低温用钢，如16MnDR 等，也可以采用Q345R。此时，按标准要求，需要对材料附加冲击功试验要求。

1.3 壳体设计温度不能超过材料允许使用范围。比如，若采用铝材5083 作为压力容器壳体，则设计温度不应大于65℃。

目前，压力容器的材料选择主要有钢材和铝合金材料两大类，综合对比分析，在满足使用条件和安全裕度的前提下，同时兼顾到成本，最终选取筒体材质为钢板Q345R。

2 筒体设计方法

电力系统用压力容器不同于化工行业的压力容器，前者一方面要考虑容器的强度，还要求满足容器的内绝缘和耐烧穿能力，因此，应从以下两个方面设计穿墙筒体。

2.1 基于压力容器标准的设计

一般情况下，设备的使用电压等级确定后，筒体的内径经过绝缘计算分析就已经确定了，根据设计压力，设计温度等条件，就可按式（1）确定筒体的计算厚度：

δ——壳体的计算厚度，mm；

δe——壳体的有效厚度，mm；

Di——壳体内径，mm；

Pc——计算压力，MPa；

[σ]t——设计温度下材料的许用应力，MPa；

φ——焊接接头系数，按GB150 选取。

式（1）得出的结果是筒体的计算厚度，而实际图纸上标注的厚度为名义厚度，即计算厚度与材料负偏差之和，再向上圆整到标准中规定的材料厚度。

2.2 基于内部故障电弧的筒体设计

在设计穿墙套管的筒体时，除上述设计方法外，还应考虑筒体耐受故障电弧时间大于保护系统动作时间。GB7674-2008中规定：额定短路电流小于40kA 时，故障电流在0.2s 内壳体不允许烧穿，故障电流在0.5s 内切除，筒体没有产生碎片；额定短路电流为40kA 及以上时，故障电流在0.1s 内壳体不允许烧穿，故障电流在0.3s 内切除，壳体没有产生碎片。

可参考壳体厚度计算公式：

t——烧穿时间，ms

C——材料系数

S——筒体厚度，mm

I——故障电弧电流，kA

2.3 小结

比较式（1）和式（2）的结果，取二者较大值，并留适当裕度同时考虑经济性。从上述设计方法可知，筒体厚度主要与设计压力、筒体内径、材料及采取何种焊接与检测方式等因素有关，材料确定后，设计压力越高，内径越大，筒体壁厚就越大，产品耐受内部故障电流大小及时间越大，筒体壁厚就越大。

3 仿真校核

穿墙筒体材料选取钢板Q345R，根据穿墙筒体设计方法的研究，确定穿墙筒体厚度为15mm，建立穿墙套管三维计算模型，模拟穿墙套管工程应用时的安装状态，采用ANSYS 有限元分析软件进行力学校核，计算结果见图2，通过计算结果可以看出，穿墙筒体上最大应力为45MPa，小于钢板Q345R 的许用应力，仿真计算结果满足要求。