變電站軟母線下料長度計算模型研究

張春寧 周勤奮 張 政 仲 宇 袁 旭

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變電站軟母線下料長度計算模型研究

張春寧 周勤奮 張 政 仲 宇 袁 旭

（江蘇省宏源電力建設監(jiān)理有限公司，南京 210036）

對于中大型變電站運行系統(tǒng)，母線是匯集、分配和傳輸電能的重要載體。由于室外空間大，氣象及地質(zhì)條件復雜，所以大部分采用軟母線連接方式。軟母線弧垂大小是檢測其安裝質(zhì)量的重要標準，過小則增加導線拉力，過大則影響安全距離。同時絕緣子串重量、數(shù)量及高跨高低差均會對軟母線弧垂產(chǎn)生較大影響，簡單的懸鏈線模型無法準確計算弧垂及對應導線下料長度。本文簡述軟母線弧垂基本計算方式，并在此基礎上提出復合模型，更精確計算軟母線下料長度，提高軟母線安裝質(zhì)量，保證供電可靠性，并在工程實踐中進行驗證。

變電站；軟母線；弧垂；下料長度

隨著國家能源規(guī)劃逐步推進，地方用電負荷逐漸增加，變電站建設正在全國各地積極進行。作為重要的能量載體，軟母線安裝質(zhì)量水準直接影響基建工程的總體水平[1]。

對于220kV及以上中大型變電站，軟母線跨度較大，并受絕緣子串數(shù)量、重量等因素影響[2-3]，導線弧垂與設計弧垂往往存在差異，即導線下料長度并不能準確得到并應用于現(xiàn)場架線模型。

針對此情況，變電站施工技術人員根據(jù)現(xiàn)場情況，對軟母線、絕緣子串等軟母線安裝過程參數(shù)進行分析、建模[4]，得到不同軟母線下料長度計算公式。同時采用現(xiàn)場實物放樣等形式，提高軟母線安裝弧垂的準確度。但在大部分模型分析過程中，未充分考慮軟母線與絕緣子串的不同模型情況，同時對于安裝高差情況未加囊括，包括在放樣過程中未直接懸掛絕緣子等情況，均導致現(xiàn)場不能保證對軟母線長度計算的一次成功性，增加了返工成本及安裝誤差。

本文對變電站常用軟母線懸鏈線模型進行簡要分析，并在此基礎上提出復合模型，充分考慮絕緣子串、導線結構參數(shù)、高跨高差等因素，提高安裝質(zhì)量。

1 懸鏈線模型分析

為抑制導線電暈放電及降低導線電抗，在高壓變電站軟母線架設中常采用雙分裂方式，選擇導線為鋼芯鋁絞線（LGJ）、擴徑鋼芯鋁絞線（LGJK）、擴徑空芯鋁絞線（LGKK）等材質(zhì)[5-6]。因雙分裂導線采用間隔棒固定，經(jīng)雙導線線夾及掛板與絕緣子串連接，弧垂一致，故在模型分析中進行單母線研究。

常用變電站軟母線懸掛模型如圖1所示，導線重量相對絕緣子及金具重量較輕，兩側(cè)絕緣子串較為平直，可近似直線，等效為雙梯邊模型[7]。

圖1 雙梯邊模型

由圖1可知，、段為絕緣子串近似直線段，段為軟母線弧長。以軟母線最低點為坐標原點建立坐標系，可推導得軟母線懸鏈線模型。

對點進行受力分析，得

對式（1）進行化簡，得

（3）

對式（4）兩邊進行積分，化簡得

（5）

式中，為常數(shù)。由圖1坐標可知，當=0時，曲線切線斜率為0，故=0。代入式（5）并化簡，得

由此可知，以圖1中安裝段為例，若導線安裝檔距為，絕緣子串長度為，弧垂為，為點橫坐標，根據(jù)懸鏈線模型可知，軟母線下料長度為

根據(jù)式（7）可知，根據(jù)設計弧垂及絕緣子串長度等數(shù)據(jù)可以計算軟母線下料長度。但在工程實際架線過程中，絕緣子串不能直接當成直線段考慮，且對整體軟母線弧垂有一定影響。同時該計算方式僅對懸掛點無高差情況適用，而在軟母線安裝有高度差情況下誤差較大，故需要更精確的數(shù)學模型。

2 復合模型

2.1 絕緣子串

考慮軟母線懸掛兩側(cè)構架高差，以懸掛點為坐標原點建立坐標系，得到變電站軟母線懸掛模型如圖2所示。

圖2 軟母線懸掛模型

由圖2可知，以點為原點建立坐標系，高差為的軟母線懸掛模型可分為1～4四段部分，其中、段為絕緣子串模型，由工程實際中的金具零件與絕緣子鉸接而成。可將其等效為多個不受溫度及張力影響的剛體單元不連續(xù)串接而成。

以(1)段為例，分析絕緣子串剛體單元空間模型。

圖3（a）為段絕緣子串模型，由個不同的剛體單元組成，圖3（b）對第個剛體單元進行了受力分析，其兩端受力可以等效為垂直于該段向上的力T，設第個剛體單元長度為，重量為G，水平張力為?？筛鶕?jù)受力方程得

圖3 絕緣子串模型及受力分析

同理，可得段（個絕緣子串）長度分量為

2.2 懸鏈軟母線

由圖2可知，段為懸鏈軟母線，可采用懸鏈式方程表示，根據(jù)上文推導懸鏈線方程，以為坐標原點，建立坐標系如下。

根據(jù)上文懸鏈線方程推導過程，圖4懸鏈線坐標系為將圖1中原點位置左移了距離，其中為軟母線弧垂最低點距離軸距離。結合式（6）及式（7），將坐標原點坐標及點斜率為零帶入方程，可得懸鏈線方程為

將(l,)帶入方程，得到：

結合圖2、圖3可知，軟母線段檔距及弧垂為

（12）

將式（8）與式（9）帶入上式即可得到相應數(shù)據(jù)值。

2.3 復合模型

由上述分析可知，絕緣子串部分與軟母線部分模型所選擇坐標系不同，故方程不能統(tǒng)一表示并計算。采用坐標變換方式，得到變電站軟母線安裝復合模型如圖5所示。

將絕緣子串及軟母線統(tǒng)一到同一坐標系中，根據(jù)點坐標得變換方程：

將式（13）帶入式（10），得到復合模型數(shù)學方程為

（14）

圖5 軟母線安裝復合模型

其中：

（16）

根據(jù)上式可知，軟母線復合模型考慮了高差、絕緣子串模型等因素，更加精確地表示出整體數(shù)學方程，從而提高變電站現(xiàn)場對軟母線下料長度的準確性，提高工程安裝質(zhì)量及供電可靠性。

3 工程驗證

為進一步驗證所提復合模型的正確性，在220kV及500kV變電站工程施工過程中對兩種情況進行數(shù)據(jù)對比分析。設計給定數(shù)據(jù)見表1。

表1 變電站設計給定參數(shù)值

根據(jù)上述表中數(shù)據(jù)進行兩種數(shù)學模型軟母線下料長度計算，得到不同模型下軟母線長度，見表2。

表2 兩種模型下軟母線下料長度

表2中為根據(jù)式（7）及式（15）計算所得軟母線下料長度，將不同長度軟母線進行懸掛，并進一步測量軟母線弧垂[8]，比較實際弧垂與設計弧垂誤差值。工程現(xiàn)場安裝圖如圖6所示。

（a）220kV變電站

（b）500kV變電站

圖6 變電站現(xiàn)場軟母線安裝圖

根據(jù)不同數(shù)學模型，得到軟母線下料長度與實際弧垂關系，見表3。

表3 不同模型下軟母線弧垂誤差值

表3中s為現(xiàn)場實測弧垂值。因弧垂為軟母線安裝設計值中比較重要的參數(shù)，也是軟母線下料的直接影響因素，對不同電壓等級下設計弧垂與實際弧垂進行誤差計算，得到不同設計弧垂下對應軟母線下料長度誤差值。

根據(jù)表3得實際誤差曲線如圖7所示。

圖7 實測軟母線弧垂誤差曲線

由表3及圖7數(shù)據(jù)對比可知，采用復合模型分析并計算軟母線模型減小了下料長度誤差，提高了一次安裝的可靠性。

4 結論

綜上所述，軟母線安裝復合模型滿足工程需要，并在工程實踐中得到證實，具備如下優(yōu)點。

1）復合模型將絕緣子串分解為多個剛體單元，更貼近實際情況，完善了傳統(tǒng)模型對于絕緣子串部分的分析。

2）對于傳統(tǒng)模型未考慮高差情況，本文所提復合模型充分考慮高跨高差，并帶入模型參數(shù)，提高了計算的精確性。

3）復合模型保證了軟母線一次安裝的準確性，減少了軟母線多次下料的經(jīng)濟成本，提高了經(jīng)濟效益。

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Research on Calculation Model of the Length of Flexible Bus for Substations

Zhang Chunning Zhou Qinfen Zhang Zheng Zhong Yu Yuan Xu

(Jiangsu Hongyuan Electric Power Construction Supervision Co., Ltd, Nanjin 210036)

In the operation system of medium-large substation, the flexible bus is an important carrier for collection, distribution and transmission of electrical energy. Due to weather and geological conditions are complex in outdoor space, then the connection way of conductor used by flexible bus. The flexible bus arc sag size is an important standard to detect the quality of the installation. It will increase the wire tension and affect the safety distance when it’s too small or large. At the same time, the number and weight of insulator and the high span height difference will have a greater impact on the flexible bus arc sag. And a simple catenary model can not calculate the arc sag and the cutting length of flexible bus accurately. This paper introduces the basic calculation method of flexible bus arc sag briefly. Based on this, a composite model is proposed to calculate the cutting length of flexible bus accurately, which to improve the flexible bus installation quality and ensure the reliability of power supply system. Finally, the proposed model is verified in engineering practice.

substation; flexible bus; arc sag; cutting length

張春寧（1987-），男，甘肅靜寧人，本科，工程師，主要從事電力工程項目管理技術研究工作。