1 概述
GIS开关设备共箱母线系三相共箱封闭式，壳体内充一定气压的SF6气体，通过支柱绝缘子将三相导体固定在使其结构成为三角形布置的位置上，对导流母线具有绝缘和支撑作用，详细结构见图1所示。
2 支柱绝缘子的受力类型
共箱母线在高压运行条件下，支柱绝缘子不但承受一定电负载下的绝缘作用，而且还要能够承受以下各种力作用下的机械强度：
1)重力
支柱绝缘子在共箱母线内承受着自身和导体的重力作用；
2)热胀冷缩产生的应力
高压GIS开关设备中的导体通常是铜质与铝合金配套使用，导体通过支柱绝缘子两点固定时，铜质导体与铝合金导体、铝合金筒体的热膨胀系数不一致，由于热胀冷缩效应，使两种相互连接的材质间产生相对位移，从而相当于给支撑导体的支柱绝缘子施加弯矩；
3)电动力
在短路电流的作用下，导体间会产生最大的电动力，所以支柱绝缘子还承受电动力的作用；
4)安装时的应力
支柱绝缘子由调节螺钉经过调整并拧紧，如果调节螺钉没有调整到理想的位置，将产生安装应力。
3 支柱绝缘子的受力分析及计算
由于GIS共箱母线的结构相同，取其中一节母线进行受力分析，其简化的数学模型如图2所示。
图中将支柱绝缘子直接固定在壳体上，通过紧固螺钉拧紧并与其它元件相连，支柱绝缘子等效为一定直径的环氧树脂棒，紧固螺钉等效为一定直径的金属棒共箱母线布置结构中的A相与C相对称，在正常运行条件下，受力相同并长期承受弯矩的作用，且受力最苛刻。因此，取A相进行受力分析，结构参数及其坐标系见图3。
通过以上对GIS开关设备共箱母线的布置结构进行数据模型简化，并对支柱绝缘子进行受力分析后，计算分析如下：
1)重力
根据铜质导体和用环氧树脂浇注的绝缘子材料属性，可以计算出等效总重力为G，其方向为Y轴的负方向，如图3所示：
G=G1+G2=-800N
G-等效总重力；
G1-铜质导体的重力；
G2-支柱绝缘子的重力。
2)电动力
当A，B两相出现短路故障时，A相导体所受的电动力最大，此时假设IA=-IB=125kA，L=2.5m，D=0.2446m，大电流产生的电动力为：
Fd=2×10-7IAIBL/D(N)
=2×10-7×1250002×2.5/0.2446
=31940N
式中 IA-A相导体中流过的电流，A；
IB-B相导体中流过的电流，A；
L-A、B两相导体的长度，m； I
D-A、B两相两导体中心的距离，m。 I
由于GIS开关设备共箱母线内每相导体由两只绝缘子支撑(见图1)，因此每只支柱绝缘子所受的电动力为：
Fdl=Fd/2=15970N
Fd的方向为沿A，B两相导体中心连线的方向，且远离A相、B相导体，与Y轴的夹角为45°，如图3所示。将Fd沿X轴、Y轴方向分解，则有：
Fdx=-Fdsin45°=-11292.5N，该力将使绝缘子受压。
Fdy=Fdcos45°=11292.5N，该力将使绝缘子承受向上的弯矩。
Fdx将使支柱绝缘子受压，Fdy将使支柱绝缘子承受向上的弯矩。
3)热胀冷缩产生的力
铜材的线膨胀系数为α1=17×10-6(1/℃)；
铝材的线膨胀系数为α2=22×10-6(1/℃)；
运行时铜导体的最大允许温升为50K，铝筒体的温升为30K；两固定点之间的距离为L=1.1m(见图1)。型式试验时，当导体内通以额定电流为3150A，导体的温升为40.4K，铝简体的温升为14K。在此条件下，导体与筒体之间的相对位移S为：
S=L·(40.4α1-14α2)
=1.1×(17×10-6×40.4-22×10-6×14)
=0.42mm
支柱绝缘子可动端的位移S1为：
S1=S/2=0.42/2=O.21mm
假设此时导体施加给绝缘子的力为P=4000N，两种材料的属性参数见表1，则在此条件下绝缘子的位移由两部分组成：
(1)支柱绝缘子在力P的作用下所产生的位移△S1；
(2)紧固螺钉在力P的作用下所产生的位移△S2；
△S1=PL1/E1A1
=4000×153÷(5000×1300)
≈0.094mm
△S2=PL2/(E2A2)
=4000×25÷(206000×201)
≈0.0024mm
因此，总位移Sz为Sz=△S1+△S2
=0.094+0.0024
=0.0964mm
由于位移与力的大小成正比，位移S1=0.2105时绝缘子上的力为Fr，且力的方向沿Z轴正方向，根据比例因子关系：
P/S1=Fr/Sz
Fr=0.0964×4000÷O.21≈1832 N
4)安装时的应力
由于安装时的应力可以按照安装规程的要求通过调节螺钉来消除，因此在计算时不考虑该力的作用。
4 支柱绝缘子的安全系数
根据以上分析，绝缘子各坐标轴上的受力如图4所示。
X轴方向上的合力为：FX=Fdx=-11292.5N；
Y轴方向上的合力为：FY=FDy+G=11292.5-800=10492.5N；
Z轴方向上的合力为：Fz=Fr=1832N；
由于X轴方向上的合力对支柱绝缘子产生压力，而支柱绝缘子的耐压强度很高，因此分析时仅考虑Y轴及Z轴方向上的力对绝缘子形成的弯曲作用。共箱母线在正常运行时的最大弯曲力为Fw。
Fw=(FY2+Fr2)1/2≈10651N
由于支柱绝缘子允许破坏力PT≥25000N，型式试验时的实际允许破坏力PS≥50000N，该支柱绝缘子允许破坏时的安全系数KT为：
KT=PT//Fw=2.34
实际允许破坏时的安全系数Ks为：
Ks=PS/FW=4.69
5 结束语
绝缘件是高压GIS开关设备中的关键元件，在进行其结构设计时，不但要保证其具有可靠的绝缘性能，而且还要满足各项机械强度的要求。因此，对绝缘子的各方面性能都必须经过严格、全面的理论计算分析。只有这样，才能减少GIS产品在运行过程中出现的各种故障。
