浅谈1100kV福州变GIS设备波纹管应用原理

摘 要 GIS设备因其布置紧凑，占地面积小、结构封闭，受外部干扰小等优点，受到国内外用户的好评和推广，目前已成为电网的关键设备。本文通过对1100kV福州变GIS设备用波纹管的介绍，分析了波纹管在GIS应用中的种类、作用、配置原则等，可为GIS电站设计提供设计参考和建议。

关键词 1100kV福州变 GIS设备 波纹管 伸缩量计算

中图分类号：TM595 文献标识码：A

1概述

浙北～福州特高压交流输变电工程是我国继晋东南～南阳～荆门特高压交流试验示范工程、淮南～浙北～上海工程之后的第三个特高压交流工程，也是我国特高压电网加入快速发展、规模建设新阶段的标志性工程。它是华东地区特高压主网架的重要组成部分。工程建成后对华东电网健康稳定运行具有重要意义。

百万伏福州变电站位于福州市闽侯县大湖乡南侧，平均海拔670米，是浙北～福州特高压工程的终点站。

河南平高电气股份有限公司承担供货的福州变1100kV GIS，是平高电气开发的特高压全封闭组合电器产品，本期工程主接线为一倍半接线方式，两进两出，七个间隔，包含7 台断路器、17 组隔离开关、21 组检修接地开关、2 组快速接地开关、12 支套管、2000 多米长的输电管道母线、2 相电压互感器和2 组避雷器等，组成了一个完成串和两个不完整串。

福州站采用河南平高电气股份有限公司生产的ZF27-1100型气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称ZF27-1100型GIS）。其作为一种高度集成化开关电器，具有布置紧凑，占地面积小、结构封闭，受外界干扰小等优点，受到国内外用户的一致好评，其发展方向代表了开关类产品的发展方向。十二五以来，国内各大电网公司GIS 装机量增长迅猛，且发电厂、水电站和核电站用户也越来越青睐于GIS类产品。

GIS运行后，由于环境温度、通流温升、阳光辐射等因素，其本体温度会发生变化，从而产生热胀冷缩效应，这种效应每天早、中、晚都在发生，产生的轴向位移如果不采取相应措施将给GIS设备带来致命的损坏。同时随着时间的推移，GIS基础的沉降等因素也会逐渐产生径向的位移。因而，工程应用中必须要考虑采用能够吸收这些热伸缩和径向位移的结构。目前为止大多数GIS设备厂家均采用波纹管结构来吸收径向和轴向的位移。本文通过对百万伏福州变ZF27-1100型GIS波纹管的介绍和布置，对其在GIS工程中的应用进行简单的介绍。

2 ZF27-1100型GIS波纹管布置原则

ZF27-1100型GIS波纹管布置应充分考虑安装地点的环境温度、土壤特点和设备的材质和长度等因素。波纹管的功能主要包括实现GIS的拆装、吸收GIS基础的不均匀沉降、调整安装误差、吸收热伸缩、以及吸收地震时的振动。GIS安装后，由于环境温度、通流温升、阳光辐射等因素，其本体温度会发生变化，从而产生热胀冷缩效应。限制该效应会产生P=%dAE/L的反向力，如果要克服这个力，需要采用与（E）成比例的、极大载荷的支撑，其体积巨大，既违背了GIS布置紧凑的特点，并且对应的材料价值非常之高。但是如果能够采用吸收这些热伸缩的结构，则最为经济。

P：载荷（压缩、拉伸）%d：延伸或收缩量

A：截面积L：长度

目前ZF27-1100型GIS中采用的波纹管根据工作原理主要有以下3种：

2.1安装可拆波纹管

ZF27-1100型GIS因布置紧凑，所以其安装和检修的作业空间狭小。为了方便主元件如断路器、隔离开关等安装和退出检修，设计了此种安装可拆卸波纹管。其结构由外部的波纹管和内部的可拆卸导体组成。此种波纹管只需先压缩波纹管，然后拆解内部可拆卸导体即可实现设备的安装或拆解。

2.2热伸缩波纹管

ZF27-1100型GIS设备长度一般可达几百米，其由于本体温度变化而产生的热胀冷缩非常巨大，因此需要设计一种变形量较大的波纹管来吸收。热伸缩波纹管就是专门用于吸收设备热胀冷缩产生的变形的结构。它由外部较长的波纹管和内部较长的可拆卸导体组成。它的使用配合两端的母线固定支撑，一侧法兰螺母紧固，另一侧法兰螺母根据计算得出的热伸缩量松开一定量，来吸收产生的热胀冷缩。

2.3力平衡波纹管

ZF27-1100型GIS高位设备中心高度达2.7m，由于其重心高，如果采用普通的热伸缩波纹管来吸收热胀冷缩，将会对高位支撑产生较大的弯矩。此种情况需要设计一种对支撑不产生弯矩的结构――力平衡波纹管。其工作时由于内部气体压力自身平衡，均为内力，不对外部支撑产生弯矩。此种力平衡波纹管由于造价较高，一般只用于高位母线。

根据ZF27-1100型GIS工程需要，还有其他类型的波纹管结构，但其原理与以上三种基本相同，本文不再赘述。

波纹管设置原则：

（1）主要元件（GCB、DS）之间，设置可拆（下转第192页）（上接第160页）卸波纹管；

（2）一般主母线约30m处，设置能够吸收较大热伸缩变形的波纹管；

（3）对母线存在高低位转换的情况，且分支母线较长时，设置压力平衡波纹管（此波纹管能够吸收较大热伸缩）；

（4）对于L形等长母线，可不设置波纹管，以其自身的挠度来吸收热伸缩；

（5）在基础伸缩缝处设置吸收基础沉降的波纹管。

3 1000kV福州站波纹管伸缩量计算

1000kV福州变波纹管伸缩量计算时需综合考虑电站年温差、安装温差、日温差、阳光辐射温差、通流温差和ZF27-1100型GIS设备长度等技术参数，百万伏福州站位于福州市闽侯县，其环境参数如下：

3.1福州变环境因素

年温度：-20至50℃；

安装温度：-5至20℃；

日温差：25；

通流温差：22；

阳光辐射温差：15；

ZF27-1100型GIS线膨胀系数a1：23.9？0-6

3.2福州变温差计算

根据福州变环境因素可算出：

（1）年温差为：

T1=（+50）-（-5）+（+15）+（+22）=92K

T2=（-20）-（+20）= -40K

（2）日温差为：T3=25+15+25=65K

3.3福州变波纹管伸缩量计算

ZF27-1100型GIS母线每隔30米设置1个固定支撑，因此取母线长度L=30m，可计算出年热胀冷缩量为：S1=L祝a1）祝T1-T2）=94.6mm

日热胀冷缩量为：S2=La1祝？65）=46.6mm

由此可知百万伏福州变30m长度的1100kV GIS母线年伸缩量为94.6mm，日伸缩量为46.6mm。在进行百万伏福州站1100kV GIS设计时可根据计算出的年、日伸缩量结果布置相应规格和数量的波纹管。

4结语

十二五以来随着GIS设备数量的迅猛增长，其母线长度不断增加，母线热胀冷缩产生问题的概率越来越高。热胀冷缩无法吸收对设备造成的危害是巨大的，不考虑设备热胀冷缩的吸收会严重影响设备的安全运行。因此在进行电站设计时需提前根据电站环境因素进行母线热胀冷缩量的理论计算，根据计算结果进行各种波纹管的灵活布置，才能使产品长期安全、稳定运行。百万伏福州变已经投运一年，1100kV GIS经历了全年的高低温考验，未出现热胀冷缩带来的任何问题，整站波纹管理论设计符合实际环境运行要求。