CN110492411B - 一种穿墙套管安装结构及安装方法 - Google Patents

一种穿墙套管安装结构及安装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种穿墙套管安装结构及安装方法，该安装结构包括穿墙套管和绝缘拉棒；在所述穿墙套管的两端分别连接安装有绝缘拉棒，两所述绝缘拉棒的另一端用于安装阀厅墙体中，使得穿墙套管和两绝缘拉棒三者之间整体成三角形状。通过增设绝缘拉棒可有效改善穿墙套管穿墙支点的受力性能，穿墙支点基本不承受水平荷载和转动荷载，穿墙支点承力系统受力路线清晰；同时，通过增设绝缘拉棒可显著降低穿墙套管悬臂端承受的重力荷载和竖向荷载作用下的弯矩，大大改善悬臂端的内力分布。通过增设绝缘拉棒可显著降低地震作用下穿墙套管根部的应力，并大大减少套管顶部的位移，对确保强震作用下套管的安全和设备正常使用具有重要的作用。

Description

一种穿墙套管安装结构及安装方法
技术领域
本发明涉及穿墙套管安装，具体涉及一种穿墙套管安装结构及安装方法。
背景技术
实施“西电东送”是中国能源与电力工业的基本战略，可实现大范围的资源优化配置和能源供给，对解决东中部地区电力供应及环境问题具有重要的现实意义。高压直流输电在远距离、大容量输电和区域电力系统联网方面具有显著优点，在构建中国未来电网格局中将发挥重要的更大作用。穿墙套管作为高压直流输电系统的重要设备，价格昂贵，是换流站的“咽喉”，具有连接阀厅和直流场的重要功能，是换流站最为关键的设备之一。穿墙套管一般安装在阀厅的墙体上，分为户内、户外两部分，为典型的单支点长悬臂结构，套管在长期重力荷载、风荷载及电动力等荷载作用下，结构受力较为复杂，往往会导致套管机械损坏，从而引发外绝缘击穿、SF6气体泄漏等重大事故。有资料显示，在1982年以前全世界近30个高压直流换流站中，平均每年每站的闪络事故率不到1次。但是自1984年以来，随着电压等级的升高，越来越多的400kV及以上等级的换流站相继投入运行，穿墙套管的闪络事故明显上升。例如，美国太平洋联络线+500kV直流升压工程在投运不到一年的时间内就闪络了7次；巴西伊泰普+600kV直流工程，投运仅半年就闪络了23次；我国葛上直流工程运行两年时间内，穿墙套管就闪络了7次。国内有单位统计了国内外有代表性的12个400kV及以上换流站穿墙套管及设备外瓷套闪络和事故情况，在统计到的100多次闪络事故中70％是穿墙套管的闪络。
2017年，国内某500kV换流站极2直流穿墙套管因SF6压力过低而报警，现场检查极2高压穿墙套管的SF6表计压力为1.2bar并持续下降，导致直流穿墙套管SF6压力低而导致跳闸。现场停电检测发现套管阀厅外侧法兰侧第一片与第二片复合绝缘子之间存在明显裂纹，套管其他部位未见异常。
越来越多的换流站穿墙套管事故表明，一方面，穿墙套管在强电场环境下，很容易引起套管局部场强过高，从而导致绝缘介质的电击穿和绝缘损坏，另一方面，是因为随着电压等级越来越高，穿墙套管的外形尺寸越来越大，由于功能要求使得穿墙套管安装成长悬臂结构，在墙体支点处弯曲应力过于复杂，尤其是穿墙套管在地震荷载和长期脉动风荷载作用下形成套管末端法兰连接处的振动疲劳，从而导致结构和机械损坏等问题。因此探究解决高压直流穿墙套管绝缘和机械安全等技术问题，除了研制和采用新的绝缘材料之外，还有必要优化穿墙套管的结构型式，提出合理的套管安装方案和设计方法，降低穿墙套管在重力、地震、风振等动力荷载作用下套管应力应变，提高穿墙套管的运行安全及可靠性。
国外有关穿墙套管的研究主要集中在绝缘结构、材料和电场优化分布、套管抗地震、套管安装工艺等方面，比如说找到有效的方法去改善套管内部的电场强度分布，使电场分布均匀化，提高起晕电压，增加电气绝缘强度，以达到绝缘优化的目的。国内外有关穿墙套管在脉动风、地震等动力荷载作用下的动态力学性能，绝缘材料疲劳损伤、抗震加固等方面的研究和技术方案较少。尤其是高烈度地区强震作用下，穿墙套管在墙体动力放大作用下，地震输入加速度往往达到1000Gal(Gal，是重力加速度单位)，在地震和重力荷载作用下，单点支撑的穿墙套管将出现大位移、变形、根部套管裂纹、断裂或套管从法兰中滑脱等损坏现象。同时，由于穿墙套管结构高柔，正常运行时在脉动风、操作、检修荷载作用下，很容易发生振动，导致玻璃钢套筒、硅橡胶及法兰胶装部位出现微裂缝，从而导致绝缘故障。随着电压等级的提高，高压穿墙套管户内、户外侧法兰根部附近出现裂缝或法兰胶装裂缝，导致绝缘介质泄露的故障不是个例，这类事故已经成为影响电网安全运行的关键技术瓶颈。
发明内容
为了解决现有穿墙套管容易在户内、户外侧法兰根部附近出现裂缝或法兰胶装裂缝的问题，本发明实施例提供了一种穿墙套管安装结构及安装方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种穿墙套管安装结构，包括穿墙套管，在所述穿墙套管的两端分别连接安装有绝缘拉棒，两所述绝缘拉棒的另一端用于安装阀厅墙体中，使得穿墙套管和两绝缘拉棒三者之间整体成三角形状。
所述两绝缘拉棒分别为户内绝缘拉棒和户外绝缘拉棒；所述户外绝缘拉棒的长度和穿墙套管位于户外的那一部分长度相同或者是户内绝缘拉棒的长度和穿墙套管位于户内的那一部分长度相同。
所述绝缘拉棒和墙体相连接的那一端连接安装有拉压型阻尼器，所述拉压型阻尼器安装在所述阀厅墙体中。
在所述绝缘拉棒靠近阀厅墙体的那一侧中安装有均压环。
在所述绝缘拉棒中还安装有拉力传感器。
在所述穿墙套管的穿墙支点位置处连接安装有阻尼弹簧，所述阻尼弹簧用于固定安装在阀厅墙体中。
在所述穿墙套管的穿墙支点位置处套设有内安装框；还包括外安装框，所述外安装框用固定安装在阀厅墙体梁柱上，外安装框位于内安装框的外围；在所述内安装框的上下两边框上均对称地连接安装有阻尼弹簧组，每组阻尼弹簧包括有两个阻尼弹簧，两个阻尼弹簧的另一端连接安装在外安装框的对应边框的同一安装节点上。
所述绝缘拉棒与水平线的夹角为40-50°。
第二方面，本发明实施例提供了一种穿墙套管安装方法，包括：
确定绝缘拉棒在阀厅墙体上的安装位置点B；
在安装位置点B的两个侧面上分别安装阻尼器；
在穿墙套管的两端分别连接安装绝缘拉棒，并将绝缘拉棒和对应的阻尼器相连接安装，以使得穿墙套管和两绝缘拉棒三者之间整体成三角形状。
所述穿墙套管安装方法还包括：
在所述穿墙套管的穿墙支点位置处套设内安装框，并在阀厅墙体梁柱固定安装外安装框，外安装框位于内安装框的外围；在所述内安装框的上下两边框上均对称地连接安装有阻尼弹簧组，每组阻尼弹簧包括有两个阻尼弹簧，两个阻尼弹簧的另一端连接安装在外安装框的对应边框的同一安装节点上；
在所述绝缘拉棒中还安装均压环和拉力传感器；
所述确定安装位置点B的方法为：
假定穿墙套管的穿墙支点的位置为支点A，穿墙套管的两端分别为点C和D，若AC大于AD，则AB等于AD，若AC小于AD，则AB等于AC。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、通过增设绝缘拉棒可有效改善穿墙套管穿墙支点的受力性能，穿墙支点基本不承受水平荷载和转动荷载，穿墙支点承力系统受力路线清晰，穿墙支点荷载主要承受竖向荷载，依靠设置的节点阻尼弹簧承担。
2.通过增设绝缘拉棒可显著降低穿墙套管悬臂端承受的重力荷载和竖向荷载作用下的弯矩，大大改善悬臂端的内力分布，尤其是绝缘拉棒端部设置的阻尼器，可耗散套管在脉动风荷载等作用下的振动能量，提高穿墙套管在重力、风荷载等运行荷载作用下的安全运行能力和可靠度，大大降低套管的全寿命周期损毁的概率。
3.穿墙套管安装位置较高，地震作用下墙体的动力放大系数往往超过2.0，穿墙套管在竖向地震作用下，穿墙套管根部将产生很大的弯曲应力，且对于复合材料套管来说，穿墙套管顶部的位移也会很大。通过增设绝缘拉棒可显著降低地震作用下穿墙套管根部的应力，并大大减少套管顶部的位移，对确保强震作用下套管的安全和设备正常使用具有重要的作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的穿墙套管安装结构的整体结构示意图；
图2为图1中的A处放大示意图；
图3为穿墙套管安装结构的静态受力简图；
图4为±800kV穿墙套管的外形图；
图5为±800kV穿墙套管安装结构的静态受力简图；
图中：1、穿墙套管；2、绝缘拉棒；3、拉压型阻尼器；4、阻尼弹簧；5、内安装框；6、外安装框；7、均压环；8、拉力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参阅图1所示，本实施例提供的穿墙套管安装结构包括穿墙套管1和绝缘拉棒2；其中，该穿墙套管1安装在阀厅墙体后为单支点长悬臂结构，为此，在该穿墙套管1的两端分别连接安装有绝缘拉棒2，两绝缘拉棒2的另一端用于安装阀厅墙体中，使得穿墙套管1和两绝缘拉棒2三者之间整体成三角形状。其中，该两绝缘拉棒2分别为户内绝缘拉棒和户外绝缘拉棒。
如此，通过增设绝缘拉棒可有效改善穿墙套管穿墙支点的受力性能，穿墙支点基本不承受水平荷载和转动荷载，穿墙支点承力系统受力路线清晰；同时，通过增设绝缘拉棒可显著降低穿墙套管悬臂端承受的重力荷载和竖向荷载作用下的弯矩，大大改善悬臂端的内力分布；此外，由于穿墙套管安装位置较高，地震作用下墙体的动力放大系数往往超过2.0，穿墙套管在竖向地震作用下，穿墙套管根部将产生很大的弯曲应力，且对于复合材料套管来说，穿墙套管顶部的位移也会很大。通过增设绝缘拉棒可显著降低地震作用下穿墙套管根部的应力，并大大减少套管顶部的位移，对确保强震作用下套管的安全和设备正常使用具有重要的作用。
作为本实施例所提供的穿墙套管安装结构的一种优选，在该绝缘拉棒2未和穿墙套管1相连接的那一端连接安装有拉压型阻尼器3，该拉压型阻尼器3固定安装在阀厅墙体上。如此，通过在绝缘拉棒端部设置的拉压型阻尼器3，可耗散穿墙套管1在脉动风荷载、地震等动力荷载作用下的振动能量，提高穿墙套管在重力、风荷载等运行荷载作用下的安全运行能力和可靠度，大大降低套管的全寿命周期损毁的概率。
作为本实施例所提供的穿墙套管安装结构的另一种优选，在该穿墙套管1的穿墙支点位置处连接安装有阻尼弹簧4，该阻尼弹簧4用于固定安装在阀厅墙体中。如此，通过在绝缘拉棒2的基础上再在穿墙套管穿墙支点位置处增设阻尼弹簧4，那么穿墙支点所承受的竖向荷载将会由阻尼弹簧4来承担，以进一步优化穿墙套管穿墙支点受力性能，发挥阻尼弹簧的柔性耗能节点作用，降低穿墙套管1振动幅度，进而可以进一步地减少或避免玻璃钢套筒、硅橡胶及法兰胶装出现微裂缝现象的发生。具体地，如图2所示，在实施例中，阻尼弹簧4的安装方式如下：在该穿墙套管的穿墙支点位置处套设有内安装框5；外安装框6固定安装在阀厅墙体上，外安装框6位于内安装框5的外围；在该述内安装框5的上下两边框上均对称地连接安装有阻尼弹簧组，每组阻尼弹簧包括有两个阻尼弹簧4，两个阻尼弹簧4的另一端连接安装在外安装框6的对应边框(即上、下边框对应上、下边框)的同一安装节点上。通过如此的安装方式，可以使得阻尼弹簧4更为有效、均匀地承担穿墙支点所承受的竖向荷载，以更进一步地减少穿墙套管振动疲劳现象的发生。
作为本实施例所提供的穿墙套管安装结构的再一种优选，在该绝缘拉棒2中还安装均压环7和拉力传感器8。均压环7是一改善绝缘拉棒2电压分布的环状金具，绝缘拉棒2靠近阀厅墙体一侧理论上应为零电位，为避免运行或雷电过电压导致电位尖峰出现，在绝缘拉棒2的墙体一侧设置均压环7，可以优化绝缘拉棒2阀厅墙体侧的电场分布，将高压均匀分布在物体周围，保证在环形各部位之间没有电位差，从而达到均压的效果。拉力传感器8的安装是可以实时显示阀厅户内、户外绝缘拉棒2的承受的拉力，可用于穿墙套管安装时平衡力系的调整，此外还可用于实时监测绝缘拉棒2的拉力状态，为运行检修提供数据支撑，确保本实施例所提供的穿墙套管安装结构处于设计平衡状态，确保穿墙套管的运行安全可靠。
此外，由于本申请设置绝缘拉棒主要目的是为了降低悬臂梁在重力荷载作用下产生的悬臂端弯矩，那么绝缘拉棒最为理想的安装方向是与重力作用反向，然而在实际工程上是无法实现，因此，绝缘拉棒2与水平方向的夹角越大越好，考虑现场安装位置的限制和系统的整体协调性，户、内外绝缘拉棒2与水平线的夹角Ф一般设置为40°-50°之间。同时，为了尽量地降低两绝缘拉棒2在阀厅墙体上的安装高度位置，以减少影响阀厅建筑的设计，该户外绝缘拉棒的长度和穿墙套管位于户外的那一部分长度相同或者是户内绝缘拉棒的长度和穿墙套管位于户内的那一部分长度相同，也就是说，可按照户内、外穿墙套管长度短的一侧来确定两绝缘拉棒的安装位置。
相应地，本实施例还提供了一种穿墙套管安装方法，包括：
确定绝缘拉棒在阀厅墙体上的安装位置点B；
在安装位置点B的两个侧面上分别安装阻尼器；
在穿墙套管的两端分别连接安装绝缘拉棒，并将绝缘拉棒和对应的阻尼器相连接安装，以使得穿墙套管和两绝缘拉棒三者之间整体成三角形状；
在该穿墙套管的穿墙支点位置处套设内安装框，并在阀厅墙体墙体上固定安装外安装框，外安装框位于内安装框的外围；在所述内安装框的上下两边框上均对称地连接安装有阻尼弹簧组，每组阻尼弹簧包括有两个阻尼弹簧，两个阻尼弹簧的另一端连接安装在外安装框的对应边框的同一安装节点上；在该绝缘拉棒中还安装均压环和压力传感器。
所述确定安装位置点B的方法为：
如图3所示，假定穿墙套管在支点A，户内、外绝缘拉棒与阀厅墙体分别相交于A点正上方的B1、B2点，户外套管斜拉点为C，户内套管斜拉点为D。户内、户外穿墙套管、绝缘拉棒及阀厅墙体分别组成两个三角形ΔAB1C，ΔAB2D。
可先假定ΔABD为等腰三角形确定B点的位置，即:
LAB＝LAD
Figure BDA0002128539290000061
式中，α为穿墙套管与水平方向的倾角，由工程设计确定。工程上也可先假定户外三角形ΔABC为等腰三角形确定B点的位置，主要看户内外套管的长度决定，原则上可按照户内外套管长度短的一侧来确定B点位置，尽量降低挂点B的高度。
绝缘拉棒与墙体连接的B点一经确定，接下来就可以按照静力平衡系统确定绝缘拉棒的预拉力大小。根据系统静力受力特点，系统在竖向、水平及绕支点转动平衡条件如下：
1.竖直方向，户内、户外绝缘拉棒的竖向分力加上节点A的竖向分力之和应等于穿墙套管的重力，理想状态下，穿墙套管的重力荷载应由三个支点均分来承担，即：
Fli-v+Flo-v+Fv＝Gi+Go
Figure BDA0002128539290000062
2.水平方向，户内、户外绝缘拉棒的水平分力相互抵消，支点A的水平荷载Fh＝0，即：
Fli-h＝Fli×cos(φ+α)＝Flo-h＝Flo×cos(∠BCF)
3.系统绕支点A转动平衡，∑MA＝0，即：
Flo×LAG+Gi×Lgicos(a)＝Fli×LAE+GO×Lgocos(a)
由上述条件1和几何系统可确定户外绝缘拉棒、户内绝缘拉棒的预紧力，进一步验算条件2、条件3是否满足水平方向和转动平衡，尽量减少支点A的水平荷载和转动荷载，降低支撑式阻尼弹簧的受力。
下面结合一个应用实例来对本发明进行进一步地说明：
某一换流站±800kV穿墙套管是由SIEMENS公司供货，型号为GSEW f/i23000/816-3125E5。800kV穿墙套管包括户外套管和户内套管，内外套管由金属套筒连接，通过金属套筒上设置的凸出连接板安装在高端阀厅外墙上，安装高度为16m，安装角度α＝10°。穿墙套管为等径套管，外径为742mm，设备总重约9吨，总长21.35m，其中户外套管长11.24m，户内套管长9.01m，套管外形图如图4所示。
采用本发明提出的方法在穿墙套管户内外顶部设置复合绝缘子拉棒，采用前面提到的计算方法，如图5所示，可得到某一换流站±800kV穿墙套管绝缘子拉棒阻尼减震系统的几何外形尺寸和拉棒静力荷载等参数。
从穿墙套管的外形尺寸可知，
LO＝11240mm，Li＝9010mm，L＝LO+Li＝11240+9010＝20250mm
α＝10°
LGO＝700mm
LHA＝16000mm
LHB＝Li＝9010mm
因此，穿墙套管绝缘拉棒挂点高度为离地高25010mm。
Figure BDA0002128539290000071
∠DAB＝100°
Figure BDA0002128539290000072
Figure BDA0002128539290000073
Figure BDA0002128539290000074
Figure BDA0002128539290000075
Figure BDA0002128539290000076
Figure BDA0002128539290000081
因此，户内、户外绝缘拉棒可选用长度相等，截面尺寸相同的复合材料绝缘子，保守取玻璃钢复合材料绝缘拉棒的破坏应力为300MPa。
计算可得到实心圆形截面的绝缘拉棒的最小半径r＝8mm，可虑工程可靠性，即安全系数k＝2.5，建议取半径r为20mm的实心圆形截面的绝缘拉棒。
绝缘拉棒的截面积A＝π×r2＝1256mm2
Fli-h＝Fli×cos(φ+α)＝25.2kN
Flo-h＝Flo×sin(∠ABC)＝46.7kN
如果，按照重力荷载均分导致绝缘拉棒的水平分量相差较大，可通过调整户内绝缘拉棒的预拉力，尽量使得Fli-h＝Flo-h。
经计算，若将Fli＝73kN时，Fli-h＝Flo-h
进一步验算系统绕支点A转动平衡，∑MA＝0
Flo×LAG＝Fli×LAE+Gi×Lgocos(a)
Flo×LAG＝Flo×LAB×sin(∠ABC)＝421kN·m
Fli×LAE＝Fli×LAB×sin(θ)＝422.8kN·m
Gi×Lgocos(a)＝62kN·m
如果，Fli＝73kN时，系统绕支点A转动不平衡，因此要适当调整Fli的预紧力大小，使得节点A处转动力较小。
经过计算，当取Fli＝62kN时节点A处转动力基本接近为零。
因此，实际上，节点A处水平作用和转动弯矩没有办法实现100％平衡，阻尼弹簧总是要承受一定的水平力和转动弯矩，但Fli可在62-73之间取值时可满足支撑点A处水平作用及转动作用均较小的要求。
当新松换流站阀厅800kV穿墙套管户内绝缘拉棒Fli＝66kN时
∑MA＝23.3kN·m
Fli-h＝Fli×cos(φ+α)＝42.4kN
Flo-h＝Flo×cos(∠BCF)＝46.7kN
∑FHA＝4.3kN，
可见，套管支点(A点)的水平向不平衡力为4.3kN，转动不平衡弯矩为23.3kN.m，这些荷载可由8个阻尼弹簧承担。当阀厅800kV穿墙套管户内绝缘拉棒Fli＝66kN、Flo＝55kN时，穿墙套管顶部C点、D点的竖向分量Fli-v、Flo-v及端部A点的竖向反力Fv分别为：
Fli-v＝Fli×sin(θ+α)＝51kN
Flo-v＝Flo×cos(∠ABC)≈30kN
Fv＝90-30-51＝9kN。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种穿墙套管安装方法，其特征在于，包括：
确定绝缘拉棒在阀厅墙体上的安装位置点B；
在安装位置点B的两个侧面上分别安装阻尼器；
在穿墙套管的两端分别连接安装绝缘拉棒，并将绝缘拉棒和对应的阻尼器相连接安装，以使得穿墙套管和两绝缘拉棒三者之间整体成三角形状；
还包括：
在穿墙套管穿墙支点位置处套设内安装框，并在阀厅墙体梁柱上固定安装外安装框，外安装框位于内安装框的外围；在所述内安装框的上下两边框上均对称地连接安装有阻尼弹簧组，每组阻尼弹簧包括有两个阻尼弹簧，两个阻尼弹簧的另一端连接安装在外安装框的对应边框的同一安装节点上；
在所述绝缘拉棒中还安装均压环和拉力传感器；
所述确定安装位置点B的方法为：
假定穿墙套管的穿墙支点位置为A，穿墙套管的两端分别为点C和D，若AC大于AD，则AB等于AD，若AC小于AD，则AB等于AC。
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