110kV支持式鋁鎂合金管型母線的力學計算

劉剛

摘要：隨著綜合國力的提高，目前管型母線在電力系統建設中的應用正在逐年增加，并將在今后的配電裝置選型中占主導地位。本文結合某油田220kV變電站擴建工程，介紹了110kV鋁鎂合金管型母線的布置方案，并對管型母線設計中的相關力學進行了詳細的計算分析和校驗，提出了使用管型母線的可行性。本文還分析了管型母線特有的微風振動、端部效應問題，并提出了適合本工程的切實可行的解決措施。

關鍵詞：管型母線；力學計算；微風振動；端部效應

一、問題的提出

管型導體是空芯導體，集膚效應系數小，且有利于提高電暈的起始電壓。戶外配電裝置使用管型導體，具有占地面積小、架構簡明、布置清晰、通流量大等優點，在國內外得到了較普遍的應用。管型母線的設計不僅要充分考慮電氣方面的因數，如絕緣水平、載流量、電暈（端部效應）、電氣連接等，還要充分考慮機械方面的因素，如強度、剛度、微風振動等。某油田電網220kV變電站擴建中，首次采用了110kV支持式鋁鎂合金管型母線。本文借此分析110kV支持式鋁鎂合金管型母線的相關力學計算，為今后電力工程中使用管型母線積累了豐富的經驗。

二、管型母線布置方案簡介

某油田220kV變電站為典型的戶外敞開式中型布置，現有主變容量3×90MVA，其中1#、2#為三相三繞組有載調壓，電壓等級220/110/35kV，3#為三相雙繞組有載調壓，電壓等級為220/110kV。本次設計主要包括擴建4#變壓器（主變容量90MVA，三相雙繞組變壓器），原1#、2#變壓器容量由90MVA擴容為150MVA；將110kV中型布置開關廠區改造為兩座110kV GIS配電裝置室，1#、2#變壓器對應1座，3#、4#變壓器對應1座。

110kV配電裝置部分改為GIS組合電器后，整個110kV廠區占地面積大大減少，原有110kV主變進線采用架構懸掛鋼芯鋁絞線形式不甚合理，因此改為支持式鋁鎂合金管型母線形式。其中3#、4#變壓器110kV進線的布置方案如下圖：

三、管型母線力學計算及校驗

對于管型母線來說，電氣方面的選擇和校驗不是難點，難點在于機械力學方面的計算和校驗。下面以220kV變電站3#、4#變壓器110kV進線為例，詳細介紹下力學方面的計算和校驗。

（一）計算條件：

①氣象條件：最大風速vmax=35m/s，內過電壓風速vn=15m/s，最高氣溫+40℃、最低氣溫-30℃。

②三相短路電流峰值：ich=31.5kA。

③結構尺寸：跨距l=7m，簡單支持固定，計算跨距ljs=7m；相間距離a=1.6m；無集中荷載。工程簡化可按兩跨梁進行計算。

④地震力：按9度地震烈度校驗。

⑤導體型號及技術特性：鋁鎂合金管Φ80/64，導體材料的溫度線膨脹系數ax=23.8×10-6（1/℃），彈性模數E=70×105 （N/cm2）=7×105 （kg/cm2 ），慣性矩J=118.65（cm4），導體密度（比重）γ=2.7（g/cm3 ），導體截面S=1809（mm2），自重q1=4.88（kg/m），導體截面系數W=29.62（cm2），允許應力17000N/cm2。

（二）最大彎矩和彎曲應力的計算：

采用計算系數法進行機械計算。1～5跨連續梁的內力系數可見《電力工程電氣設計手冊電氣一次部分》附表。

1.正常狀態時母線所受的最大彎矩Mmax和應力σmax的計算。

正常狀態時母線所受的最大彎矩由母線自重產生的垂直彎矩、集中荷載（即引下線）產生的垂直彎矩及最大風速產生的水平彎矩組成。其計算公式如下：

① 母線自重產生的垂直彎矩Mcz為：

可查得均布荷載最大彎矩系數為0.125。則彎矩為：

Mcz=0.125q1l2js×9.8=0.125×4.88×72×9.8=292.92（Nm）

② 集中荷載產生的垂直彎矩Mcj為：0（沒有集中荷載）

③ 最大風速產生的水平彎矩Msf。取風速不均勻系數av=1，取空氣動力系數Kv=1.2，最大風速為vmax=35m/s，則風壓為：

?v=acKvD1 =1×1.2×0.08×352/16=7.35（kg/m）

Msf=0.125?vl2js×9.8=0.125×7.35×72×9.8=441.18（Nm）

正常狀態時母線所承受的最大彎矩及應力為：

Mmax= = =529.57（Nm）

=1566.78（N/cm2）

此值小于材料的允許應力17000N/cm2，故滿足要求。

2.短路狀態時母線所受的最大彎矩Md和應力 d的計算。

短路狀態時母線所受的最大彎矩由導體自重、集中荷載、短路電動力及對應于內過電壓情況的風速所產生的最大彎矩組成。

① 短路電動力產生的水平彎矩Msd及短路電動力?d為：

?d=1.76 =6.33（kg/m）

Msd=0.125×?dl2js×9.8=0.125×6.33×72×9.8=379.99（Nm）

② 在內過電壓的情況下的風速產生的水平彎矩M?s?及風壓??v：

??v=d vkvD1 = 1.35（kg/m）

M?s?=0.125??vl2js×9.8=0.125×1.35×72×9.8=81.03（Nm）

短路狀態時母線所承受的最大彎矩及應力為：

Md= = =546.21（N/m）

σd=100

此值小于材料短路時允許應力17000N/cm2，故滿足要求。endprint

3.地震時母線所受的最大彎矩Mdz和應力σdz為：

地震時母線所受的最大彎矩有導體自重、集中荷載、地震力及地震時的計算風速所產生的最大彎矩組成。

① 地震力產生的水平彎矩Mdx為：

Mdx=0.125×0.5×4.88×72×9.8=146.46（Nm）

② 地震時計算風速所產生的彎矩M"sf及風壓：

?"v=av·kvD1 =1×1.2×0.08×7.52/16=0.3375（kg/m）

M"sf=0.125 ?"vl2js×9.8=0.125×0.3375×72×9.8=20.26（Nm）

地震時母線所承受的最大彎矩及應力為：

Mdz= = =337.04（Nm）

σdz=100

此值小于材料地震時允許應力17000N/cm2，故滿足要求。

（三）撓度的校驗：

① 母線自重產生的撓度，由單跨梁力學計算公式得知，在x=0.4215ljs處最大撓度。

可查得均布荷重撓度計算系數為0.521。

y1=0.521

② 集中荷載產生的撓度，由單跨梁力學計算公式得知，在x=0.4472ljs處最大撓度。

可查得集中荷重撓度計算系數為0.911。

y2=

③ 合成撓度，由以上計算可知，跨中產生的撓度y1和y2的位置不同，但相差不遠，故仍按兩者位置相同的嚴重情況考慮。即：

y=y1+y2=1.41+0=0.73（cm）

此值小于0.5D1=4cm，故滿足要求。

（四）結論：

① 通過以上計算分析可知，220kV變電站110kV鋁鎂合金管型母線的布置方案在正常運行時、三相短路時及地震時存在的最大應力都滿足鋁鎂合金這種材料的應力要求，且撓度也在標準范圍內，因此該布置方案在工程中是可行的。

② 通常情況下，正常運行、短路、地震三種狀態下，短路狀態時情況最為惡劣。

③ 風速越大，跨距越大，短路電流越大，相間距離越小，彎矩和彎曲應力越大。因此在材料允許應力不滿足要求時，可以采取減小跨距，適當加大相間距的措施。

④ 實際工程中，對35kV管型母線的相關力學也進行了計算，發現110kV的短路電流較小，且相間距較大，一般都會通過校驗；但35kV短路電流較大，且相間距較小，短路時的彎曲應力接近材料運行應力，因此一定要認真計算校驗。

四、結束語

管型導體占地面積小、架構簡明、布置清晰、通流量大等優點在某油田電網220kV變電站擴建工程中很好的得到了體現，為今后管型導體在該油田電網的推廣起到了積極的指導意義。

參考文獻

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[2] DL/T 5222-2005 導體和電器選擇設計技術規定. 東北電力設計院、中南電力設計院

[3] 郭莉. 管型母線在220kV變電站應用的探討 江蘇電機工程 2004年 第3期endprint