550 kV GIS电流互感器壳体壁厚减薄强度分析

史存伟，张 鹏，温 胜，李凤民，赵海亮

（1.山东电工电气集团有限公司，山东 济南 250022；2.山东电工电气日立高压开关有限公司，山东 济南 250022）

0 引言

气体绝缘金属封闭高压开关（Gas Insulated Switchgear，GIS）是广泛应用于电力系统的一次设备，其特征是封闭在金属筒体内，采用SF6绝缘气体作为绝缘和灭弧介质，将所有开关和母线等高压电器元件密封在圆形金属外壳内，构建完整的气体绝缘和开关动作系统［1-4］。近五年的装机量，年平均增长率达到12.2%。国内外运行统计结果表明，相对于户外敞开式变电站，GIS 变电站具有维护工作少、运行可靠性高、结构紧凑而占地少、配置灵活、安装方便、环境适应能力强等诸多优势，因而在当今的超/特高压电网中得到广泛应用［5-9］。GIS 主要由断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端或套管等部分构成。

随着全球能源互联网战略构想以及“碳达峰、碳中和”目标的提出和快速发展，电力能源消耗以及污染排放问题日益突出，降本增效势在必行。针对电力一次设备的能效提升研究日渐成为电力领域一项重点工作，基于当前的背景环境以及电力设备的技术推进发展［10-12］。通过模拟电流互感器实际工况，综合考量电流互感器装置在工程的实际功用、设计准则等因素下，采取Solidworks 软件对壳体降本增效的方案改进进行综合受力校核分析［13-17］，从而为设备的能效提升方案提供了坚实可靠的理论支撑，对以后GIS设备的降本增效工作具有重要的借鉴意义。

1 模型选择

研究对象计算模型选取的是550 kV GIS 设备电流互感器。此次研究分析设备在极限工况下电流互感器外壳体综合受力，以此来判断电流互感器外壳体可否减薄。

所研究的电流互感器装置的模型在变电站设备布置模式如图1 所示，其中考虑550 kV GIS 在变电站布置的极限工况下，电流互感器装置下端与断路器（Circuit Breaker，CB）连接，上端与I 相（组合电器接地开关与隔离开关的组合体简称为I相）连接，与I相连接的连接管底部须布置固定支承架，且最严苛条件下每隔18 m 布置1 处，每隔6.5 m 布置1 处滑动支撑架。

图1 550 kV GIS在变电站的实际布置

本研究综合分析时，考量18 m 连接管的热胀冷缩作用力以及设备施加在电流互感器壳体的设备重力对电流互感器装置的影响，综合考虑到组合电器整个设备较为庞大、组成部件较多且结构差异较大，为了便于计算及模拟仿真，组合电器内部导体对壳体的作用相对于壳体的热胀冷缩力影响很小，故模型装置内部导体影响可忽略。

2 模型数据计算

基于Solidworks Simulation 有限元应力分析功能，在进行仿真分析前，需要计算电流互感器模型理论综合受力。依据GIS 设备极限工况条件下实际运行中，电流互感器设备外壳体受力情况，综合考虑I相及连接管的施加重力、电流互感器装置内部SF6气体的压力（0.8 MPa）、连接管热胀冷缩形成的力、螺栓预紧力、风载（35 m/s 时产生的应力）以及地震的影响［18］。

2.1 重力

GIS设备连接管每隔6.5 m处设有一处滑动支撑架，电流互感器装置承受的压力有来自I相的重力以及6.5 m连接管重力的一半，经计算可得

式中：F0为电流互感器壳体受到重力压力；Mi为I 相质量，此处取值为1 382 kg；Mj为连接管质量，此处取值为1 620 kg；g为重力加速度，取值9.8 m/s2。

由式（1）计算可得，电流互感器装置承受的重力为15 200 N。

2.2 热胀冷缩力

电流互感器装置承受的轴向热胀冷缩应力为对应连接的18 m 管线沿轴线方向热胀冷缩长度变化量，考虑设备安装温度为20 ℃，实际运行工况最低温为-30 ℃，最高温为40 ℃［19］。连接管设备热胀冷缩轴向伸长量计算如式（2）所示，连接管设备热胀冷缩轴向收缩量计算如式（3）所示。

式中：ΔL1为连接管轴向伸长量，mm；ΔL2为连接管轴向压缩量，mm；L为固定支承间连接管设备长度，考虑安装误差及热胀冷缩等因素，取L=18 000 mm；∂1为设备铝壳体的线膨胀系数，∂1=23.9×10-6；∂2为固定支承元基础混凝土的线膨胀系数，∂2=11.7×10-6；Te为设备通电电流为4 000 A 时引起的壳体温度变化值，取值6.6 K；Ts为日照引起的母线温度变化，Ts=10 K；Ta为设备安装时周围空气温度，本次取20 ℃；Td和Tg为设备运行环境温度的下限和上限，此处分别取-30 ℃和40 ℃。

将 数据 代入 式（2）和式（3），得 出伸 长量ΔL1≈11.3 mm，得出压缩量ΔL2≈10.9 mm。热胀冷缩形变量计算公式为

根据式（4）得出热胀伸长形变量ε1=0.000 63；冷缩形变量ε2=0.000 61。

热胀冷缩形变产生的应力为

式中：E为铝的弹性模量，取值7.2×1010N/mm2；R为连接管外径，此处取293 mm；r为连接管内径，此处取285 mm。

根据式（5），得出连接管热胀形变产生应力为σ1=45.3 MPa，F1=656 850 N；连接管冷缩形变产生应力为σ2=43.9 MPa，F2=636 550 N。

2.3 风载

变电站GIS 设备安装在户外环境，会受到大风的影响［20］，本次综合校核考虑风力影响设计最高风速为35 m/s，根据式（6）可以计算GIS 设备承受的风压。

式中：ρ为空气密度，取值为1.205 kg/m3；v为最高风速。由式（6）计算得Wp=0.738 kN/m2，即最大风压为738 Pa。

2.4 地震载荷

发生地震时，GIS 设备受到的影响较大，因而在做GIS 设备受力分析时，通常需要考虑设备收到的地震力影响［21-23］，本次研究针对的对象为电流互感器装置，与本体断路器直接连接，两个支撑点距离近，受到的地震力行波效应不明显，因而本次研究不考虑行波效应，模拟分析计算时，采用单点地震输入方式进行计算，经查阅资料可知，设备承受的地震力为设备自重与地震系数的乘积，其中地震系数为地震时地面最大加速度与重力加速度的比值，以K表示，是确定地震烈度的一个定量指标。壳体设计时一般K取1.2～1.5之间，此处为了计算准确，取值1.5，故将相关数据代入式（7），得地震载荷为6.75 MPa。

式中：σp为壳体竖直方向受到的地震载荷应力，MPa；K为地震系数，取值1.5；G为施加在壳体上的设备自重力，N；S为壳体最小受力截面面积，mm2。

3 仿真分析

通过上文对电流互感器在最严苛工况条件下计算出电流互感器所受的各种应力极限值，将其施加到电流互感器模型对其进行综合仿真分析。

考虑到电流互感器设备组成部件较多且结构复杂，且其内部结构对壳体强度分析影响不大，为了便于计算及模拟仿真，可将计算仿真模型进行简化，由电流互感器壳体、上端盖以及下端盖3 部分组成，材质均为5052-H112。模型中上端盖直径1 198 mm，厚度55 mm；下端盖直径1 198 mm，厚度60 mm；电流互感器壳体法兰直径1 198 mm，上法兰厚度43 mm 下法兰厚度34 mm；电流互感器筒体外径1 026 mm。

在Solidworks Simulation 中导入对应模型后，将以上计算的载荷施加在模型中，其中连接管热胀对电流互感器应力与连接管冷缩产生应用方向相反，分别按两种极限情况下将应力值施加到电流互感器壳体进行验证。其中风载、地震载荷、内部气体压力直接施加到电流互感器壳体，连接管热胀冷缩应力的施加分别按照对应的最大应力于作用于电流互感器壳体，法兰连接处螺栓预紧力为420 N·m。查阅相关资料及设计经验，初步拟定壳体厚度缩减至厚度为13 mm、12 mm、11 mm，按照上述分析将各应力施加到模型进行仿真验证分析，得出壳体壁厚降本增效最优值。

3.1 热胀应力分析

施加自重、风载、地震载荷、内部气体压力、极限热胀应力后经仿真分析，可以得出电流互感器装置壳体应力、应变以及位移变化情况。仿真分析效果如图3和图4所示，各厚度电流互感器壳体在综合受力仿真分析结果如表1 所示，可知电流互感器装置最小壁厚为12 mm 时，最大位移为0.58 mm，发上在壳体法兰根部，在允许变形范围；电流互感器装置极限热胀影响最大应力为257 MPa，发生位置螺栓处，发生在螺栓螺杆处，螺栓材质为Q235，且强度等级为8.8级，螺栓的屈服强度为640 MPa，因此螺栓不会被破坏，所有壳体壁厚均满足条件；安全系数选择为设计准则1.5 的情况下，筒体壁厚至少为12 mm 时，筒体上最大应力56.3 MPa，壳体材质为5052-H112 铝合金，壳体的屈服强度为90 MPa，因此壳体不会被破坏，壳体壁厚11 mm时，会发生筒体破坏现象。

图3 热胀应力作用下位移

表1 热胀应力作用下壳体受力、位移表

图4 极限热胀作用下应力

3.2 冷缩应力分析

施加自重、风载、地震载荷、内部气体压力、极限冷缩应力后经仿真分析，可以得出电流互感器装置壳体应力、应变以及位移变化情况。仿真分析效果如图5 和图6 所示，结果如表2 所示。壳体壁厚至少为12 mm 时，壳体最大位移为0.68 mm，发上在壳体法兰根部，在允许变形范围；电流互感器装置极限冷缩影响最大应力为284 MPa，发生位置螺栓处，发生在螺栓螺杆处，螺栓材质为Q235，且强度等级为8.8级，螺栓的屈服强度为640 MPa，因此螺栓不会被破坏，所有壳体壁厚均满足条件；安全系数选择为设计准则1.5 的情况下，筒体壁厚至少为12 mm 时，筒体上最大应力53.6 MPa，壳体材质为5052-H112 铝合金，壳体的屈服强度为90 MPa，因此壳体不会被破坏，壳体壁厚11 mm 时，应力值超过屈服强度会发生筒体破坏现象。

图5 冷缩应力作用下位移

图6 极限冷缩作用下应力

表2 冷缩应力作用下壳体受力、位移表

4 结语

对550 kV 电流互感器装置外壳壁厚由原来16 mm 减薄进行受力分析，考虑了I相及连接管的压力、电流互感器装置内部SF6气体的压力、连接管热胀冷缩形成的力、螺栓预紧力、风载、地震的影响。分析结果显示壳体壁厚最小为12 mm 时，电流互感器筒体最大应力不超过56.3 MPa，在壳体屈服强度90 MPa 的安全系数范围内，电流互感器筒体没有发生破坏；电流互感器与I 相法兰连接的螺栓处发生了应力集中现象，也是最大应力（161.4 MPa）所在处，螺栓屈服强度为640 MPa，故螺栓无损坏。因此550 kV GIS 设备电流互感器筒体厚度减薄方案可行，电流互感器装置外壳壁厚由原来16 mm 最小减薄为12 mm，可实现电流互感器单个壳体筒体重量降低32.8%，进而实现设备降本增效的效果，为工程实际应用提供参考设计。