套管悬臂负荷试验装置设计

赵博，刘志强，张敏，陆瑶，李鑫

（西安高压电器研究院有限责任公司，陕西 西安 710077）

随着电力建设的高速发展，各类型的套管被越来越多制造出来并广泛运行在电网系统中，根据国家标准GB／T 26166—2010《±800 kV直流系统用穿墙套管》、GB／T 22674—2008《直流系统用套管》、GB／T 4109—2008《交流电压高于1000V的绝缘套管》型式试验的要求需要对套管进行悬臂负荷试验，从而达到对整体产品的相应机械负荷的试验考核。

以往套管采用搭建试验构架见图1所示，进行悬臂负荷试验，这一方法存在以下几个问题：①构架布置周期长，试验效率低；②套管与地面的水平夹角为一固定值，无法在0°～30°之间的任意角度进行试验调节，不能完全模拟实际运行的安装角度；③套管轴线与施加负荷的夹角无法始终保持90°；④试验过程中不安全因素较多。

图1 采用搭建试验构架进行套管悬臂负荷试验

为了解决以上问题，本文提出了套管悬臂负荷试验装置的设计要求，并对装置的结构进行了计算机仿真。

1 功能要求及仿真

通过对相关国家标准要求的研读，提出试验装置的功能要求：涵盖最大尺寸长22米，重8．5吨，额定电压±800kV的套管；套管可在水平角度0°～30°之间的任意角度进行试验；加载负荷范围：0～10kN；负荷施加方向应垂直于套管轴线；施加力值至少能保持60s的恒定。

按照上述要求，利用有限元分析软件soildwork对试验装置的整体布局和各部位应力进行了设计及仿真计算，关键部位的仿真过程如下所示。

（1）整体结构。单边断裂并卸载加载力后受力状况见图2和图3所示：升降机座受压2．78×105N，轴承座受拉 2．32×105N。

图2 应力图

结论：第一，最大受力点为丝杠升降机底座加强筋部分：约79．4MPa，最大变形位移为2．018mm；第二，其中最底部左侧节点最大受力为20MPa压力，右侧节点最大受力为9．68MPa拉力，左侧最大受压约为1．6×105N，右侧最大受拉约为 8．0×104N。

（2）旋转架。推动旋转时，推力105N旋转支撑装置受力状况见图4和图5所示。

图3 变形位移图

图4 应力图

图5 变形位移图

结论：最大应力为46．3MPa，最大变形位移为1．3×10mm。

通过以上有限元分析确定了本装置使用的材料型号见表1所示及主要技术参数：装置高6．9m，长28．6m，重 7．4 吨，地面载荷导轨长 9．8m，宽 6．0m，两侧钢丝绳导向器有效长度分别为5．5m和3．4m，最大加载力值10kN，顶部旋转速度为3．8°/min，转动角度范围为水平夹角60°～90°(对应的套管水平夹角为0°～30°)，可承受的最大扭矩为1．5×105N·m。

表1 材料型号

2 装置结构

下面结合图6，对本装置结构及套管悬臂负荷试验方法进行简要说明。

本装置由四部分组成，第一部分由旋转支撑装置(2)和检修吊装平台(3)构成，通过远程操作可使穿墙套管在水平角度0°～30°（图6所示）之间的任意角度进行转动；第二部分为钢支架结构(4)，由3．2m标准节和2m标准节构成，每层支架采用快装结构，侧面使用爬梯方便检修，根据不同套管的尺寸可进行快速的拆装；第三部分为载荷导轨(5)可将装置安装在水泥地面上，不需要破坏地面环境；第四部分由导向器(9)包括钢丝绳卷扬机构成，导向器采用直线导轨和电机-丝杠驱动的形式，钢丝绳卷扬机通过伺服电机涡轮蜗杆减速机构进行加载，加载速度分为快速（1mm/1s）和慢速（0．1mm/1s）两个阶段，加载负荷范围：0～10000N。

图6 装置30度结构正视示意图

试验方法：

①套管水平角度的调节：通过顶部旋转支撑装置(2)，可使绝缘子安装法兰水平角度由60°～90°之间可调，从而实现套管可在水平角度0°～30°之间的任意角度进行转动，从而满足标准对套管角度的要求。

②钢丝绳导向器调整：根据套管水平角度的不同，调节钢丝绳导向器(9)上的滑轮移动到合适的位置，从而使得钢丝绳(8)与套管(1)轴线保持90°夹角，从而满足标准对负荷应垂直于套管轴线的要求。

③恒定负荷的施加：通过钢丝绳导向器(9)上的卷扬机可实现最大10000N力值的自动加载，既能满足标准对套管施加力值和时间的要求，也能满足套管悬臂负荷破坏试验的要求。

④测力计安装位置：测力计(7)安装于钢丝绳(8)上，测力计(7)两端分别通过钢丝绳(8)与套管(1)端子和钢丝导向器(9)上的滑轮相连接，通过观察测力计上的数字从而达到所需施加力值要求，满足了直接测量施加的机械负荷的目的。

3 试验验证

试验室工作人员使用该装置完成了对额定电压±800kV套管两端同时施加10000N力值，绝缘子安装法兰水平角度为60°(对应的套管水平夹角为30°)的悬臂负荷试验, 试验过程持续60s，试验数据见图7所示，可以看出，该悬臂负荷试验装置能实现拉力值的稳定输出，各项试验数据符合笔者提出的套管悬臂负荷试验装置功能要求。

4 装置特点

具有以下三个特点。

（1）数据准确性高、利用率高和应用范围宽：完全符合国家相关标准对套管悬臂试验的要求，额定电压等级≤±800kV的各种类型套管均可适用于本装置。

图7 试验数据

（2）操作灵活简便：使用时只需将套管装到顶部旋转装置的U型定位槽内即可进行试验，省时省力。

（3）试验周期短和安全性高：不需要像以前那样布置试验构架来完成悬臂负荷试验，试验周期大幅缩短并且试验效率得到了大幅提高，同时杜绝了使用试验构架存在的不安全隐患。

5 使用效果

本装置在套管悬臂负荷试验项目使用后，试验效率得到了大幅提高，同时保障了安全性，满足国家标准要求的同时达到了直接测量施加机械负荷的目的。

6 结语

本文研制了一种经济耐用的套管悬臂负荷试验装置，解决了以往±800kV及其以下套管悬臂负荷试验中使用试验构架存在的试验布置周期长、试验不能完全满足标准要求和不安全隐患的弊端，为高压电器试验室提供了一种全新的可供参考的套管悬臂负荷试验装置。

参考文献：

[1] GB／T 26166—2010． ±800 kV直流系统用穿墙套管[S]．

[2] GB ／ T 22674—2008． 直流系统用套管 [S]．

[3] GB／T 4109—2008． 交流电压高于1000V的绝缘套管[S]．