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、運行和檢修方便等優(yōu)點。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，為了確保母線運行安全可靠，在母線設(shè)計時要充分考慮母線熱脹冷縮和母線基礎(chǔ)沉降的補償方法。

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)補償問題。其中單式軸向型波紋管結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，廣泛地應(yīng)用于各個廠家的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

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，當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)

當波紋管在軸向產(chǎn)生單位長度位移時，施加的軸向力為波紋管的軸向彈性剛度。當波紋管端部承受橫向作用力或彎矩時，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 母線安裝拆卸和擴建對接

在126kV GIS設(shè)計時為了便于設(shè)備擴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帶母線擴建工程時，一般先對擴建部分進行裝配試驗，試驗通過后再與前期設(shè)備對接，對接完成后再對母線進行試驗。擴建間隔母線設(shè)計時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)場試驗和間隔就位時誤差補償以實現(xiàn)母線對接。126kV GIS母線對接方案如圖4所示。

2.2 誤差補償

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

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

圖4 126kV GIS母線對接方案

2.3 熱補償

當126kV GIS安裝于變電站室內(nèi)時，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，此時母線上的單式軸向型波紋管只需考慮安裝檢修功能；當126kV GIS安裝于變電站室外時，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，在熱變形的補償中，根據(jù)補償量以及內(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償量較小，在工程布置時，需要配合固定支架和滑動支架使用，且對固定支架的強度和剛度有一定要求。

單式軸向型波紋管的補償方向主要是軸向，且在波紋管的兩端端點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，但校核強度時應(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對支架造成破壞。126kV GIS典型的補償布置方式如圖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償母線熱變形時，波紋管外側(cè)螺母必須鎖緊。

圖5 126kV GIS典型的補償布置方式

如圖6所示，單式軸向型波紋管不補償母線熱變形時應(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償母線熱變形時，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償殼體長度變化。但當波紋管外側(cè)螺母松開后，波紋管在內(nèi)壓推力的作用下會被拉伸，此時波紋管無法滿足母線殼體變形對波紋管的補償要求。

同時，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，嚴重時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，同時波紋管內(nèi)外側(cè)螺母松開一定尺寸以補償母線所需變形量（具體松開尺寸需要根據(jù)具體工程情況計算，但不應(yīng)該超出波紋管技術(shù)要求的補償尺寸），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，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，當拉桿內(nèi)母線熱脹冷縮變形時，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。

圖7 單式軸向型波紋管配合拉桿的使用

使用拉桿時，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度進行計算校核，拉桿設(shè)計不宜過長，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)螺母松開適當尺寸以補償母線所需變形量（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。當固定支架間母線熱脹冷縮變形時，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。

圖8 單式軸向型波紋管配合高強度固定支架的使用

使用高強度固定支架時，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度進行計算校核；同時要注意固定支架需要焊接或化學錨栓固定于電站基礎(chǔ)預(yù)埋件上，設(shè)計前需考慮土建要求。

3.2 固定支架之間不允許串聯(lián)多個波紋管

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

126kV GIS母線殼體制造溫度和安裝溫度經(jīng)常不同，當安裝溫度低于制造溫度時，母線殼體會產(chǎn)生收縮變形，安裝時需要波紋管補償此收縮變形，此時波紋管的功能為母線安裝補償；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償，此時波紋管的功能為母線熱變形補償。

通常母線殼體的制造溫度為20℃，此時母線殼體不發(fā)生熱變形，以此溫度作為基準溫度，母線在基準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長度，將波紋管內(nèi)外側(cè)螺母分別松開10mm，波紋管補償量為±10mm，用于吸收母線安裝和運行的變形，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，其中兩個單式軸向型波紋管分別為安裝變形補償用和熱變形補償用，如圖10所示。

圖10 8000mm母線使用雙波紋管布置

根據(jù)經(jīng)驗式（7）可計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

當安裝溫度為-20℃時，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，補償安裝變形用波紋管補償以上變化，由初始長度300mm調(diào)整為307.4mm，調(diào)整后鎖緊安裝補償用波紋管內(nèi)外側(cè)調(diào)節(jié)螺母（此后安裝補償用波紋管長度固定，不具備補償功能）；設(shè)備帶電運行后的母線變形由補償熱變形用波紋管補償，此時補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，母線殼體熱脹變形量為3.2mm，補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，補償熱變形用波紋管長度由300mm變化為287.2mm，超出了波紋管補償范圍±10mm，不滿足補償要求。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單式軸向型波紋管，當安裝溫度為◆20℃時，母線殼體變形量為◆6.4mm，現(xiàn)場基礎(chǔ)誤差為±1mm，波紋管補償以上變化，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，母線殼體熱脹變形量為3.2mm，此時波紋管長度由297.8mm變化為294.6mm。

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

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

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)計時，需要了解單式軸向型波紋管的結(jié)構(gòu)特點，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)多個單式軸向型波紋管。

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