单式轴向型波纹管在126kV气体绝缘封闭开关设备母线中的应用研究
西安西电开关电气有限公司的研究人员杨勇、张路，在2019年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，126kV气体绝缘封闭开关设备中，母线作为重要的组成部分，起到电能汇总、传输和分配的作用。
单式轴向型波纹管广泛应用于各种126kV气体绝缘封闭开关设备中，针对单式轴向型波纹管在126kV气体绝缘封闭开关设备工程中的使用情况，本文从单式轴向型波纹管基本功能、设置原则、拉杆设置、固定支架设置、波纹管内外侧螺母设置、多波纹管配合等几方面进行了研究和探讨，避免了因波纹管使用不当而造成126kV气体绝缘封闭开关设备产品使用缺陷。
气体绝缘封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）主要由断路器、隔离开关、接地开关、套管、母线等组成，具有占地面积少、元件密封性好、可靠性高、运行和检修方便等优点。母线作为126kV GIS的主要组成部分，起到电能汇总、电能传输、电能分配的作用，为了确保母线运行安全可靠，在母线设计时要充分考虑母线热胀冷缩和母线基础沉降的补偿方法。
工程中通常采用单式轴向型波纹管、碟簧波纹管、自平衡波纹管等不同种类的波纹管伸缩节来解决母线结构补偿问题。其中单式轴向型波纹管结构简单，价格较低，广泛地应用于各个厂家的126kV GIS母线设备中。
本文介绍了单式轴向型波纹管的技术特点以及使用方法，为单式轴向型波纹管在工程中的正确使用提供参考。
1 单式轴向型波纹管的特点
单式轴向型波纹管主要由螺母、薄螺母、拉杆、波纹管和法兰等5部分组成，如图1所示。通过调节波纹管内外侧螺母实现波纹管收缩功能，用于吸收母线轴向位移以及少量径向位移。当外侧螺母松开后，波纹管会在内压的作用下产生内压推力。单式轴向型波纹管主要有以下关键特征。
1.1 单式轴向型波纹管的内压推力
两端封闭的管道受到内压作用时，当管道中装有波纹管膨胀节，由于波纹管刚度较小，所承受的压力推力非常有限，因此波纹管很容易产生变形，这种促使波纹管变形的力即是波纹管的内压推力（俗称盲板力）。
图1 单式轴向型波纹管
1.2 单式轴向型波纹管的弹性刚度
单式轴向型波纹管的波型尺寸如图2所示。
图2 单式轴向型波纹管的波型结构图
当波纹管在轴向产生单位长度位移时，施加的轴向力为波纹管的轴向弹性刚度。当波纹管端部承受横向作用力或弯矩时，使波纹管的轴线产生单位角位移，施加的力或弯矩为波纹管的弹性弯曲刚度。
2 单式轴向型波纹管在126kV GIS母线中的作用
2.1 母线安装拆卸和扩建对接
在126kV GIS设计时为了便于设备扩建对接和检修拆卸工作，单式轴向型波纹管配合可拆卸单元被应用于母线设计中。可拆卸单元结构由可拆卸导体、带手孔壳体及单式轴向型波纹管部分组成。某种126kV GIS用可拆卸单元结构如图3所示。
图3 某种126kV GIS用可拆卸单元结构
126kV GIS带母线扩建工程时，一般先对扩建部分进行装配试验，试验通过后再与前期设备对接，对接完成后再对母线进行试验。扩建间隔母线设计时在与前期对接部位设置单式轴向型波纹管，方便新设备现场试验和间隔就位时误差补偿以实现母线对接。126kV GIS母线对接方案如图4所示。
2.2 误差补偿
126kV GIS母线壳体通常为焊接结构，在母线壳体安装时需要调整单式轴向型波纹管长度以补偿母线壳体的累计制造公差。
现场安装126kV GIS母线时，基础存在建筑公差，定位母线的预埋件公差较大时也需要调整单式轴向型波纹管的长度以补偿基础建筑公差。
图4 126kV GIS母线对接方案
2.3 热补偿
当126kV GIS安装于变电站室内时，若设备间隔紧凑，母线距离较短，环境温度变化较小，环境温度变化引起母线的热胀冷缩变形可以通过母线支架承受，此时母线上的单式轴向型波纹管只需考虑安装检修功能；当126kV GIS安装于变电站室外时，若设备间隔较大，母线较长，环境温差变化较大，需要考虑温差作用下母线的热变形，在热变形的补偿中，根据补偿量以及内压推力合理考虑单式轴向型波纹管的结构布置。
单式轴向型波纹管的热补偿量较小，在工程布置时，需要配合固定支架和滑动支架使用，且对固定支架的强度和刚度有一定要求。
单式轴向型波纹管的补偿方向主要是轴向，且在波纹管的两端端点处支架为主固定支架，在母线的中间布置的固定支架为次固定支架，主固定支架对强度和刚度都有很高的要求，次固定支架可以降低对刚度的要求，但校核强度时应该考虑内压推力的影响。
另外，滑动支架应该保证轴向的完全自由，以免母线壳体在热变形时对支架造成破坏。126kV GIS典型的补偿布置方式如图5所示。
3 单式轴向型波纹管在126kV GIS母线中使用需要注意的问题
3.1 螺母调节方式
单式轴向型波纹管不补偿母线热变形时，波纹管外侧螺母必须锁紧。
图5 126kV GIS典型的补偿布置方式
如图6所示，单式轴向型波纹管不补偿母线热变形时应该锁紧外侧螺母，若波纹管外侧螺母未锁紧，留有距离S，则当波纹管与母线壳体安装完毕，母线内充入SF6气体后，由于单式轴向型波纹管刚度较小，母线内压推力较大，在内压推力的作用下波纹管会由安装长度L伸长为L+S，内压推力会传递到母线固定支架上，使固定支架产生弯曲变形。
为保证单式轴向型波纹管安装后的长度不改变，单式轴向型波纹管安装完成后必须锁紧外侧螺母。
图6 单式轴向型波纹管内压推力示意图
单式轴向型波纹管需要补偿母线热变形时，内外侧螺母须松开。若单式轴向型波纹管内外侧螺母锁死，波纹管无法伸缩变形以补偿壳体长度变化。但当波纹管外侧螺母松开后，波纹管在内压推力的作用下会被拉伸，此时波纹管无法满足母线壳体变形对波纹管的补偿要求。
同时，波纹管在内压推力作用下拉伸变形，波纹管两端固定支撑也会受到内压推力的作用产生弯曲变形，严重时可能造成固定支架塑性变形或破坏。
为了使单式轴向型波纹管有效补偿母线的变形，可以采取以下两种方式来抵消内压推力对波纹管以及支架的影响。
1）单式轴向型波纹管配合拉杆的使用
如图7所示，母线安装完毕后，锁紧拉杆内外侧螺母，同时波纹管内外侧螺母松开一定尺寸以补偿母线所需变形量（具体松开尺寸需要根据具体工程情况计算，但不应该超出波纹管技术要求的补偿尺寸），随后母线充入额定压力SF6气体。
由于拉杆外侧螺母锁紧，波纹管的内压推力主要由拉杆承担，若拉杆刚度较高，拉杆和波纹管变形量很小，固定支架受到内压推力的影响也较小，当拉杆内母线热胀冷缩变形时，波纹管可有效吸收母线的变形，并且波纹管变形后产生的反力也由拉杆承担。
图7 单式轴向型波纹管配合拉杆的使用
使用拉杆时，须按照波纹管内压推力以及波纹管变形后的弹性力对拉杆的刚度和强度进行计算校核，拉杆设计不宜过长，拉杆过长，刚度不能保证，并且制造和安装也非常困难。
2）单式轴向型波纹管配合高强度固定支架的使用
如图8所示，在单式轴向型波纹管两端安装刚度较高的固定支架，母线和固定支架安装完毕后，波纹管内外侧螺母松开适当尺寸以补偿母线所需变形量（具体松开尺寸需要根据具体工程情况计算），随后母线充入额定压力SF6气体。
波纹管内压推力会作用于固定支架上使支架受力弯曲，由于固定支架刚度较大，固定支架弯曲变形较小，波纹管变形相应较小。当固定支架间母线热胀冷缩变形时，波纹管可有效吸收母线的变形，并且波纹管变形后产生的反力也由固定支架承担。
图8 单式轴向型波纹管配合高强度固定支架的使用
使用高强度固定支架时，须按照波纹管内压推力以及波纹管变形后的弹性力对固定支架的刚度和强度进行计算校核；同时要注意固定支架需要焊接或化学锚栓固定于电站基础预埋件上，设计前需考虑土建要求。
3.2 固定支架之间不允许串联多个波纹管
固定支架间母线较长，不允许分别用于补偿母线壳体安装变形和补偿母线运行时壳体热胀冷缩变形的多个单式轴向型波纹管串联。下文通过一实例说明。
126kV GIS母线壳体制造温度和安装温度经常不同，当安装温度低于制造温度时，母线壳体会产生收缩变形，安装时需要波纹管补偿此收缩变形，此时波纹管的功能为母线安装补偿；安装完毕后，母线壳体会随着环境温度、太阳辐射以及母线内部导体发热的共同作用产生热变形并由波纹管补偿，此时波纹管的功能为母线热变形补偿。
通常母线壳体的制造温度为20℃，此时母线壳体不发生热变形，以此温度作为基准温度，母线在基准温度下安装完毕充入SF6气体后，产生的波纹管内压推力作用于固定支架上，若固定支架刚度较高，内压推力对固定支架造成的变形较小，波纹管亦产生微小变形（忽略此处变形），波纹管长度为300mm，以此长度作为波纹管的基准长度，将波纹管内外侧螺母分别松开10mm，波纹管补偿量为±10mm，用于吸收母线安装和运行的变形，如图9所示。
图9 波纹管内外侧螺母调整距离
某126kV GIS母线结构中两固定支架间距为8000mm，由母线壳体、固定支架、单式轴向型波纹管、滑动支架组成，其中两个单式轴向型波纹管分别为安装变形补偿用和热变形补偿用，如图10所示。
图10 8000mm母线使用双波纹管布置
根据经验式（7）可计算出不同安装温度下8000mm母线壳体的热胀冷缩量，具体数据见表1。
表1 8000mm间隔距母线壳体长度变化表
当安装温度为-20℃时，根据表1可知母线壳体冷缩变形量为6.4mm，现场基础误差为1mm，补偿安装变形用波纹管补偿以上变化，由初始长度300mm调整为307.4mm，调整后锁紧安装补偿用波纹管内外侧调节螺母（此后安装补偿用波纹管长度固定，不具备补偿功能）；设备带电运行后的母线变形由补偿热变形用波纹管补偿，此时补偿母线热变形用波纹管初始长度为300mm。
环境温度由-20℃上升至0℃（考虑导体温升40℃，母线总温升为60℃），母线壳体热胀变形量为9.6mm，补偿热变形用波纹管长度由初始的300mm变化为290.4mm。
环境温度由0℃上升到20℃时，母线壳体热胀变形量为3.2mm，补偿热变形用波纹管长度由290.4mm变化为287.2mm。
环境温度由-20℃变化为20℃时，补偿热变形用波纹管长度由300mm变化为287.2mm，超出了波纹管补偿范围±10mm，不满足补偿要求。以上温度变化引起的波纹管长度变化如图11所示。
若将图10中一处单式轴向型波纹管取消，两支架间仅使用一个单式轴向型波纹管，当安装温度为20℃时，母线壳体变形量为6.4mm，现场基础误差为±1mm，波纹管补偿以上变化，由初始长度300mm，调整为307.4mm（调整后不锁紧波纹管内外侧调节螺母）。
安装完毕后设备带电运行，环境温度上升到0℃（考虑导体温升40℃，母线总温升为60℃），母线壳体热胀变形量为9.6mm，此时波纹管长度由307.4mm变化为297.8mm。
环境温度由0℃上升到20℃时，母线壳体热胀变形量为3.2mm，此时波纹管长度由297.8mm变化为294.6mm。
环境温度由-20℃变化为20℃时，单个波纹管长度由300mm变化为294.6mm，满足波纹管补偿范围±10mm。
由以上实例可知，固定支架间串联两个单式轴向型波纹管，一个用于补偿母线壳体安装变形，一个用于补偿母线壳体热变形时，无法满足波纹管补偿要求。相同工况下固定支架间布置单个单式轴向型波纹管可满足波纹管补偿要求。因此，增加波纹管数量并不能提高补偿能力，故不允许在固定支架间串联多个单式轴向型波纹管。可以通过减小固定支架间母线长度或采用补偿变形较大的波纹管伸缩节提高补偿能力。
图11 双波纹管尺寸变化图
单式轴向型波纹管结构简单，使用方便，广泛应用于126kV GIS的母线中。126kV GIS母线结构设计时，需要了解单式轴向型波纹管的结构特点，结合单式轴向型波纹管在126kV GIS母线中的不同使用功能，预先计算母线热变形量，合理调节波纹管内外侧螺母，配合拉杆或者固定支架使用，不允许在两固定支架间串联多个单式轴向型波纹管。
只有严格遵循单式轴向型波纹管的使用原则进行母线设计，才能设计出合理的126kV GIS母线结构，并为GIS长期安全运行提供保障。