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摘要：GIS设备在制作中，为便于安装、检修、吸收热伸缩，经常采用波纹管结构。结合实际工程对热伸缩拉杆型波纹管温度变化、变形量及伸缩次数进行分析，可以让设计人员对温度补偿型波纹管的合理、经济配置有所了解。
关键词：GIS设备；波纹管；温度变化量；波纹管伸缩量
气体绝缘金属封闭开关设备（简称GIS）由于其操作安全，受外界环境影响小、结构紧凑、外形美观等优点，近年来，越来越多的用于各种变电站中。然而，GIS在运行过程中由于环境温度的变化、通电时产生的温升、日照、风力、早晚温差等原因，会使金属壳体本身的温度产生变化而进行热伸缩，壳体的热伸缩对GIS，特别是对GIS母线的危害极大。
一、GIS中常用波纹管的类型
GIS用金属波纹管作为GIS工程中相邻两个设备壳体间的连接部件，按其用途可以分为调整型波纹管和温度补偿型波纹管。
（一）调整型波纹管
调整型波纹管又叫可拆卸波纹管，主要由调整尺寸用波纹管和内部可拆卸的导体组成。调整型波纹管有两种功能：一种是用来解决因吸收零部件的加工尺寸公差、安装误差而造成的安装困难问题。安装时可松开波纹管上联接两侧法兰的双头螺杆上的螺栓，在图纸规定尺寸内对波纹管长度进行调整，安装完毕后将螺母锁紧；另一种是当设备需要检修时，由于GIS结构紧凑，操作空间较小。
（二）温度补偿型波纹管
温度补偿型波纹管又叫热伸缩波纹管。温度补偿型波纹管不仅可以吸收加工尺寸公差、安装误差、方便检修时拆卸，而且可吸收壳体由于热胀冷缩产生的较大位移的变形量，吸收地震、基础沉降等产生的较小的下沉量。在GIS工程中比较常用的温度补偿型波纹管有：热伸缩拉杆型波纹管和压力均衡型波纹管。
二、热伸缩拉杆型波纹管伸缩量的计算
设计人员在工程设计时必须考虑波纹管伸缩量的计算。以下以大连某变电站参数为例，对热伸缩拉杆型波纹管伸缩量的计算进行说明。
（一）使用环境条件
（1） 安装场所：户外 （2） 环境温度：-30℃～+40℃ （3） 最大日温差：20K（4） 日照温升：5K （5） 通电温升：30K （6） 安装时环境温度：5℃～+30℃（7） 材料的线膨胀系数α：铁：α1=11.7×10-6铝：α2=23.9×10-6
（二）温度变化量的计算
根据使用环境条件，结合大连某站热伸缩拉杆型波纹管的具体情况，可分别计算出波纹管的年温度变化量和日温度变化量。
1.年温度变化量
① 当环境温度为+40℃时，在工况㈠条件下的温度变化量：
母线壳体的温度变化量△T1=（+40）-（+5）+（+30）+（+5）=70K
热伸缩拉杆的温度变化量△T2=（+40）-（+5）+（+0）+（+5）=40K
② 当环境温度为-30℃时，在工况㈥条件下的温度变化量：
母线壳体的温度变化量△T3=（-30）-（+30）+（+0）+（+0）=-60K
热伸缩拉杆的温度变化量△T4=（-30）-（+30）+（+0）+（+0）=-60K
2.日温度变化量
在计算日温度变化量时不需要考虑年平均环境温度和安装温度，变化量如下：
母线壳体的温度变化量△T5= （+20）+（+5）+（+30）=55K
热伸缩拉杆的温度变化量△T6= （+20）+（+5）+（+0）=25K
（三）波纹管轴向变形量的计算
在GIS变电站中地基一般采用钢筋混凝土基础，热伸缩拉杆（材质：铁）与地基具有几乎相等的线膨胀系数，因此可认为它们两个属于同步等量热伸缩。此外，由于波纹管较短（485mm），为简化计算，可忽略波纹管自身热伸缩产生的变形。因此，可求出因热伸缩而导致的波纹管的年变形量X和日变形量Y。
年变形量的计算
在工况㈠条件下的年变形量：X=L1×α1×△T2-L2×α2×△T1=-5.24mm
在工况㈥条件下的年变形量：X=L1×α1×△T4-L2×α2×△T3=2.97mm
其中负值表示波纹管被压缩，正值表示被拉伸。
按照以上的参数条件，安装完成后，因热伸缩拉杆和壳体的综合热伸缩作用，波纹管将在压缩5.24mm（通电的夏季）与拉伸2.97mm（不受电的冬季）之间的可能范围内变动。为了使波纹管有足够的热伸缩裕度，年变形量以计算值的2倍左右加以考虑，即+5mm至-10mm范围内变化。
日变形量的计算
Y=L1×α1×△T6 -L2×α2×△T5=-4.5mm
由上计算可知：当日温差为0～20K时，波纹管将在0～4.5mm之间被压缩。
综上所述，波纹管年变形量为±10mm，年伸缩次数为50次（以GIS的使用寿命50年考虑）；日变形量为-15mm，日伸缩次数为18250次（=365天×50年）；同时，具有160mm的轴线压缩和5mm的径向拉伸能力，完全满足工程的伸缩需求。
三、结论
近年来，随着户外大型变电站的迅猛增长，温度补偿型波纹管在GIS设备中被广泛使用。本文以热伸缩拉杆型波纹管为例，对波纹管的热伸缩量计算进行了简要介绍。在实际工程中，热伸缩问题不仅仅只需考虑波纹管，还要从设备的结构、支撑的布置、内压载荷等多方面进行综合分析，只有这样，波纹管的选用及布置才能更加合理、经济，设备的运行才能更加安全、可靠。
【参考文献】
[1]GB/T12777-2008.金属波纹管膨胀节通用技术条件[S]
[2]JB/T10617-2006.高压组合电器用金属波纹管补偿器[S]
[3]岳进才.压力管道技术.北京：中国石化出版社，2001
[4]张金和.管道安装工程手册.北京：机械工业出版社，2006
【作者单位：河南平高东芝高压开关有限公司】
关键词：GIS设备；波纹管；温度变化量；波纹管伸缩量
气体绝缘金属封闭开关设备（简称GIS）由于其操作安全，受外界环境影响小、结构紧凑、外形美观等优点，近年来，越来越多的用于各种变电站中。然而，GIS在运行过程中由于环境温度的变化、通电时产生的温升、日照、风力、早晚温差等原因，会使金属壳体本身的温度产生变化而进行热伸缩，壳体的热伸缩对GIS，特别是对GIS母线的危害极大。
一、GIS中常用波纹管的类型
GIS用金属波纹管作为GIS工程中相邻两个设备壳体间的连接部件，按其用途可以分为调整型波纹管和温度补偿型波纹管。
（一）调整型波纹管
调整型波纹管又叫可拆卸波纹管，主要由调整尺寸用波纹管和内部可拆卸的导体组成。调整型波纹管有两种功能：一种是用来解决因吸收零部件的加工尺寸公差、安装误差而造成的安装困难问题。安装时可松开波纹管上联接两侧法兰的双头螺杆上的螺栓，在图纸规定尺寸内对波纹管长度进行调整，安装完毕后将螺母锁紧；另一种是当设备需要检修时，由于GIS结构紧凑，操作空间较小。
（二）温度补偿型波纹管
温度补偿型波纹管又叫热伸缩波纹管。温度补偿型波纹管不仅可以吸收加工尺寸公差、安装误差、方便检修时拆卸，而且可吸收壳体由于热胀冷缩产生的较大位移的变形量，吸收地震、基础沉降等产生的较小的下沉量。在GIS工程中比较常用的温度补偿型波纹管有：热伸缩拉杆型波纹管和压力均衡型波纹管。
二、热伸缩拉杆型波纹管伸缩量的计算
设计人员在工程设计时必须考虑波纹管伸缩量的计算。以下以大连某变电站参数为例，对热伸缩拉杆型波纹管伸缩量的计算进行说明。
（一）使用环境条件
（1） 安装场所：户外 （2） 环境温度：-30℃～+40℃ （3） 最大日温差：20K（4） 日照温升：5K （5） 通电温升：30K （6） 安装时环境温度：5℃～+30℃（7） 材料的线膨胀系数α：铁：α1=11.7×10-6铝：α2=23.9×10-6
（二）温度变化量的计算
根据使用环境条件，结合大连某站热伸缩拉杆型波纹管的具体情况，可分别计算出波纹管的年温度变化量和日温度变化量。
1.年温度变化量
① 当环境温度为+40℃时，在工况㈠条件下的温度变化量：
母线壳体的温度变化量△T1=（+40）-（+5）+（+30）+（+5）=70K
热伸缩拉杆的温度变化量△T2=（+40）-（+5）+（+0）+（+5）=40K
② 当环境温度为-30℃时，在工况㈥条件下的温度变化量：
母线壳体的温度变化量△T3=（-30）-（+30）+（+0）+（+0）=-60K
热伸缩拉杆的温度变化量△T4=（-30）-（+30）+（+0）+（+0）=-60K
2.日温度变化量
在计算日温度变化量时不需要考虑年平均环境温度和安装温度，变化量如下：
母线壳体的温度变化量△T5= （+20）+（+5）+（+30）=55K
热伸缩拉杆的温度变化量△T6= （+20）+（+5）+（+0）=25K
（三）波纹管轴向变形量的计算
在GIS变电站中地基一般采用钢筋混凝土基础，热伸缩拉杆（材质：铁）与地基具有几乎相等的线膨胀系数，因此可认为它们两个属于同步等量热伸缩。此外，由于波纹管较短（485mm），为简化计算，可忽略波纹管自身热伸缩产生的变形。因此，可求出因热伸缩而导致的波纹管的年变形量X和日变形量Y。
年变形量的计算
在工况㈠条件下的年变形量：X=L1×α1×△T2-L2×α2×△T1=-5.24mm
在工况㈥条件下的年变形量：X=L1×α1×△T4-L2×α2×△T3=2.97mm
其中负值表示波纹管被压缩，正值表示被拉伸。
按照以上的参数条件，安装完成后，因热伸缩拉杆和壳体的综合热伸缩作用，波纹管将在压缩5.24mm（通电的夏季）与拉伸2.97mm（不受电的冬季）之间的可能范围内变动。为了使波纹管有足够的热伸缩裕度，年变形量以计算值的2倍左右加以考虑，即+5mm至-10mm范围内变化。
日变形量的计算
Y=L1×α1×△T6 -L2×α2×△T5=-4.5mm
由上计算可知：当日温差为0～20K时，波纹管将在0～4.5mm之间被压缩。
综上所述，波纹管年变形量为±10mm，年伸缩次数为50次（以GIS的使用寿命50年考虑）；日变形量为-15mm，日伸缩次数为18250次（=365天×50年）；同时，具有160mm的轴线压缩和5mm的径向拉伸能力，完全满足工程的伸缩需求。
三、结论
近年来，随着户外大型变电站的迅猛增长，温度补偿型波纹管在GIS设备中被广泛使用。本文以热伸缩拉杆型波纹管为例，对波纹管的热伸缩量计算进行了简要介绍。在实际工程中，热伸缩问题不仅仅只需考虑波纹管，还要从设备的结构、支撑的布置、内压载荷等多方面进行综合分析，只有这样，波纹管的选用及布置才能更加合理、经济，设备的运行才能更加安全、可靠。
【参考文献】
[1]GB/T12777-2008.金属波纹管膨胀节通用技术条件[S]
[2]JB/T10617-2006.高压组合电器用金属波纹管补偿器[S]
[3]岳进才.压力管道技术.北京：中国石化出版社，2001
[4]张金和.管道安装工程手册.北京：机械工业出版社，2006
【作者单位：河南平高东芝高压开关有限公司】