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摘要：共箱母线中支柱绝缘子受力效果将直接影响高压GIS开关设备的故障率，故而需对其进行深入研究。在此之上，本文简要分析了高压GIS开关设备共箱母线内支柱绝缘子的受力类型，并通过合理计算受力数值、明确受力安全系数、确定设备安装尺寸、精准把控温度因素等方面，对其受力情况展开了细致讨论。
关键词：高压GIS开关设备；共箱母线；支柱绝缘子
前言：高压GIS开关设备因其具有较强的安全性，且维修周期高于20a，故而在配电事业中有着广泛的应用空间。而共箱母线中支柱绝缘子的受力情况不但影响着设备运行状态，而且还会对机械强度带来一定破坏。所以，合理控制支柱绝缘子元件的绝缘性与受力趋势可为高压GIS开关设备的使用带来重要保障。
一、高压GIS开关设备共箱母线内支柱绝缘子的受力类型
（一）重力
高压GIS开关设备在电力工业领域具有重要作用，尤其随着GIS产品的多元化发展，GIS作为带有绝缘性质的组合式电源产品，能够将变电站中的断路器、互感器、接地开关等装置封闭保管在金属壳体中，并在其中注入0.5MPa左右的六氟化硫气体，从而达到最佳绝缘性质。而高压GIS开关设备共箱母线主要是由支柱绝缘子、导体、罐体、触头等元件构成，其中支柱绝缘子的受力性能是影响设备运行效果最重要因素。
支柱绝缘子具体是利用“三相导体固定法”将其安放在共箱母线中，从而保证高压GIS开关设备具有良好的稳定性与绝缘性。同时，支柱绝缘子还能提供一定的支撑力。在对高压GIS开关设备共箱母线内支柱绝缘子的受力进行研究时应充分考虑到自身重力因素下所形成的机械强度，由此促使支柱绝缘子在共箱母线中体现出真正的绝缘效用。
（二）电动力
在高压GIS开关设备运行阶段，一旦出现短路电流将对共箱母线中的支柱绝缘子产生较大的压力影响，这是源于导体碰撞会形成一定的电动力，从而对设备结构带来相应影响。因此，在对其进行受力分析时还需注重支柱绝缘子所需承受的电动力类型，保证受力分析结果更加准确。
（三）安装应力
在安装支柱绝缘子时还会受到连接螺栓阻力的影响而造成安装不到位后果。所以，在受力分析过程中还需意识到安装应力的重要性，将其安装到预留位置处，从而达到最佳绝缘效果，防止设备运行出现故障或机械强度不达标等现象。
（四）冷热应力
由于高压GIS开关设备中设有金属导体，故而在固定支柱绝缘子时金属材料会受到“热胀冷缩”原理的影响而发生温度变化，进而产生冷热应力。同时，在金属导体热膨胀系数不同的条件下，也会受温度干扰而发生位移，由此改变支柱绝缘子弯矩等参数值。
二、高压GIS开关设备共箱母线内支柱绝缘子的受力分析
（一）合理计算受力数值
在高压GIS开关设备共箱母线中的支柱绝缘子元件的受力分析过程中应合理计算出具体受力数值，以此为后续机械强度的研究提供参考依据。
（1）重力计算，在高压GIS开关设备共箱母线中存在对称结构，在设备保持正常运行状态的情况下，对称结构的受力数值相同且受力条件最为复杂。通常情况下，在计算支柱绝缘子等效重力数值时，应参照下述计算公式得出具体数值，以便研究人员更准确的了解元件受力对设备的影响程度。
等效重力=共箱母线铜类金属导体重力+支柱绝缘子自身重力=-800N
（2）电动力计算，在高压GIS开关设备形成短路电流时，对称导体所受电动力属于负相关关系，即Ia=-Ib。此时可将其电流值设为125000A、两相导体长度为2.5m，且导体中心间距为0.2446m。
结合下列计算公式可计算出电动力受力数值：
短路电流下电动力受力数值=2×10-7×a相导体电流值×b相导体电流值×两相导体长度/导体中心间距
由此可得出短路电流状态下电动力受力值为31940N，因共箱母线中的支柱绝缘子具有对称性，故而平均每个支柱绝缘子需要承受15900N的电动力，而运用弯矩与电动力之间的关系式可得出支柱绝缘子需要承受的具体压力及弯矩。
（3）安装应力计算，安装应力可利用螺栓阻力的调整进行客观消除。所以，在进行受力分析时，安装应力可忽略不计。
（4）冷热应力计算，在对冷热应力进行计算时主要影响因素包括金属导体热膨胀系数、导体间距、额定电流等，以此得出位移偏差值，这样可保证在温度变化条件下知晓支柱绝缘子位移变化情况，进而为设备后期调节操作带来辅助作用[1]。
（二）明确受力安全系数
在高压GIS开关设备共箱母线中的支柱绝缘子受力分析过程中还应进一步明确安全系数，由此保证设备能够实现良好的运行状态，进而降低维修率。以上述假设的数值为依据可分别得出支柱绝缘子在横纵向的受力值及横向上合力为-11292.5N，而纵向上合力为10492.5N，经过分析还可掌握在立体空间方向的Z轴上支柱绝缘子合力为1832N。
由于在横向上的合力会对共箱母线中的支柱绝缘子进行施压，故而应保证在设计环节支柱绝缘子具有较强的耐压性。同时，还应将其破坏极限值保持在25000N之上，并保证实际安全系数低于理论安全系数2.34，这样才能避免在遭受破坏时引发危险事件。只有支柱绝缘子具有较强的安全性，才能展现出显著的绝缘优势。
（三）确定设备安装尺寸
在安装支柱绝缘子时常需结合螺栓受力情况确定安装尺寸与位置。通常情况下，螺栓在弯曲破坏负荷基础上会形成较大的拉力，而在扭转破坏负荷条件下会产生预紧力。所以，在设计安装尺寸时应考虑到连接螺栓的拉力数值，由此得出最适合的尺寸。经过计算后在机械破坏弯曲负荷达到16kN时，连接螺栓所需承受的剪应力应为10.2N/mm2，且安装孔直径可设为400mm，此时螺栓能够满足实际剪应力要求，并且不会对支柱绝缘子带来较大的负面影响。同时，还应结合螺栓最大拉力对支柱绝缘子尺寸进行复核。
比如在M16螺栓下其应力为580N/mm2，而剪应力应保持在348N/mm2，这样才能促使支柱绝缘子在螺栓的支持下产生较强支撑力。此外，还应选择与螺栓相配套的螺母。当螺母规格为M8级时，对应的螺栓等级可选择8.8级的螺纹状螺栓，以此避免在使用期间出现大量啮合而降低结构强度。据此，支柱绝缘子应在恰当的螺栓螺母下确定好安装尺寸[2]。
（四）精准把控温度因素
支柱绝缘子在高压GIS开关设备中具有突出的绝缘性与支撑作用。所以，在对其受力情况进行深入分析时，应精准把控好温度因素的影响程度，以免在骤然温升状态下破坏共箱母线中支柱绝缘子的实用性。
首先，应结合具体规格构建仿真模型，由此在不同温度下直观了解支柱绝缘子受力信息。以瓷支柱绝缘子为例，它的组成材料包括水泥胶合剂、含硅瓷质等。由于不同材料热膨胀系数存在差异。因此，在温度变化时，材料性能会受到干扰；其次，在仿真几何模型基础上对支柱绝缘子受力分布情况进行分析，从中可知：在低温与高温不同环境下，温度降低会对瓷支柱绝缘子带来剧烈影响，在温度下降至-50℃时，水泥胶合剂的应力可达到50MPa左右；最后，为了防止支柱绝缘子绝缘性遭受破坏，应避免发生骤然降温现象。
结论：综上所述，分析高压GIS开关设备共箱母线内支柱绝缘子的受力情况，可为设备运行提供重要依据。所以，应注重支柱绝缘子的绝缘性，并把控好其它硬性要求，以免影响高压GIS开关设备实际性能。同时，还可从受力计算、安全系数、安装尺寸、温度因素等方面着手，从而扩大GIS产品的研发范围。
参考文献：
[1]朱俊霞,吴盛刚,康志林.高压开关设备在电力系统中的作用及发展方向[J].电器工业,2019(11):71-75+78.
[2]李紫璇,丁克,郝留成.特高压气体绝缘金属封闭开关设备用Al_2O_3/环氧树脂复合材料的非等温固化动力学及蠕变性能[J].复合材料学报,2020,37(03):562-572.
作者简介：刘焘（1982.08.18）；性别：男，籍贯：山东省新泰市，
学历：大专，现有职称：中级工程师；研究方向：电力工程。