李 偉/中國(guó)水利水電第七工程局有限公司
管型母線的撓度、模態(tài)分析及工程安全應(yīng)用
李 偉/中國(guó)水利水電第七工程局有限公司
管型母線主要應(yīng)用在電力建設(shè)工程中電網(wǎng)輸電導(dǎo)線與變電站變壓器之間的導(dǎo)體連接、輸電線路中的跳線、電力設(shè)備中的連接導(dǎo)體以及大電流直流融冰裝置中作過(guò)流導(dǎo)體,是取代傳統(tǒng)的矩形、槽形、棒形母線和軟導(dǎo)線的全新導(dǎo)體,是電力輸變電系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備(材料)之一,對(duì)輸變電系統(tǒng)及電力設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)管型母線的撓度、模態(tài)分析及工程安全應(yīng)用進(jìn)行了分析。
管型母線;撓度;模態(tài)分析;工程安全應(yīng)用
作為我國(guó)輸變電系統(tǒng)及電力設(shè)備連接中的重要導(dǎo)體,管型母線的重要作用受到愈來(lái)愈多的關(guān)注與重視。管型母線的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的矩形、棒性母線,是一種全新的導(dǎo)體,也是電力輸變系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,對(duì)于維護(hù)輸電系統(tǒng)及電力設(shè)備的安全運(yùn)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(guò)仿真計(jì)算等手段,優(yōu)化各種參數(shù),并采用特殊的制造工藝,生產(chǎn)出的全絕緣性母線連接系統(tǒng)??傊?,管型母線被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的變電站實(shí)踐過(guò)程中。
(1)產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)。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(hù)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(jié)),同螺栓連接的母線安全可靠,檢修方便。母線與GIS開(kāi)關(guān)柜的連接,采用MGC Type DURESCADE插拔式接頭母線段與GIS接口連接。
過(guò)去,變電站母線多采用純鋁管材質(zhì),但是純鋁管的強(qiáng)度較低,使用率不高。隨著技術(shù)的進(jìn)步,當(dāng)前可以用作鋁管母線生產(chǎn)的合金有鋁錳合金和鋁鎂兩種,并且多采用冷拔工藝成型。
表1 管型母線的選材情況
由上表中可以看出,鋁錳合金的導(dǎo)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。
表2 管型母線的載流量計(jì)算
上表中的環(huán)境溫度指的是空氣的濕度,一般指的是離地2m高且沒(méi)有陽(yáng)光照射處的溫度。在計(jì)算鋁管母線的載流量時(shí),應(yīng)該努力分析和探索環(huán)境溫度與鋁管母線之間的關(guān)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(huán)境溫度。利用某一地區(qū)的極端最高溫來(lái)計(jì)算鋁管母線的載流量,可靠性較高,但是母線的截面也會(huì)增大。就我國(guó)來(lái)說(shuō),在夏季最熱月中有一大部分的時(shí)間最高氣溫的持續(xù)時(shí)間會(huì)達(dá)到7~8小時(shí),這種氣溫下鋁管母線的壽命會(huì)大大縮短。在本次實(shí)踐過(guò)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(jìn)行計(jì)算。
在管母線的配電裝置中,管型母線除了要承擔(dān)必要的載流功能之外,還要承受一定的結(jié)構(gòu)支持受力,在多種情況的交織下母線結(jié)構(gòu)計(jì)算的難度會(huì)進(jìn)一步加大。一般來(lái)說(shuō),管型母線的強(qiáng)度與撓度的計(jì)算主要包括以下三個(gè)方面的工作:第一,自動(dòng)頻率計(jì)算。母線自動(dòng)頻率的高低與母線短路點(diǎn)動(dòng)力的大小有著直接的關(guān)系,而自動(dòng)頻率則會(huì)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(fēng)振動(dòng)指的是當(dāng)穩(wěn)定的微風(fēng)垂直于母線水平吹來(lái)時(shí),母線會(huì)發(fā)生上下交替振動(dòng)。工作人員先要測(cè)算母線的各階自振頻率,并校驗(yàn)微風(fēng)振動(dòng)的風(fēng)速,并根據(jù)地形特點(diǎn)分析是否可能會(huì)發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速小于6m/s,工作人員可以消除微風(fēng)振動(dòng)措施;第二,強(qiáng)度校驗(yàn)。要根據(jù)荷載組合的具體情況,先計(jì)算其內(nèi)應(yīng)力的大小,之后根據(jù)安全系數(shù)來(lái)校驗(yàn)強(qiáng)度。在計(jì)算荷載時(shí),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(lái)計(jì)算各個(gè)狀態(tài)下的導(dǎo)體水平及垂直彎距,從而進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn);第三,撓度計(jì)算。如果管型管線的撓度過(guò)大,會(huì)影響變電站配電裝置的美觀性,也會(huì)影響母線的結(jié)構(gòu)受力情況。
微風(fēng)振動(dòng)會(huì)對(duì)管型母線的應(yīng)用產(chǎn)生一定的影響,因此在選擇管型母線的過(guò)程中,要防止出現(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)的情況。第一,要在管內(nèi)加裝阻尼線;第二,加裝動(dòng)力消諧器;第三,采用長(zhǎng)托架。要高度重視集中荷載的影響,保證阻尼效果。
第一,要注意維護(hù)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(hù)母線的速動(dòng)性。在發(fā)生故障之后,要確保動(dòng)作迅速,從而保證故障迅速切除,以免造成電力系統(tǒng)失穩(wěn),這也是保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。同時(shí)要注意二次電流畸變情況,防止出現(xiàn)不利現(xiàn)象;第三,要注意維護(hù)母線的可靠性。如果母線保護(hù)如果動(dòng)作,就會(huì)跳開(kāi)母線上的所有開(kāi)關(guān),母線保護(hù)的可靠性會(huì)受到影響,也會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。要提高母線保護(hù)的可靠性、安全性,防止出現(xiàn)外部短路的情況。而母線的可信性是指母線在故障時(shí)要保證母線保護(hù)的可靠動(dòng)作,防止引動(dòng)。
沙坪二級(jí)水電站:裝機(jī)容量為6臺(tái)單機(jī)容量為58MW燈泡式貫流機(jī)組(目前亞洲最大),發(fā)電機(jī)額定電壓10.5KV,機(jī)組額定電流為3447A。電站廠房較為緊湊,若采取傳統(tǒng)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(jì)算為623A,則每相至少需并聯(lián)6根。為方便其他機(jī)電設(shè)備布置,節(jié)省空間,經(jīng)與電站業(yè)主方協(xié)商,決定采用全絕緣銅管母線。經(jīng)計(jì)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(fā)電機(jī)引出線至PT柜之間的絕緣銅管母線為戶內(nèi)布置,采用支架及吊裝方式,沿電纜溝分層布置?,F(xiàn)場(chǎng)布置極為靈活方便,適應(yīng)性非常強(qiáng)。
(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(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),對(duì)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(yīng)鍍銀或搪錫,安裝前用丙酮或無(wú)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(guò)程中通過(guò)調(diào)整兩端母線同軸度,保證導(dǎo)體端部盡量不留間隙,用丙酮或無(wú)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(dǎo)電膏,調(diào)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(yīng)重新調(diào)整兩端母線同軸度;
按設(shè)計(jì)圖紙要求安裝屏蔽筒和熱縮套管,接頭應(yīng)滿足通流和溫升要求,接頭處的絕緣結(jié)構(gòu)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(yùn)行維護(hù)的安全。
(3)與設(shè)備連接要求:絕緣母線端部采用哈弗式螺接過(guò)渡接頭,絕緣銅管型母線與設(shè)備之間采用銅質(zhì)軟連接方式。
(4)接地要求:母線支撐、懸吊等鋼構(gòu)建由安裝單位將其用型號(hào)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(diǎn)接地(可分段各自獨(dú)立接地),避免絕緣管型母線的接地線因多點(diǎn)接地而產(chǎn)生環(huán)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(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收要求。驗(yàn)收絕緣管型母線時(shí),其表面絕緣層應(yīng)光滑無(wú)傷痕;主絕緣電阻應(yīng)不小于100MΩ,絕緣銅管母線布置方案清晰簡(jiǎn)明,與發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)柜端子的連接也十分簡(jiǎn)單,并且銅的溫度線性膨脹系數(shù)小于鋁及其合金導(dǎo)體,因此在不長(zhǎng)的距離內(nèi)銅管母線無(wú)需加母線伸縮節(jié)(導(dǎo)體與其他設(shè)備間的連接須裝設(shè))。一般情況下,由專業(yè)的供貨廠商負(fù)責(zé)管母線的現(xiàn)場(chǎng)施工、安裝費(fèi)用,對(duì)于施工方而言,可以極大的減少安裝工程量。同時(shí),管型母線安裝后,幾乎可以終身免維護(hù),維護(hù)運(yùn)行成本低,達(dá)到了電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。
總之,相比其他類型的母線來(lái)說(shuō),管型母線配電裝置的占地面積較少,無(wú)線電干擾較小,并且美觀。通過(guò)在沙坪二級(jí)水電站的應(yīng)用看,管型母線比傳統(tǒng)的母線具有更多的優(yōu)點(diǎn),也使輸變電運(yùn)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(tǒng)中連接中推廣應(yīng)用。
[1]王中虎.管型母線的特點(diǎn)及在變電站的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2015(2):50.
[2]王健.水電站全絕緣母線的安裝和試驗(yàn)[J].科技與創(chuàng)新,2014(9):6-7.