雙分裂設(shè)備線夾短路電流沖擊受力分析

劉建軍，高山，張建國

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市211103)

0 引言

設(shè)備線夾是連接導(dǎo)線和一次設(shè)備的關(guān)鍵金具。對設(shè)備線夾的機(jī)械載荷要求，現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)［1-2］和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［3］僅規(guī)定了握力，即沿導(dǎo)線方向的受力。然而，在220 kV及以上電壓等級的AIS變電站中，設(shè)備間多采用雙分裂導(dǎo)線進(jìn)行連接，當(dāng)變電站內(nèi)設(shè)備或站外線路發(fā)生短路時，平行布置的2根雙分裂導(dǎo)線之間會產(chǎn)生電磁引力，使導(dǎo)線產(chǎn)生大的張力和變形，這個由短路電流引起的導(dǎo)線張力稱為第一最大張力。第一最大張力作用在設(shè)備線夾上時，不僅表現(xiàn)為拉應(yīng)力的作用，更重要的是會在設(shè)備線夾上形成一個較大的彎矩，嚴(yán)重時會導(dǎo)致設(shè)備線夾變形甚至斷裂，引發(fā)設(shè)備故障。

以往設(shè)備線夾的斷裂原因分析主要偏重于材料性能方面［4-5］，本文結(jié)合一起壓縮型設(shè)備線夾經(jīng)受短路電流時斷裂的故障實例，依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范和材料力學(xué)理論，對設(shè)備線夾在短路電流下的受力進(jìn)行分析，提出設(shè)備線夾在設(shè)計、選型時應(yīng)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面核算短路電流耐受能力的觀點。

1 壓縮型雙分裂設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)

變電站常用的壓縮型雙分裂設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鑄造件A-B和壓接鋁管C兩部分焊接組合而成。A為矩形接線鋁板，B為過渡段實心圓柱體鋁棒，A－B為一個鑄造整體。空心壓接鋁管C與導(dǎo)線D(鋼芯鋁絞線)之間采用壓接方式連接。

2 短路電流下設(shè)備線夾受力分析

當(dāng)雙分裂導(dǎo)線中流過較大的短路電流時，兩側(cè)次導(dǎo)線及壓接鋁管相互吸引的電磁引力會在設(shè)備線夾的鋁板和過渡段實心鋁棒結(jié)合部位形成較大的彎曲應(yīng)力，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時，就會導(dǎo)致線夾斷裂，如圖2所示。

圖1 壓縮型雙分裂設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of compression-type double bundle terminal connector

圖2 設(shè)備線夾斷裂Fig.2 Fracture of terminal connector

對此設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)，力學(xué)上簡化為圖3所示的模型進(jìn)行分析。通過短路電流時，剛性的壓接鋁管受到均布的電動力Fmy，柔性的鋼芯鋁絞線導(dǎo)線受到相互吸引的電動力后形成沿導(dǎo)線軸向的張力T。張力T為導(dǎo)線的初始張力T0和第一最大張力Tm的合力，T=T0+Tm。

圖3 設(shè)備線夾受力分析示意圖Fig.3 Force analysis of terminal connector

2.1 壓接鋁管短路電動力計算

壓接鋁管為有限長導(dǎo)體，根據(jù)畢奧 －薩伐爾定律，在單相短路電流下，有限長平行導(dǎo)體的電動力Fmy為［6］

式中:μ0是真空磁導(dǎo)率，為4π × 10－7H/m;Icj為短路沖擊電流，Icj=1.8Im，Im為短路電流值，A;Kc是回路系數(shù)，為為平行導(dǎo)體長度，m;a為平行導(dǎo)體中心間距，m。

2.2 次導(dǎo)線張力計算

雙分裂次導(dǎo)線在短路電流電動力作用下發(fā)生相吸變形，產(chǎn)生第一最大張力Tm。第一最大張力Tm的計算分為次導(dǎo)線接觸和不接觸2種情況［7］，如圖4所示。

圖4 短路時次導(dǎo)線受力變形示意圖Fig.4 Deformation of sub-conductor by stress in short-circuit

(1)次導(dǎo)線變形后不接觸時的電動力Fmr和第一最大張力Tm為

(2)次導(dǎo)線變形后接觸時的電動力Fmr和第一最大張力Tm為

式中:L為次導(dǎo)線檔距，m;a為次導(dǎo)線分裂間距，m;b為次導(dǎo)線變形后中心間距，當(dāng)導(dǎo)線接觸時b取次導(dǎo)線直徑，m;f是次導(dǎo)線橫向變形量，為(a－b)/2，m;L2為次導(dǎo)線變形后接觸長度，m;Im為短路電流值，kA;arctan計算時取弧度。

(3)次導(dǎo)線初始張力T0。由于變電站內(nèi)設(shè)備間距較短，導(dǎo)線弧垂很小，設(shè)備線夾壓接鋁管處的應(yīng)力近似等于導(dǎo)線水平應(yīng)力［8］，T0=g·A·L/2，g 為導(dǎo)線自重比載，N/(m·mm2);A為導(dǎo)線的截面積，mm2。

由于次導(dǎo)線的初始張力與次檔距有關(guān)，當(dāng)次檔距確定時，初始張力為定值。

2.3 設(shè)備線夾受力分析

如圖3的設(shè)備線夾，其過渡段根部受壓縮鋁管電動力彎矩、導(dǎo)線張力彎矩和導(dǎo)線張力水平拉力的綜合作用，為應(yīng)力最大的部位，對此截面進(jìn)行應(yīng)力分析。

式中:Wz為設(shè)備線夾過渡段根部的抗彎截面系數(shù)，m3;Ly為壓接鋁管導(dǎo)線出口至過渡段根部的長度，m;Tx是張力T的水平分量，為T·cos(θ);Ty是張力T的垂直分量，為T·sin(θ);θ為次導(dǎo)線變形后的水平傾角;S為設(shè)備線夾過渡段根部的截面積，m2。

當(dāng)設(shè)備線夾過渡段截面的應(yīng)力σ≤材料的許用應(yīng)力［σ］時，設(shè)備可以安全承受設(shè)定的短路電流電動力。

3 實例計算與分析

在一次短路故障中，某500 kV變電站220 kV間隔流過的短路電流為41.397 kA，一只設(shè)備線夾(型號SSY－400/35A－120，材質(zhì)ZL102)發(fā)生了如圖2所示的斷裂。經(jīng)對設(shè)備線夾的材質(zhì)和斷口分析，確認(rèn)屬于瞬時斷裂，材質(zhì)性能基本符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，遂從結(jié)構(gòu)受力方面分析其受力狀況。

依據(jù)式(1)～(6)對設(shè)備線夾過渡段根部在短路電流時的應(yīng)力進(jìn)行計算，計算參數(shù)為:設(shè)備線夾過渡段直徑28.5 mm，壓接鋁管導(dǎo)線出口至過渡段根部的長度Ly=0.2 m，分裂間距a=0.12 m，次檔距L=2 m，導(dǎo)線直徑26.8 mm，導(dǎo)線自重比載g=0.031 1 N/(m·mm2)，短路電流值Im=41.397 kA。

計算結(jié)果:壓接鋁管部分的電動力Fmy=524 N，導(dǎo)線初始張力T0=13.23 N，由電動力引起的導(dǎo)線張力在不同變形程度時的變化如圖5所示。由于變電設(shè)備之間導(dǎo)線較短，Tm≥T0，因此導(dǎo)線初始張力在計算時可以不計。

由圖5可見，導(dǎo)線的第一最大張力在接觸前隨變形量的增大先減小后增大，當(dāng)次導(dǎo)線相互接觸后電磁吸力消失，張力隨接觸長度的增加而逐漸減小。而設(shè)備線夾過渡段根部的應(yīng)力σ不僅與張力值相關(guān)，而且與張力的角度θ相關(guān)。由式(6)可見，由于截面的抗彎截面系數(shù)Wz在數(shù)值上遠(yuǎn)小于截面面積S，因此張力的垂直分量導(dǎo)致的應(yīng)力所占的比重最大，并且隨變形程度的增加，變形角θ逐漸增大，所以設(shè)備線夾過渡段根部的應(yīng)力σ在次導(dǎo)線臨界接觸時取得最大值。

表1為不同變形量時應(yīng)力σ的計算結(jié)果，可以看出在次導(dǎo)線臨界接觸時(次導(dǎo)線中心間距為導(dǎo)線直徑26.8 mm)，應(yīng)力σ為最大值149 MPa。經(jīng)對設(shè)備線夾進(jìn)行材質(zhì)力學(xué)性能試驗，材料的抗拉強(qiáng)度為123～159 MPa，短路時設(shè)備線夾的應(yīng)力σ已超過了材料的最小實際抗拉強(qiáng)度，設(shè)備因此發(fā)生了斷裂。

圖5 不同變形量時的次導(dǎo)線張力Fig.5 Sub-conductor’s tension in different deformation

表1 次導(dǎo)線不同變形量時線夾過渡段根部應(yīng)力Tab.1 Stress of terminal connector root for different sub-conductor deformation

4 設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

壓縮型雙分裂設(shè)備線夾流過短路電流時其根部過渡段受到的應(yīng)力最大，所受應(yīng)力值與其截面面積、導(dǎo)線分裂間距、次檔距、短路電流、導(dǎo)線變形程度有關(guān)。因此變電站金具設(shè)計時需要結(jié)合一次設(shè)備耐受的短路電流，考慮設(shè)備線夾的結(jié)構(gòu)，防止在外部短路情況下設(shè)備線夾發(fā)生斷裂。

4.1 設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計要求分析

對實例中設(shè)備線夾進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析，因設(shè)備線夾為連接金具，安全系數(shù)取1.5［9-10］，耐受短路電流為50 kA時，其根部截面許用應(yīng)力［σ］≤155/1.5=103 MPa［11］，因此利用式(1)～(6)反向計算，可以得到設(shè)備線夾過渡段根部的直徑應(yīng)不小于37 mm，而其實際直徑只有28.5 mm，因此不具備耐受50 kA短路電流的能力。

4.2 次檔距設(shè)計要求分析

次檔距的設(shè)置已有較多的研究成果［12-14］，次檔距不僅會影響變電站構(gòu)架的受力，對設(shè)備線夾的受力也有重要影響。變電站設(shè)備間連接導(dǎo)線的次檔距設(shè)置一般不會超過3 m，圖6為220 kV變電設(shè)備間常用的400/35型鋼芯鋁絞線通過50 kA短路電流時，不同次檔距、不同分裂間距條件下，次導(dǎo)線臨界接觸時的導(dǎo)線張力，可以看出，次檔距和分裂間距對導(dǎo)線張力的影響很大。對于實例所述的SSY－400/35A型設(shè)備線夾，經(jīng)計算，為可以耐受50 kA的短路電流，保證1.5倍安全系數(shù)的情況下，檔距應(yīng)不大于1 m。

圖6 不同次檔距、分裂間距下的導(dǎo)線張力Fig.6 Sub-conductor's tension in different sub-span and spacing

現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范規(guī)定220 kV及以下雙分裂導(dǎo)線的分裂間距可取100～200 mm［15］，圖6表明，較大的分裂間距可以降低導(dǎo)線的第一最大張力，以2 m次檔距為例，分裂間距由120 mm增加到200 mm時，導(dǎo)線的第一最大張力從21.77 kN下降到9.53 kN，下降了56%。因此，在滿足其他電氣設(shè)計的基礎(chǔ)上，推薦采用200 mm的分裂間距。

5 結(jié)論

(1)雙分裂設(shè)備線夾承受短路電流時，其過渡段根部為應(yīng)力最大部位，且在分裂導(dǎo)線臨界接觸時應(yīng)力值最大。當(dāng)應(yīng)力最大值超過材料的抗拉強(qiáng)度時，線夾就有可能在此部位發(fā)生斷裂。因此，雙分裂設(shè)備線夾在設(shè)計時需要考慮與連接設(shè)備相同等級的短路電流耐受能力。

(2)變電站連接導(dǎo)線次檔距、分裂間距設(shè)計時，在滿足其他電氣性能要求的基礎(chǔ)上，需要考慮所選用的設(shè)備線夾在額定的短路電流下的機(jī)械強(qiáng)度。

(3)施工選用設(shè)備線夾和對在用設(shè)備線夾進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核時，應(yīng)綜合考慮額定短路電流、導(dǎo)線直徑、導(dǎo)線分裂間距、次檔距對其所受應(yīng)力的影響。

(4)由于與計算實例相同型號的設(shè)備線夾在電網(wǎng)中大量使用，本文的分析方法可對在用設(shè)備線夾的短路電流耐受能力評價提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

致 謝

江蘇省電力設(shè)計院的胡繼軍高級工程師，河海大學(xué)的江泉教授，華東電力設(shè)計院的張謝平高級工程師對本文亦有貢獻(xiàn)，在此表示感謝。

［1］GB/T 2314—2008電力金具通用技術(shù)條件［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］GB/T 2317.1—2008電力金具試驗方法 第1部分:機(jī)械試驗［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［3］DL/T 346—2010 設(shè)備線夾［S］.北京:中國電力出版社，2011.

［4］徐雪霞，歐陽杰，馮硯廳，等.設(shè)備線夾開裂失效原因分析［J］.熱加工工藝，2011，40(13):160-163.

［5］徐賢，吳國忠，包艷蓉，等.變電站鋁設(shè)備線夾斷裂事故分析［J］.熱加工工藝，2012，41(7):191-192.

［6］夏天偉，丁明道.電磁學(xué)［M］.第 1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［7］水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊 電氣一次部分［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［8］孟遂民，孔偉.輸電線路設(shè)計［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［9］董吉諤.電力金具手冊［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［10］DL/T 5092—1999 110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，1999.

［11］GB/T 1173—1995 鑄造鋁合金［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

［12］張謝平.變電站水平雙分裂導(dǎo)線的短路張力分析［J］.電力建設(shè)，2012(3):26-28.

［13］石改萍.超高壓配電裝置分裂導(dǎo)線次檔距長度的選擇［J］.山西電力，2007(增刊):40-42.

［14］林一凡.電廠、變電站軟導(dǎo)線張力計算及其分析［J］.電力建設(shè)，1997(7):25-28.

［15］DL/T 5222—2005導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國電力出版社，2005.