摘 要：直流穿墙套管是特高压直流输电工程的关键设备，直流穿墙套管通过穿墙筒体上的固定板与墙体进行连接，采用螺栓连接方式，穿墙筒体为主要承重零部件，采用高强度钢焊接成型，内部充有一定压力的SF6 气体，运行环境严苛，对于直流穿墙套管的安全可靠运行至关重要。从压力容器材料选取出发，开展了基于压力容器标准和内部故障电弧的筒体设计方法研究，确定筒体所需厚度，然后建立三维计算模型进行强度校核，计算结果表明，穿墙筒体机械强度满足使用要求。
关键词：直流穿墙套管；穿墙筒体；机械结构设计；压力容器
特高压直流输电具有输电容量大、输送效率高等特点，是未来建设坚强智能电网骨干网架的重要组成部分，是新能源等电力大规模远距离输送的最佳技术解决方案，是推动低碳型战略性新兴产业发展的重要力量。直流穿墙套管作为直流输电系统中的重要设备，承担着阀厅内部和外部高电压大容量电气设备的电气连接作用，承载了系统的全电压和全电流，是直流输电系统的关键设备。直流穿墙套管通过穿墙筒体上的固定板与墙体进行连接，采用螺栓连接方式，穿墙筒体为主要承重零部件，采用高强度钢焊接成型。该产品为整体水平安装，长度长、直径粗、质量大，中间固定，户内侧、户外侧套管悬臂梁结构，弯曲力矩大，易产生应力集中和变形，直流穿墙套管结构见图1。
图1 直流穿墙套管结构示意图
穿墙筒体作为套管的关键零部件之一，属于压力容器元件，在建造、安装和运行过程中，筒体设计对于穿墙套管的安全运行至关重要，压力容器设计是具有一定专业性的设计工作，需要设计人员从压力容器的选材、受力分析、强化措施、制造安装、检验、使用、维护等方面考虑。
1 穿墙筒体材料选取
压力容器壳体材料，直接影响压力容器的强度、安全性及可靠性，因此，设计选材时，应注意以下几点：
1.1 一般情况下，压力容器的受压元件不建议采用碳素钢材料Q235B 与Q235C。Q235B 钢板最低使用温度为20℃，Q235C 钢板最低使用温度为0℃，而电容压力容器壳体的使用环境温度一般都低于0℃。在温度较低的情况下，材料的力学性能会大大降低，从而降低电器产品的安全性。若基于某些因素（如经济性）使用Q235 系列材料，则应对容器壳体采取加热等措施，以满足材料使用规定。
1.2 当壳体的工作温度低于-20℃时，原则上需要采用低温用钢，如16MnDR 等，也可以采用Q345R。此时，按标准要求，需要对材料附加冲击功试验要求。
1.3 壳体设计温度不能超过材料允许使用范围。比如，若采用铝材5083 作为压力容器壳体，则设计温度不应大于65℃。
目前，压力容器的材料选择主要有钢材和铝合金材料两大类，综合对比分析，在满足使用条件和安全裕度的前提下，同时兼顾到成本，最终选取筒体材质为钢板Q345R。
2 筒体设计方法
电力系统用压力容器不同于化工行业的压力容器，前者一方面要考虑容器的强度，还要求满足容器的内绝缘和耐烧穿能力，因此，应从以下两个方面设计穿墙筒体。
2.1 基于压力容器标准的设计
一般情况下，设备的使用电压等级确定后，筒体的内径经过绝缘计算分析就已经确定了，根据设计压力，设计温度等条件，就可按式（1）确定筒体的计算厚度：
δ——壳体的计算厚度，mm；
δe——壳体的有效厚度，mm；
Di——壳体内径，mm；
Pc——计算压力，MPa；
[σ]t——设计温度下材料的许用应力，MPa；
φ——焊接接头系数，按GB150 选取。
式（1）得出的结果是筒体的计算厚度，而实际图纸上标注的厚度为名义厚度，即计算厚度与材料负偏差之和，再向上圆整到标准中规定的材料厚度。
2.2 基于内部故障电弧的筒体设计
在设计穿墙套管的筒体时，除上述设计方法外，还应考虑筒体耐受故障电弧时间大于保护系统动作时间。GB7674-2008中规定：额定短路电流小于40kA 时，故障电流在0.2s 内壳体不允许烧穿，故障电流在0.5s 内切除，筒体没有产生碎片；额定短路电流为40kA 及以上时，故障电流在0.1s 内壳体不允许烧穿，故障电流在0.3s 内切除，壳体没有产生碎片。
可参考壳体厚度计算公式：
t——烧穿时间，ms
C——材料系数
S——筒体厚度，mm
I——故障电弧电流，kA
2.3 小结
比较式（1）和式（2）的结果，取二者较大值，并留适当裕度同时考虑经济性。从上述设计方法可知，筒体厚度主要与设计压力、筒体内径、材料及采取何种焊接与检测方式等因素有关，材料确定后，设计压力越高，内径越大，筒体壁厚就越大，产品耐受内部故障电流大小及时间越大，筒体壁厚就越大。
3 仿真校核
穿墙筒体材料选取钢板Q345R，根据穿墙筒体设计方法的研究，确定穿墙筒体厚度为15mm，建立穿墙套管三维计算模型，模拟穿墙套管工程应用时的安装状态，采用ANSYS 有限元分析软件进行力学校核，计算结果见图2，通过计算结果可以看出，穿墙筒体上最大应力为45MPa，小于钢板Q345R 的许用应力，仿真计算结果满足要求。
图2 穿墙筒体力学计算结果
4 结论
4.1 穿墙筒体材料选取方面，对比了多种钢材和铝合金材料的力学性能，综合考核材料特性和经济性，筒体材质为钢板Q345R。
4.2 穿墙筒体设计主要从压力容器标准的设计和内部故障电弧烧蚀特性两个方面考虑，筒体厚度主要与设计压力、筒体内径、材料及采取何种焊接与检测方式等因素有关，材料确定后，设计压力越高，内径越大，筒体壁厚就越大；产品耐受内部故障电流大小及时间越大，筒体壁厚就越大。
4.3 通过三维建模进行力学仿真分析，模拟穿墙套管工程应用时的安装状态，通过计算结果可以看出，穿墙筒体上最大应力为45MPa，小于钢板Q345R 的许用应力，仿真计算结果满足要求。
