110kV支持式鋁鎂合金管型母線的力學(xué)計(jì)算

劉剛

摘要：隨著綜合國(guó)力的提高，目前管型母線在電力系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用正在逐年增加，并將在今后的配電裝置選型中占主導(dǎo)地位。本文結(jié)合某油田220kV變電站擴(kuò)建工程，介紹了110kV鋁鎂合金管型母線的布置方案，并對(duì)管型母線設(shè)計(jì)中的相關(guān)力學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析和校驗(yàn)，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(fēng)振動(dòng)、端部效應(yīng)問(wèn)題，并提出了適合本工程的切實(shí)可行的解決措施。

關(guān)鍵詞：管型母線；力學(xué)計(jì)算；微風(fēng)振動(dòng)；端部效應(yīng)

一、問(wèn)題的提出

管型導(dǎo)體是空芯導(dǎo)體，集膚效應(yīng)系數(shù)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(dǎo)體，具有占地面積小、架構(gòu)簡(jiǎn)明、布置清晰、通流量大等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了較普遍的應(yīng)用。管型母線的設(shè)計(jì)不僅要充分考慮電氣方面的因數(shù)，如絕緣水平、載流量、電暈（端部效應(yīng)）、電氣連接等，還要充分考慮機(jī)械方面的因素，如強(qiáng)度、剛度、微風(fēng)振動(dòng)等。某油田電網(wǎng)220kV變電站擴(kuò)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(guān)力學(xué)計(jì)算，為今后電力工程中使用管型母線積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

二、管型母線布置方案簡(jiǎn)介

某油田220kV變電站為典型的戶外敞開(kāi)式中型布置，現(xiàn)有主變?nèi)萘?×90MVA，其中1#、2#為三相三繞組有載調(diào)壓，電壓等級(jí)220/110/35kV，3#為三相雙繞組有載調(diào)壓，電壓等級(jí)為220/110kV。本次設(shè)計(jì)主要包括擴(kuò)建4#變壓器（主變?nèi)萘?0MVA，三相雙繞組變壓器），原1#、2#變壓器容量由90MVA擴(kuò)容為150MVA；將110kV中型布置開(kāi)關(guān)廠區(qū)改造為兩座110kV GIS配電裝置室，1#、2#變壓器對(duì)應(yīng)1座，3#、4#變壓器對(duì)應(yīng)1座。

110kV配電裝置部分改為GIS組合電器后，整個(gè)110kV廠區(qū)占地面積大大減少，原有110kV主變進(jìn)線采用架構(gòu)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(jìn)線的布置方案如下圖：

三、管型母線力學(xué)計(jì)算及校驗(yàn)

對(duì)于管型母線來(lái)說(shuō)，電氣方面的選擇和校驗(yàn)不是難點(diǎn)，難點(diǎn)在于機(jī)械力學(xué)方面的計(jì)算和校驗(yàn)。下面以220kV變電站3#、4#變壓器110kV進(jìn)線為例，詳細(xì)介紹下力學(xué)方面的計(jì)算和校驗(yàn)。

（一）計(jì)算條件：

①氣象條件：最大風(fēng)速vmax=35m/s，內(nèi)過(guò)電壓風(fēng)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(jié)構(gòu)尺寸：跨距l(xiāng)=7m，簡(jiǎn)單支持固定，計(jì)算跨距l(xiāng)js=7m；相間距離a=1.6m；無(wú)集中荷載。工程簡(jiǎn)化可按兩跨梁進(jìn)行計(jì)算。

④地震力：按9度地震烈度校驗(yàn)。

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

（二）最大彎矩和彎曲應(yīng)力的計(jì)算：

采用計(jì)算系數(shù)法進(jìn)行機(jī)械計(jì)算。1～5跨連續(xù)梁的內(nèi)力系數(shù)可見(jiàn)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)電氣一次部分》附表。

1.正常狀態(tài)時(shí)母線所受的最大彎矩Mmax和應(yīng)力σmax的計(jì)算。

正常狀態(tài)時(shí)母線所受的最大彎矩由母線自重產(chǎn)生的垂直彎矩、集中荷載（即引下線）產(chǎn)生的垂直彎矩及最大風(fēng)速產(chǎn)生的水平彎矩組成。其計(jì)算公式如下：

① 母線自重產(chǎn)生的垂直彎矩Mcz為：

可查得均布荷載最大彎矩系數(shù)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(chǎn)生的垂直彎矩Mcj為：0（沒(méi)有集中荷載）

③ 最大風(fēng)速產(chǎn)生的水平彎矩Msf。取風(fēng)速不均勻系數(shù)av=1，取空氣動(dòng)力系數(shù)Kv=1.2，最大風(fēng)速為vmax=35m/s，則風(fēng)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(tài)時(shí)母線所承受的最大彎矩及應(yīng)力為：

Mmax= = =529.57（Nm）

=1566.78（N/cm2）

此值小于材料的允許應(yīng)力17000N/cm2，故滿足要求。

2.短路狀態(tài)時(shí)母線所受的最大彎矩Md和應(yīng)力 d的計(jì)算。

短路狀態(tài)時(shí)母線所受的最大彎矩由導(dǎo)體自重、集中荷載、短路電動(dòng)力及對(duì)應(yīng)于內(nèi)過(guò)電壓情況的風(fēng)速所產(chǎn)生的最大彎矩組成。

① 短路電動(dòng)力產(chǎn)生的水平彎矩Msd及短路電動(dòng)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(nèi)過(guò)電壓的情況下的風(fēng)速產(chǎn)生的水平彎矩M?s?及風(fēng)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(tài)時(shí)母線所承受的最大彎矩及應(yīng)力為：

Md= = =546.21（N/m）

σd=100

此值小于材料短路時(shí)允許應(yīng)力17000N/cm2，故滿足要求。endprint

3.地震時(shí)母線所受的最大彎矩Mdz和應(yīng)力σdz為：

地震時(shí)母線所受的最大彎矩有導(dǎo)體自重、集中荷載、地震力及地震時(shí)的計(jì)算風(fēng)速所產(chǎn)生的最大彎矩組成。

① 地震力產(chǎn)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(shí)計(jì)算風(fēng)速所產(chǎn)生的彎矩M"sf及風(fēng)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(shí)母線所承受的最大彎矩及應(yīng)力為：

Mdz= = =337.04（Nm）

σdz=100

此值小于材料地震時(shí)允許應(yīng)力17000N/cm2，故滿足要求。

（三）撓度的校驗(yàn)：

① 母線自重產(chǎn)生的撓度，由單跨梁力學(xué)計(jì)算公式得知，在x=0.4215ljs處最大撓度。

可查得均布荷重?fù)隙扔?jì)算系數(shù)為0.521。

y1=0.521

② 集中荷載產(chǎn)生的撓度，由單跨梁力學(xué)計(jì)算公式得知，在x=0.4472ljs處最大撓度。

可查得集中荷重?fù)隙扔?jì)算系數(shù)為0.911。

y2=

③ 合成撓度，由以上計(jì)算可知，跨中產(chǎn)生的撓度y1和y2的位置不同，但相差不遠(yuǎn)，故仍按兩者位置相同的嚴(yán)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(jié)論：

① 通過(guò)以上計(jì)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(yùn)行時(shí)、三相短路時(shí)及地震時(shí)存在的最大應(yīng)力都滿足鋁鎂合金這種材料的應(yīng)力要求，且撓度也在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此該布置方案在工程中是可行的。

② 通常情況下，正常運(yùn)行、短路、地震三種狀態(tài)下，短路狀態(tài)時(shí)情況最為惡劣。

③ 風(fēng)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(yīng)力越大。因此在材料允許應(yīng)力不滿足要求時(shí)，可以采取減小跨距，適當(dāng)加大相間距的措施。

④ 實(shí)際工程中，對(duì)35kV管型母線的相關(guān)力學(xué)也進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)110kV的短路電流較小，且相間距較大，一般都會(huì)通過(guò)校驗(yàn)；但35kV短路電流較大，且相間距較小，短路時(shí)的彎曲應(yīng)力接近材料運(yùn)行應(yīng)力，因此一定要認(rèn)真計(jì)算校驗(yàn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

管型導(dǎo)體占地面積小、架構(gòu)簡(jiǎn)明、布置清晰、通流量大等優(yōu)點(diǎn)在某油田電網(wǎng)220kV變電站擴(kuò)建工程中很好的得到了體現(xiàn)，為今后管型導(dǎo)體在該油田電網(wǎng)的推廣起到了積極的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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