CN102811577B - 高压电气壳体翻边插接一体化结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，包括主筒和焊接于主筒上的支筒；在支筒和主筒连接的圆周上设有翻边结构和插接结构。本发明综合考虑翻边结构的电场优越性和插接结构的适应强的特点，将两种结构结合，有机统一到一件壳体的同一个支管连接结构上；翻边插接一体化新结构既要克服插接结构曲率过大的不足，将电场强度最不利处的曲率减少到纯插接的十分之一；同时将主筒中轴线同一垂直面上，两个翻边孔轴线的角度差能从极限限制条件的125.48°减小到90°。

Description

高压电气壳体翻边插接一体化结构

【技术领域】

本发明涉及高压电气用SF₆容器焊接壳体成形与焊接制造领域，特别涉及一种高压电气壳体翻边插接一体化结构。

【背景技术】

高压电气用SF₆绝缘气体电力容器，一般使用焊制壳体。这种壳体通常都会大量用到支管焊接连接，这种支管连接通常使用两种已有技术。

一种是翻边连接又称拔口连接的技术，一般简称翻边结构。翻边结构是在主筒待焊支管的位置，在垂直于主筒中轴的轴线的法向平面上，在主筒壁上预割一个椭圆形预孔；然后使用特制翻边模具，将主筒从侧面上拉出成形一部分。然后主筒的翻出部分与支管通过一周环焊缝对接连接成一体。

高压电气壳体不同于普通容器壳体，壳体内部对于电场分布有特殊要求，它不允许内壁有尖端结构，所有金属连接过渡都须使用圆滑过渡。翻边结构是一种处处圆滑过渡的有利结构，其曲率一般≤0.02，所以它是特别适合于电力容器壳体的结构。它往往用于电场强度大的场合，通过成形的圆滑过渡有效保证了容器的绝缘性能。

翻边结构是依赖于特定预孔加工和特殊模具的特定成形方式，所以它的成形总会受到模具空间位置的各种限制。尤其在翻边成形中，须充分考虑外托凹模的支承区，若因为零件结构限制，模具无法放置，则无法进行翻边成形。

另外，由于翻边结构的圆角过渡，在先成形的翻边结构附近，主筒上相应会有圆角变形，这对随后的翻边结构会有较大影响。如果先后的两个翻边结构位置太近，后翻边的孔会因为圆角变形外模无法正常支承而无法实现。为此多个翻边孔的位置往往不得不有所限制，比如主筒中轴线同一垂直面上，两个翻边孔轴线角度差一般都在135°～180°范围。由于翻边结构特别是多翻边临近结构的特殊干涉，限制了翻边结构的使用，有时因此往往须改变产品的整体结构，比如将一件壳体变为两件；或者使用非焊接结构的壳体。

支管焊接连接的另一种已有技术方法，是完整的马鞍形相贯线焊缝连接技术，一般称插接结构。

插接结构对于待连接两部分的预先成形要求简单，成形对附近影响几乎没有，所以它在支管直径相对主筒直径较小的场合经常用到，一般多用于支管直径:主筒直径≤0.6的场合；由于其变形范围影响区域小，所以比较适用于小范围多支管集中分布的场合。

对于高压电气壳体使用条件下，插接结构有一个严重缺点，就是壳体内壁过渡曲率过大。插接结构的马鞍形焊缝，由于其固有形状限制，在马鞍曲线与主筒母线垂直处会出现曲率最大的情形，即便是经过焊缝打磨过渡，此处曲率通常也≥0.1，这在电压等级较高的场合，如果壳体较小情况下内部绝缘距离较短，往往不能满足电性能要求。因此，插接结构多用于低电压等级的壳体上。也往往使用在壳体内部间隔空间大的部位，比如检修安装人孔或表计的连接支管上。

在某些情况下，由于高压电气产品整体结构的需要，会要求多支管的开口位置较近，并且在高电压等级产品中，同时会对于壳体内部过渡圆要求严格。比如在特高压断路器壳体的实施例中，壳体内装导电元件与壳体内壁间的额定线电压高达110万伏特，局部放电的试验相电压达76.2万伏特，这对于壳体内壁的平滑过渡要求极高，支管与主筒在结合曲率较大的地方，不可使用纯插接结构。另外，在该实施例中又要求必须有两件支管在主筒轴线同一垂直面上呈90°分布；成形翻边模具要求互不干涉的情形下，按照该实例具体主筒条件，要求二支管分布角度至少在125.48°以上，显然纯粹的翻边结构无法满足实际要求。

鉴于该实施例中壳体过于庞大，外廓达1.6米×1.6米×7米。如果因此无法使用焊接成形壳体，改用铸造壳体，一方面已经超出铸造的浇注设备能力，需要添置庞大的铸造装备，费用十分昂贵。另外，如此大体积的气密性容器壳体，铸造质量保证非常困难。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，综合考虑翻边结构的电场优越性和插接结构的适应强的特点，将两种结构结合，有机统一到一件壳体的同一个支管连接结构上；翻边插接一体化新结构既要克服插接结构曲率过大的不足，将电场强度最不利处的曲率减少到纯插接的十分之一；同时将主筒中轴线同一垂直面上，两个翻边孔轴线的角度差能从极限限制条件的125.48°减小到90°。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，包括主筒和焊接于主筒上的支筒；在支筒和主筒连接的圆周上设有翻边结构和插接结构。

本发明进一步的改进在于：所述高压电气壳体翻边插接一体化结构包括若干翻边结构和若干插接结构；翻边结构和插接结构间隔排布，在支筒和主筒的连接的圆周上连接为一体。

本发明进一步的改进在于：翻边结构和插接结构均匀间隔排布。

本发明进一步的改进在于：所述高压电气壳体翻边插接一体化结构包括两个翻边结构，该两个翻边结构的中心连接线平行于主筒的轴线。

本发明进一步的改进在于：支筒的中径与翻边结构的半宽度之比为2～5.5：1。

本发明进一步的改进在于：翻边结构设置于主筒上，主筒上的预孔放样划线曲线为：

$X=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{a^2-{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{Y}^2}& 0\≤Y\≤Y1\\ \frac{X2-X1}{Y2-Y1}Y-\frac{X2-X1}{Y2-Y1}Y1+X1& Y1\≤Y\≤Y2\\ \sqrt{A^2-{\left(\frac{A}{B}\right)}^2{Y}^2}& Y2\≤Y\≤B\end{array}\right.$

其中，Y1为翻边结构顶部半宽度，Y2为翻边结构根部半宽度；X1为Y1的X轴坐标，X2为Y2的X轴坐标；b为全翻边预孔短半轴，a为全翻边预孔短半轴；B为全插接预孔长半轴，A为全插接预孔短半轴。

本发明进一步的改进在于：翻边结构设置于主筒上并与局部插接孔缘相连；与主筒翻插口缘啮合对接的预制支筒焊接于翻插结构的主筒上，翻边结构和插接结构在支筒和主筒连接的圆周上连接为一体。

本发明进一步的改进在于：主筒上焊接有两个相邻的支筒，两个相邻的支筒的中轴线所在的平面垂直于主筒的中轴线，两个相邻的支筒的中轴线之间的夹角为β，90°≤β＜125.48°。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明综合考虑翻边结构的电场优越性和插接结构的适应强的特点，将两种结构结合，有机统一到一件壳体的同一个支管连接结构上；翻边插接一体化新结构既要克服插接结构曲率过大的不足，将电场强度最不利处的曲率减少到纯插接的十分之一；同时将主筒中轴线同一垂直面上，两个翻边孔轴线的角度差能从极限限制条件的125.48°减小到90°。

【附图说明】

图1是本发明高压电气壳体翻边插接一体化结构的轴测立体图；

图2是图1所示结构的部件爆炸轴测立体图；

图3是图1所示结构的全部零件爆炸轴测立体图；

图4是图2所标号1主筒的结构轴测立体图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4主筒的翻边处较大曲率圆滑过渡立体示意图；

图7是图2所示标号2支管结构轴测立体图；

图8是图2所示标号3支管结构轴测立体图。

图9是图4所示主筒孔成形前，外壁包覆划线的轴测立体图；

图10是图9所示主筒翻边前预孔放样划线示意图及公式推导图；

图11是图10所示主筒插接部分的三角曲线放样划线推导原理立体图；

图12是图4所示主筒翻边前预孔切割后轴测立体图；

图13是图7、8所示支管上翻边插接轮廓放样划线原理推导图；

图14是图7支管切割前外壁划线立体轴测示意图；

图15是图7标号5支筒外壁放样划线样板及切割立体轴测示意图；

图16是图7支管先焊后割时外壁放样划线样板及切割立体轴测示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明高压电气壳体翻边插接一体化结构，包括主筒和支管两个密不可分的组成部分。

对于主筒1，本发明的显著特征是待接支管部位，由两部分组成：一部分是翻边结构，一部分是相贯线的插接预孔，两种结构不论各使用几段，在拟接支管圆周的一圈方向上都连为一体，如图4所示。无论翻边有几处，每处翻边宽度多少，均具备发明结构的技术特征。

从图6可见，在支管与主筒结合开孔曲率最大处，两边对称采用了翻边结构，翻出理想的圆角过渡，翻边半宽度Y1与支管用支筒（图3中标号5、6、7）的中径φ比例关系设定为φ:Y1=2～5.5：1。

要实施主筒的翻边插接孔成形，主筒1上切割加工轮廓形状有鲜明的独有特征，与整体翻边的已有技术迥异，属于发明所要求的技术特征。

若从支管顶俯视，完整的翻边结构这种已有技术，其预孔是长轴平行于主筒轴线的简单椭圆；完整的插接预孔这种已有技术则是一个正圆。而发明结构的预孔图形，其外壁预孔包覆划线图样，则必须是如图9立体图的曲线。

本发明结构主筒的预割曲线绘制原理如图10所示，实线表示实际曲线。推导原理图仅绘出了第一象限的部分，其他部分可以对称划出；图10原理图略去了圆角过渡部分。图中虚线小椭圆是完整翻边使用的简单预割曲线；完全的插接马鞍形预孔曲线一般是一周三角曲线。发明持有的预割曲线，充分考虑了放样切割时的切割方向因板厚效应带来的误差，在曲线设计上予以补偿，在插接部分可以使用近似大椭圆的轮廓。插接若使用椭圆时，曲线的变量关系如下：

$X=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{a^2-{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{Y}^2}& 0\≤Y\≤Y1\\ \frac{X2-X1}{Y2-Y1}Y-\frac{X2-X1}{Y2-Y1}Y1+X1& Y1\≤Y\≤Y2\\ \sqrt{A^2-{\left(\frac{A}{B}\right)}^2{Y}^2}& Y2\≤Y\≤B\end{array}\right.$

其中，Y1为翻边结构顶部半宽度，Y2为翻边结构根部半宽度；X1为Y1的X轴坐标，X2为Y2的X轴坐标；b为全翻边预孔短半轴，a为全翻边预孔短半轴；B为全插接预孔长半轴，A为全插接预孔短半轴。

图10所示形状曲线划线步骤可有以下不同的实施例：曲线可以在金属板材滚圆前，在平板板面上直接划线或样板划线，切割孔后卷滚板料；曲线也可以在卷滚成形的圆筒外壁或内壁上直接划线或包覆样板划线后，切割预孔。

本发明持有的主筒预割曲线，在最佳实施例中，插接部分使用了精确的三角曲线。主筒上插接马鞍孔部分预割放样曲线的推导原理，如图11轴测立体图所示，可以推导出曲线的变量关系如下：

$y=\±R\arcsin \frac{\sqrt{r^2-x^2}}{R},x\∈[-r,r]$

其中R为主筒半径，r为支筒半径。

主筒预孔切割成形后，待翻边前的状况如图12所示。经过模具翻边后，主筒的翻出部分要经过手工修磨，达到如图4理想的成形效果。

翻边插入结构的支管加工形状，是发明技术的必要组成部分。支管制造步骤方法按组成零件区分，可有图7和图8两种实施例。

按照组对焊接顺序又可分为两种实施例：一种是图7、8那样，支筒5（或6、7）先与法兰4（或8）焊成支管，支管再与主筒序1焊接连接；另一种是主筒先与支筒焊接为一体，法兰再焊上去。

按照支管上特殊插接边缘的加工方法又可分为两种实施例：一种是此轮廓主要采用机加工设备的冷加工成形；一种是基于放样展开划线（可制造划线样板，或直接在零件表面直接划线）划轮廓线，然后主要使用热切割方法成形，另外，划线可以划在平板板面上，也可以划在支筒圆筒的外圆面上。

支管的形状轮廓线，若使用放样展开划线，然后热切割成形，该放样切割成形实施例，核心技术在于基础三角曲线轮廓的公式原理推导。支管上翻边插接轮廓放样精准曲线，依赖于坐标公式的科学推导，按照图13所示，可以推导出该放样轮廓曲线的基础三角曲线部分的公式，该三角曲线的变量关系如下：

其中，D为主筒直径，d为支筒直径；Δy为支筒翻边处距离主筒表面最短距离；为弧度α对应的弧长。

利用该公式，借助计算机辅助，可以绘制出支筒上放样切割轮廓的精准样板，将该样板包覆在支管外壁上，实际的划线效果如图15所示。图15中支筒外壁上中部的线条，其曲线部分即是按照以上三角曲线的变量关系绘制出来的。在图15中表示了支筒外壁放样切割的实际效果，在图中同时展示了包覆在筒外壁上的划线样板曲线展成平面的效果。图15是按照支筒先成形，后焊接法兰的工艺实施顺序。图16则表示支筒先与其法兰焊接成一体的支管，在支管上再成形出最终外廓形状的工艺实施顺序。

图15所示曲线划线步骤可有以下不同的实施例：曲线可以在支筒金属板材滚圆前，在平板板面上直接划线或样板划线，切割轮廓后卷滚板料；曲线也可以在卷滚成形的圆筒外壁或内壁上直接划线或包覆样板划线后，切割出与主筒的结合形状。图16所示曲线划线也可有不同的实施例：通过筒壁直接划线或包覆样板划线。

图15表示了支筒外壁放样划线样板的平面放置图，以及包覆了该放样图后切割出的立体轴测效果图。图16则表示了支筒与法兰焊成支管后，外壁放样划线样板的平面放置图，以及包覆了该放样图后切割出的立体轴测效果图。

要达到翻边插入结构主筒与支管之间焊接坡口的精确吻合，需要对焊接接头处坡口进行打磨和清理。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，其特征在于，包括主筒和焊接于主筒上的支筒；在同一支筒和主筒连接的圆周上设有翻边结构和插接结构；

所述高压电气壳体翻边插接一体化结构包括若干翻边结构和若干插接结构；翻边结构和插接结构间隔排布，在同一支筒和主筒的连接的圆周上连接为一体；

翻边结构设置于主筒上并与局部插接孔缘相连；与主筒翻插口缘啮合对接的预制支筒焊接于翻插结构的主筒上，翻边结构和插接结构在支筒和主筒连接的圆周上连接为一体。

2.根据权利要求1所述的一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，其特征在于，翻边结构和插接结构均匀间隔排布。

3.根据权利要求1所述的一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，其特征在于，所述高压电气壳体翻边插接一体化结构包括两个翻边结构，该两个翻边结构的中心连接线平行于主筒的轴线。

4.根据权利要求1所述的一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，其特征在于，支筒的中径与翻边结构的半宽度之比为(2：1)～(5.5：1)。

5.根据权利要求1所述的一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，其特征在于，翻边结构设置于主筒上，主筒上的预孔放样划线曲线为：

$X=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{a^2-{\left(\frac{a}{b}\right)}^2{Y}^2}& 0\≤Y\≤Y1\\ \frac{X2-X1}{Y2-Y1}Y-\frac{X2-X1}{Y2-Y1}Y1+X1& Y1\≤Y\≤Y2\\ \sqrt{A^2-{\left(\frac{A}{B}\right)}^2{Y}^2}& Y2\≤Y\≤B\end{array}\right.$

其中，Y1为翻边结构顶部半宽度，Y2为翻边结构根部半宽度；X1为Y1的X轴坐标，X2为Y2的X轴坐标；b为全翻边预孔短半轴，a为全翻边预孔长半轴；B为全插接预孔长半轴，A为全插接预孔短半轴。

6.根据权利要求1所述的一种高压电气壳体翻边插接一体化结构，其特征在于，主筒上焊接有两个相邻的支筒，两个相邻的支筒的中轴线所在的平面垂直于主筒的中轴线，两个相邻的支筒的中轴线之间的夹角为β，90°≤β＜125.48°。