Конструирование оболочек.
Характерной чертой конструкции герметизированных распределительных устройств (ГРУ) является размещение всех элементов внутри герметичной оболочки. Эта особенность присуща в настоящее время и некоторым типам КРУ 6-35 кВ (EML фирмы ВВС), однако используемые в ГРУ высокие давления (для элегаза до 0,6 МПа) обусловливают значительно более высокие требования к механической прочности оболочки. Для изготовления оболочек ГРУ широко используются сплавы на основе алюминия, значительно реже — сталь. Как правило, при конструировании ГРУ допускаются возможные колебания рабочего длительно существующего в ГРУ давления, воздействующего на оболочку в течение всего срока службы. Это обусловлено температурой газовой среды внутри ГРУ, зависящей от температуры окружающей среды и теплоты, выделяющейся в токоведущих элементах, а также некоторой потерей элегаза вследствие утечек через герметичные уплотнения стыков элементов оболочки, неплотности сварных швов, уплотнения тяг приводов выключателей и разъединителей и т.д.
В отечественных аппаратах допустимая утечка элегаза составляет 1,5 % объема в год. В лучших образцах ГРУ утечка не превышает десятых долей процента в год. Это достигается тщательные анализом и высокой технологией изготовления газоплотных сварных швов, высоким качеством обработки и применением специальной формы поверхности уплотнительных канавок, а также использованием высококачественных резин и полиуретана, совмещающих способность заполнять микроскопические дефекты поверхности с несминаемостью и постоянством свойств в требуемом температурном диапазоне. Надежность уплотнений достигается применением двойных концентрически расположенных прокладок, внешняя из которых дублирует внутреннюю.
Для отечественных ГРУ класса 110 кВ диапазон допустимых колебаний давления составляет 0,35-0,55 МПа. Для испытания оболочек на механическую прочность используют повышенное давление в соответствии с правилами Котлонадзора.
Выбор толщины стенки герметичного корпуса.
При работе аппаратов, использующих в качестве изолирующей и дугогасящей среды сжатые газы, необходимо обеспечить высокую прочность герметичного корпуса. Усилия, развивающиеся в стенках корпуса, зависят от избыточного давления р и формы корпуса. В настоящее время наибольшее распространение получили цилиндрические оболочки, снабженные сферическими или эллиптическими днищами, а также требуемым числом патрубков различного диаметра, перпендикулярных образующей цилиндра. В такой конструкции толщина стенки цилиндра д определяется необходимой прочностью цилиндрической части без учета днищ и патрубков.
Для оценки напряжений, возникающих в стенке цилиндра, следует определить силу, направленную на разрыв оболочки, и сопоставить ее с прочностью стенки. Сила, направленная вдоль оси цилиндра, равна произведению избыточного давления р и площади поперечного сечения л D >2/4, где D — внутренний диаметр цилиндра.
Если рассматривать силу, стремящуюся разорвать цилиндр вдоль образующей, то на единицу длины цилиндра она оказывается равной pD. Площадь сечения стенки меридиональной плоскостью равна 25, а их отношение о = pD/(2d), т.е. вдвое больше, чем в осевом направлении.
Таким образом, толщина стенки должна обеспечивать предел прочности меридианального сечения
По ГОСТ 14249-89:
для углеродистых и низколегированных сталей
пред = m
для аустенитных сталей
где ат — минимальное значение предела текучести при расчетной температуре, МПа; сг0 2 — минимальное значение условного предела текучести при расчетной температуре (напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 0,2 %), МПа; ств — минимальное значение временного сопротивления разрыву (предела текучести) при расчетной температуре, МПа; ад105 — среднее значение предела длительной прочности в течение 105 ч при расчетной температуре, МПа; ios — средний 1 %-ный предел ползучести в течение 105 ч при расчетной температуре, МПа, о1% — минимальное значение условного предела текучести при расчетной температуре (напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 1%), МПа; пг = 1,5; пв- 2,4; пя = 1,5;
Стенки цилиндрических сосудов имеют, как правило, сварные швы вдоль образующей цилиндра. Учитывая возможное ослабление конструкций в месте сварного шва, вводят коэффициент прочности продольного сварного шва <рр, а для компенсации коррозии толщину стенки увеличивают на величину с, равную, как правило, 1 мм.
Выбор формы и толщины днища выполняют исходя из аналогичных соображений на основании требований ГОСТ 25215-82 и 25221-82, а конструкция патрубков и меры обеспечения прочности подсоединений — в соответствии с ГОСТ 24755-89.
Стандартные эллиптические днища выполняются со следующим соотношением размеров: Н = 0,25D; R = D. Коэффициент <р= 1 для днищ, выполненных из целой заготовки, однако он может быть уменьшен до 0,8 в зависимости от вида сварного шва при изготовлении днища из нескольких заготовок.
Перед заполнением элегазом полости аппарата следует вакуумировать. Для выбора толщины стенки оболочки по условию работы с избыточным внутренним давлением р > 0,11 МПа дополнительная проверка на устойчивость при вакуумировании не требуется.
Для изготовления корпусов ГРУ классов напряжения 110 кВ и выше в России используются сплавы на основе алюминия. Особенности применения цветных металлов в корпусах сосудов, работающих под давлением, следует учитывать в соответствии с требованиями ГОСТ 26158-84. При этом в расчете используются приведенные выше формулы, однако предельные напряжения и коэффициент прочности сварного шва определяются по таблицам, приведенным в стандарте.
Механическая прочность оболочки может быть нарушена при длительном горении дуги КЗ между оболочкой и элементами высокого напряжения. Однако, как показано выше, современные средства релейной защиты обеспечивают отключение аварийного участка с временем отключения, не превышающим 10 мс. При этом термическое воздействие дуги недостаточно для изменения прочностных характеристик оболочки даже в случае использования легкоплавких сплавов на основе алюминия. Процесс горения дуги должен, однако, учитываться при выборе расчетного давления.