管型母線的撓度、模態分析及工程安全應用

李偉

【摘 要】管型母線主要應用在電力建設工程中電網輸電導線與變電站變壓器之間的導體連接、輸電線路中的跳線、電力設備中的連接導體以及大電流直流融冰裝置中作過流導體，是取代傳統的矩形、槽形、棒形母線和軟導線的全新導體，是電力輸變電系統中關鍵的設備（材料）之一，對輸變電系統及電力設備的安全、可靠運行起著至關重要的作用。本文對管型母線的撓度、模態分析及工程安全應用進行了分析。

【關鍵詞】管型母線；撓度；模態分析；工程安全應用

一、前言

作為我國輸變電系統及電力設備連接中的重要導體，管型母線的重要作用受到愈來愈多的關注與重視。管型母線的出現代替了傳統的矩形、棒性母線，是一種全新的導體，也是電力輸變系統中的關鍵設備，對于維護輸電系統及電力設備的安全運行具有十分重要的意義。管型母線充分利用同軸電容的原理，通過仿真計算等手段，優化各種參數，并采用特殊的制造工藝，生產出的全絕緣性母線連接系統。總之，管型母線被廣泛應用于我國的變電站實踐過程中。

二、管型絕緣母線的特點

（1）產品主要結構。絕緣母線主要部件由：絕緣母線、固定金具、屏蔽筒、母線托架、軟連接、增爬器、穿墻護套管等組成。（2）母線中間連接器。采用螺錐式連接方式，連接板可以使硬銅排，也可以使軟連接（伸縮節），同螺栓連接的母線安全可靠，檢修方便。母線與GIS開關柜的連接，采用MGC Type DURESCADE插拔式接頭母線段與GIS接口連接。

三、管型母線的選擇計算

1、母線選材

過去，變電站母線多采用純鋁管材質，但是純鋁管的強度較低，使用率不高。隨著技術的進步，當前可以用作鋁管母線生產的合金有鋁錳合金和鋁鎂兩種，并且多采用冷拔工藝成型。

由上表中可以看出，鋁錳合金的導電率較高，而且容易焊接。因此，選用鋁錳合金管型母線是十分必要的。

上表中的環境溫度指的是空氣的濕度，一般指的是離地2m高且沒有陽光照射處的溫度。在計算鋁管母線的載流量時，應該努力分析和探索環境溫度與鋁管母線之間的關系，明確什么情況下鋁管母線的消耗最低，由此確定最為合理的環境溫度。利用某一地區的極端最高溫來計算鋁管母線的載流量，可靠性較高，但是母線的截面也會增大。就我國來說，在夏季最熱月中有一大部分的時間最高氣溫的持續時間會達到7～8小時，這種氣溫下鋁管母線的壽命會大大縮短。在本次實踐過程中，筆者采用某一氣象站提供的十年間最熱月的最高平均氣溫37.6℃作為鋁管母線的載流量進行計算。

2、母線的強度與撓度

在管母線的配電裝置中，管型母線除了要承擔必要的載流功能之外，還要承受一定的結構支持受力，在多種情況的交織下母線結構計算的難度會進一步加大。一般來說，管型母線的強度與撓度的計算主要包括以下三個方面的工作：第一，自動頻率計算。母線自動頻率的高低與母線短路點動力的大小有著直接的關系，而自動頻率則會受到跨距、材料剛度、支撐安裝形式等各方面因素的影響。管型母線的微風振動指的是當穩定的微風垂直于母線水平吹來時，母線會發生上下交替振動。工作人員先要測算母線的各階自振頻率，并校驗微風振動的風速，并根據地形特點分析是否可能會發生微風振動。當風速小于6m/s，工作人員可以消除微風振動措施；第二，強度校驗。要根據荷載組合的具體情況，先計算其內應力的大小，之后根據安全系數來校驗強度。在計算荷載時，工作人員要按照荷載組合條件（正常情況、短路情況、地震情況）來計算各個狀態下的導體水平及垂直彎距，從而進行強度校驗；第三，撓度計算。如果管型管線的撓度過大，會影響變電站配電裝置的美觀性，也會影響母線的結構受力情況。

3、防止微風振動措施

微風振動會對管型母線的應用產生一定的影響，因此在選擇管型母線的過程中，要防止出現微風振動的情況。第一，要在管內加裝阻尼線；第二，加裝動力消諧器；第三，采用長托架。要高度重視集中荷載的影響，保證阻尼效果。

4、母線的后期維護

第一，要注意維護管型母線的靈敏性，保證其能夠反映故障的能力；第二，要維護母線的速動性。在發生故障之后，要確保動作迅速，從而保證故障迅速切除，以免造成電力系統失穩，這也是保證電力系統的安全運行。同時要注意二次電流畸變情況，防止出現不利現象；第三，要注意維護母線的可靠性。如果母線保護如果動作，就會跳開母線上的所有開關，母線保護的可靠性會受到影響，也會影響電力系統的安全運行。要提高母線保護的可靠性、安全性，防止出現外部短路的情況。而母線的可信性是指母線在故障時要保證母線保護的可靠動作，防止引動。

四、應用實例

1、電站概況

沙坪二級水電站：裝機容量為6臺單機容量為58MW燈泡式貫流機組（目前亞洲最大），發電機額定電壓10.5KV，機組額定電流為3447A。電站廠房較為緊湊，若采取傳統電纜連接方式，采用單芯截面為400mm2的10KV電纜，單根電纜載流量計算為623A，則每相至少需并聯6根。為方便其他機電設備布置，節省空間，經與電站業主方協商，決定采用全絕緣銅管母線。經計算，選用額定電壓12kV，額定電流為4000A，尺寸為?100×10mm（外徑×壁厚）的全絕緣銅管母線。從發電機引出線至PT柜之間的絕緣銅管母線為戶內布置，采用支架及吊裝方式，沿電纜溝分層布置。現場布置極為靈活方便，適應性非常強。

2、絕緣管型母線安裝及工藝要求

（1）在該水電站中，絕緣母線支架、托架、抱箍、固定金具、屏蔽筒等隨母線本體均由供貨廠商提供。所有暴露在大氣中的金屬部件采用具有可靠的防銹層材料制成。

在現場安裝時，對于絕緣管型母線的銅管端部作倒圓角處理，銅管端部連接面應鍍銀或搪錫，安裝前用丙酮或無水酒精清潔端部，確保具有較低的接觸電阻及防腐蝕功能。

（2）中間接頭要求：安裝過程中通過調整兩端母線同軸度，保證導體端部盡量不留間隙，用丙酮或無水酒精清潔中間接頭接觸面，在母線端部接觸面上均勻涂抹導電膏，調整中間接頭位置，使母線兩端接觸面相等，按力矩要求值擰緊螺栓，檢查接觸面，如有明顯間隙，應重新調整兩端母線同軸度；

按設計圖紙要求安裝屏蔽筒和熱縮套管，接頭應滿足通流和溫升要求，接頭處的絕緣結構形式和管型母線相同，并確保接頭處的絕緣外表電位為零，以保證運行維護的安全。

（3）與設備連接要求：絕緣母線端部采用哈弗式螺接過渡接頭，絕緣銅管型母線與設備之間采用銅質軟連接方式。

（4）接地要求：母線支撐、懸吊等鋼構建由安裝單位將其用型號為60x8接地扁鋼串連接地；整相絕緣管型母線接地電容屏必須全部可靠接地，包括中間接頭處的屏蔽絕緣套管，接地方式為一點接地（可分段各自獨立接地），避免絕緣管型母線的接地線因多點接地而產生環流，保證外層接地屏滿足人體能安全觸摸的要求。

（5）絕緣管型母線現場驗收要求。驗收絕緣管型母線時，其表面絕緣層應光滑無傷痕；主絕緣電阻應不小于100MΩ，絕緣銅管母線布置方案清晰簡明，與發電機、開關柜端子的連接也十分簡單，并且銅的溫度線性膨脹系數小于鋁及其合金導體，因此在不長的距離內銅管母線無需加母線伸縮節（導體與其他設備間的連接須裝設）。一般情況下，由專業的供貨廠商負責管母線的現場施工、安裝費用，對于施工方而言，可以極大的減少安裝工程量。同時，管型母線安裝后，幾乎可以終身免維護，維護運行成本低，達到了電站經濟運行的目的。

五、結語

總之，相比其他類型的母線來說，管型母線配電裝置的占地面積較少，無線電干擾較小，并且美觀。通過在沙坪二級水電站的應用看，管型母線比傳統的母線具有更多的優點，也使輸變電運行更加安全可靠，取得了良好的使用效果，值得在輸變電系統中連接中推廣應用。

參考文獻：

[1]王中虎.管型母線的特點及在變電站的應用[J].中國新技術新產品，2015（2）：50.

[2]王健.水電站全絕緣母線的安裝和試驗[J].科技與創新，2014（9）：6-7.endprint