大跨度管型母線撓度的計(jì)算及控制方式研究

劉菲，張健，常偉

（1.西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司建設(shè)分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

目前，懸吊式管型母線已經(jīng)作為國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)220～750kV屋外配電裝置的標(biāo)準(zhǔn)母線形式。結(jié)合系統(tǒng)落點(diǎn)，很多變電站站址位于高海拔地區(qū)，因帶電距離的要求，配電裝置間隔寬度在原通用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上大幅增加，出現(xiàn)大跨度懸吊式管型母線布置形式，造成管母撓度的大幅增加[1]。

管母撓度過大，對于支持式管型母線，正常熱脹冷縮時，會引起滑動金具工作失常。因此，要求跨中撓度不大于0.5～1.0D（D為管母外徑）。對于懸吊式管型母線，管母兩端用金具懸吊起來，是固定連接，雖然沒有因此造成金具滑動失常的問題，但是，若管母撓度過大，會帶來如下問題：①若母線側(cè)采用垂直伸縮式隔離開關(guān)，會造成隔離開關(guān)靜觸頭偏移量過大，隔離開關(guān)無法正常開合。②懸吊式管母對其下電氣設(shè)備的帶電距離緊張。③懸吊式管母彎曲過于明顯，影響工程創(chuàng)優(yōu)。因此，目前業(yè)主對懸吊式管母撓度的控制要求與支持式管母一致，不大于1.0D（D為管母外徑）。

目前，管母撓度的計(jì)算，主要依據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》《35-500千伏鋁管母線配電裝置》中相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算方法為整體估算，且不能有效反映管母具體某一點(diǎn)上的撓度大小?；谏鲜鰡栴}，依托某750kV變電站工程進(jìn)行分析研究，本文擬通過采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序建模，并利用連續(xù)跨的撓度計(jì)算系數(shù)遠(yuǎn)小于單跨的特點(diǎn)，提出一種準(zhǔn)確計(jì)算管母撓度、有效降低管母撓度的方法，可為后續(xù)具有大跨度懸吊式管型母線工程的建設(shè)提供技術(shù)支持，為工程創(chuàng)優(yōu)服務(wù)[2]。

1 某750kV變電站220kV配電裝置布置簡介

某750kV變電站220kV配電裝置在國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)220-C-8-220方案的基礎(chǔ)上：①因空氣間隙按海拔1500m修正后，220kV配電裝置進(jìn)、出線間隔寬度為16.5m，母聯(lián)及母線設(shè)備間隔寬度為15m，較通用設(shè)計(jì)方案各增加1m。②因母線通流及大風(fēng)沙問題，220kV母線采用6063-Φ250/230懸吊式管型母線替代通用設(shè)計(jì)中雙分裂JLHN58K-1600擴(kuò)徑耐熱鋁合金導(dǎo)線。某750kV變電站220kV配電裝置布置圖詳見圖1。

2 220kV采用單跨式懸吊管母的撓度計(jì)算

2.1 計(jì)算輸入值的選取

計(jì)算輸入值采用管母6063-Φ250/230參數(shù)值：

管母自重：20.60kg/m；

管母外徑：250mm；

彈性模量：72000N/mm2；

密度：2275kg/mm3；

泊松比：0.315；

線膨脹系數(shù)：23.4×10-6；

慣性矩：5435cm4；

抗拉強(qiáng)度：≥185σb(MPa)；

屈服強(qiáng)度：≥165σ0.2(MPa)。

2.2 220kV采用單跨式懸吊管母撓度的電氣計(jì)算

某750kV變電站220kV母線采用單跨式懸吊管母，最長間隔跨度33m（2個出線間隔），采用2點(diǎn)V串懸吊單跨式設(shè)計(jì)，兩懸吊點(diǎn)間距l(xiāng)js=33m-3.1m×2=26.8m，詳見圖2。

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊》公式計(jì)算：

（1）均布荷載產(chǎn)生的撓度

其中，y1為母線自重、風(fēng)荷載等產(chǎn)生的均布荷載撓度，cm；k1為均布荷載撓度計(jì)算系數(shù)，單跨取1.3；q1為均布荷載，kg/m；ljs為計(jì)算跨距；E為彈性模量，kg/cm2；J1為慣性矩，cm4。經(jīng)計(jì)算，均布荷載撓度為y1=35.303cm。

（2）集中荷載產(chǎn)生的撓度

其中，y2為引下線、隔離開關(guān)靜觸頭等產(chǎn)生的集中荷載撓度，cm；k2為集中荷載撓度計(jì)算系數(shù)，單跨取2.08；p為集中荷載,kg/m；ljs為計(jì)算跨距；E為彈性模量，kg/cm2；J1為慣性矩，cm4。經(jīng)計(jì)算，集中荷載撓度為y2=7.162cm。

（3）合成撓度

假設(shè)均布荷載、集中荷載為同一點(diǎn)的最不利情況，合成荷載為：

合成撓度為y=42.465cm。

根據(jù)上述管母撓度公式計(jì)算結(jié)果可知，該典型間隔單跨式懸吊管母最大撓度約425mm，大于1.0D（D為管母外徑）。而現(xiàn)場試吊跨管母撓度一周后實(shí)測值為247mm，與電氣公式計(jì)算值偏差較大[3]。

2.3 220kV采用單跨式懸吊管母撓度的模型計(jì)算

（1）模型建立過程。采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序模擬工程實(shí)際情況對管母撓度進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)現(xiàn)場幾個預(yù)吊間隔撓度實(shí)測值與模型計(jì)算值進(jìn)行對比分析，不斷調(diào)整模型，以真實(shí)模擬管母實(shí)際受力狀況，得到最優(yōu)模型。①管母機(jī)械應(yīng)力與管母梁之間有力的傳遞，將管母所在間隔的構(gòu)架梁、構(gòu)架柱作為一個整體受力體系一同建模。②模型中建立管母、引下線的真實(shí)材質(zhì)性能，以得到撓度最大點(diǎn)的真實(shí)位置。③V型絕緣子串與管母之間是鉸接形式，部分金具可局部轉(zhuǎn)動，因此須將金具按實(shí)際進(jìn)行建模。同時將V型絕緣子串等效為二力桿，一端懸吊管母，一端與構(gòu)架母線梁連接，以實(shí)現(xiàn)力的傳遞。④引下線具有一定剛性，模型中建立該材質(zhì)的性能參數(shù)[4]。

通過上述問題的解決，得到能給出各點(diǎn)的撓度大小，以方便指導(dǎo)管母及V串安裝的最優(yōu)模型。

（2）模型建立。模型計(jì)算輸入值詳見2.1節(jié)。利用該最優(yōu)模型，以上述電氣計(jì)算典型間隔為例，空間結(jié)構(gòu)建模如圖3所示。

（3）荷載組合。

模型一：單跨布置，僅考慮管母自重；模型二：單跨布置，在跨中增加引下線荷載；模型三：單跨布置，在跨中兩側(cè)增加引下線荷載。

2.4 220kV單跨式懸吊管母撓度計(jì)算值分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，單跨式懸吊管母最大位移詳見表1。

表1 單跨式懸吊管母最大位移統(tǒng)計(jì)表（mm）

由上表可知，當(dāng)220kV采用單跨式懸吊管母布置方案時：①推薦模型計(jì)算值比公式計(jì)算值更貼近實(shí)測結(jié)果。②引下線位于中間，即集中荷載與均布荷載撓度最大點(diǎn)重合時，管母撓度最大。③采用單跨式懸吊管母布置方案，一周后的管母撓度實(shí)測值已接近1.0D（D為管母外徑250mm），隨著母線自重、風(fēng)荷載等力的持續(xù)作用下，管母撓度會進(jìn)一步增加，很難保證管母撓度控制在1.0D以內(nèi)。

3 降低220kV單跨式懸吊管母撓度的措施

針對大跨度懸吊式管型母線撓度過大的問題，國內(nèi)外最普遍的解決方法是：通過增加構(gòu)架縮小管母跨度或管母兩端增加配重等方法。其中，在大跨度管母中間增加構(gòu)架，以減小管母跨度，是減小管母撓度最有效的辦法。以某750kV變電站220kV配電裝置為例，管母跨度由原33m減小至18m，撓度計(jì)算值可控制在20mm左右。但需增加28m寬、10m高聯(lián)合構(gòu)架10榀，增加用鋼量372t（折合約335.6萬），增加占地面積580m2（折合約3.1萬）。其土建費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)性較差?？紤]在管母兩端增加配重，因電氣計(jì)算無法準(zhǔn)確算出該配重對于管母撓度的改善程度，只能通過現(xiàn)場掛配重試驗(yàn)，但是效果并不明顯。分析原因，主要在于管母跨度較長，掛點(diǎn)設(shè)置在管母兩端，加配重后產(chǎn)生彎矩較小，無法明顯改善跨中撓度。因此，不考慮將增加配重作為減小大跨度管母撓度的主要措施。再者，考慮設(shè)計(jì)特殊金具，延長懸吊點(diǎn)位置以縮短管母跨度，從而改善管母撓度。該方案因金具需特制，不便于采購，且新型金具的使用效果有待工程運(yùn)行檢驗(yàn)。上述減小管母撓度的方式，對于本工程均不適用。通過多方查閱規(guī)程及相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)連續(xù)跨的撓度計(jì)算系數(shù)遠(yuǎn)小于單跨，因此考慮采用連續(xù)兩跨懸吊比單跨懸吊對管母撓度更有利[5]。

4 220kV采用2個連續(xù)跨懸吊管母的撓度計(jì)算

按照上述分析思路，某750kV變電站220kV母線采用2個連續(xù)跨懸吊管母，最長間隔跨度66m（4個間隔），采用4點(diǎn)V串懸吊連續(xù)跨設(shè)計(jì)，兩懸吊點(diǎn)間距為33m-3.1m× 2=26.8m，詳見圖4。

4.1 220kV采用2個連續(xù)跨懸吊管母撓度的電氣計(jì)算

通過第2.2節(jié)所列公式計(jì)算，可得：采用2個連續(xù)跨懸吊管母的合成撓度為y=17.285cm。

根據(jù)管母撓度公式計(jì)算結(jié)果可見，采用2個連續(xù)跨懸吊管母最大撓度約173mm，較單跨式懸吊管母撓度大幅降低，且滿足小于1.0D（D為管母外徑）的要求。

4.2 220kV采用2個連續(xù)跨懸吊管母撓度的模型計(jì)算

（1）模型建立。利用前述最優(yōu)模型，采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序，模擬工程實(shí)際情況對管母撓度進(jìn)行計(jì)算分析。以上述電氣計(jì)算典型間隔為例：管母長度66.0m，兩端V串掛點(diǎn)距離管母端部3.1m，中間構(gòu)架處也采用相同V串懸吊，空間結(jié)構(gòu)建模如圖5所示。

（2）荷載組合。模型四：2個連續(xù)跨布置，僅考慮管母自重；模型五：2個連續(xù)跨布置，在跨中增加引下線荷載；模型六：2個連續(xù)跨布置，在跨中兩側(cè)增加引下線荷載。

4.3 220kV采用2個連續(xù)跨懸吊管母撓度計(jì)算值分析

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，采用2個連續(xù)跨懸吊管母最大位移詳見表2。

表2 2 個連續(xù)跨懸吊管母最大位移統(tǒng)計(jì)表（mm）

由上表可見，①采用2個連續(xù)跨懸吊母線吊裝方案，無論是電氣公式計(jì)算值、模型計(jì)算值，還是現(xiàn)場實(shí)測值，管母撓度均比單跨布置大幅降低，說明2個連續(xù)跨懸吊母線吊裝方案在撓度控制方面明顯優(yōu)于單跨布置；②雖然管母撓度的電氣計(jì)算值與一周后的實(shí)測值較為接近，但經(jīng)過長期運(yùn)行后，管母撓度值會略有增大并趨于穩(wěn)定。推薦模型計(jì)算值與兩年后趨于穩(wěn)定的管母撓度實(shí)測值更為接近，說明推薦模型撓度計(jì)算精準(zhǔn)度更高；③引下線位于中間，即集中荷載與均布荷載撓度最大點(diǎn)重合時，管母撓度最大；④采用2個連續(xù)跨懸吊母線吊裝方案不增加占地及構(gòu)架量，較常規(guī)增加構(gòu)架方案節(jié)約投資338.7萬元，該費(fèi)用主要是由于節(jié)約用鋼量、占地等。

5 結(jié)論

針對大跨度管型母線撓度的計(jì)算，課題成果推薦采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序搭建的最優(yōu)模型，驗(yàn)證單跨、2個連續(xù)跨的懸吊管母撓度值，以準(zhǔn)確、快速地得到計(jì)算結(jié)果，使得安裝方式最有利于管母撓度的降低。該課題成果在各電壓等級配電裝置大跨度懸吊式管母的布置方案中均可參考采用。不僅為布置方案的優(yōu)化提供了更多的選擇，且能有效降低土建工程量，經(jīng)濟(jì)性較高。同時，可提高設(shè)計(jì)計(jì)算水平的先進(jìn)性，為工程創(chuàng)優(yōu)提供技術(shù)支持，能夠更好地為業(yè)主服務(wù)。