变电站软母线下料长度计算模型研究

张春宁 周勤奋 张 政 仲 宇 袁 旭



变电站软母线下料长度计算模型研究

张春宁 周勤奋 张 政 仲 宇 袁 旭

（江苏省宏源电力建设监理有限公司，南京 210036）

对于中大型变电站运行系统，母线是汇集、分配和传输电能的重要载体。由于室外空间大，气象及地质条件复杂，所以大部分采用软母线连接方式。软母线弧垂大小是检测其安装质量的重要标准，过小则增加导线拉力，过大则影响安全距离。同时绝缘子串重量、数量及高跨高低差均会对软母线弧垂产生较大影响，简单的悬链线模型无法准确计算弧垂及对应导线下料长度。本文简述软母线弧垂基本计算方式，并在此基础上提出复合模型，更精确计算软母线下料长度，提高软母线安装质量，保证供电可靠性，并在工程实践中进行验证。

变电站；软母线；弧垂；下料长度

随着国家能源规划逐步推进，地方用电负荷逐渐增加，变电站建设正在全国各地积极进行。作为重要的能量载体，软母线安装质量水准直接影响基建工程的总体水平[1]。

对于220kV及以上中大型变电站，软母线跨度较大，并受绝缘子串数量、重量等因素影响[2-3]，导线弧垂与设计弧垂往往存在差异，即导线下料长度并不能准确得到并应用于现场架线模型。

针对此情况，变电站施工技术人员根据现场情况，对软母线、绝缘子串等软母线安装过程参数进行分析、建模[4]，得到不同软母线下料长度计算公式。同时采用现场实物放样等形式，提高软母线安装弧垂的准确度。但在大部分模型分析过程中，未充分考虑软母线与绝缘子串的不同模型情况，同时对于安装高差情况未加囊括，包括在放样过程中未直接悬挂绝缘子等情况，均导致现场不能保证对软母线长度计算的一次成功性，增加了返工成本及安装误差。

本文对变电站常用软母线悬链线模型进行简要分析，并在此基础上提出复合模型，充分考虑绝缘子串、导线结构参数、高跨高差等因素，提高安装质量。

1 悬链线模型分析

为抑制导线电晕放电及降低导线电抗，在高压变电站软母线架设中常采用双分裂方式，选择导线为钢芯铝绞线（LGJ）、扩径钢芯铝绞线（LGJK）、扩径空芯铝绞线（LGKK）等材质[5-6]。因双分裂导线采用间隔棒固定，经双导线线夹及挂板与绝缘子串连接，弧垂一致，故在模型分析中进行单母线研究。

常用变电站软母线悬挂模型如图1所示，导线重量相对绝缘子及金具重量较轻，两侧绝缘子串较为平直，可近似直线，等效为双梯边模型[7]。

图1 双梯边模型

由图1可知，、段为绝缘子串近似直线段，段为软母线弧长。以软母线最低点为坐标原点建立坐标系，可推导得软母线悬链线模型。

对点进行受力分析，得

对式（1）进行化简，得

（3）

对式（4）两边进行积分，化简得

（5）

式中，为常数。由图1坐标可知，当=0时，曲线切线斜率为0，故=0。代入式（5）并化简，得

由此可知，以图1中安装段为例，若导线安装档距为，绝缘子串长度为，弧垂为，为点横坐标，根据悬链线模型可知，软母线下料长度为

根据式（7）可知，根据设计弧垂及绝缘子串长度等数据可以计算软母线下料长度。但在工程实际架线过程中，绝缘子串不能直接当成直线段考虑，且对整体软母线弧垂有一定影响。同时该计算方式仅对悬挂点无高差情况适用，而在软母线安装有高度差情况下误差较大，故需要更精确的数学模型。

2 复合模型

2.1 绝缘子串

考虑软母线悬挂两侧构架高差，以悬挂点为坐标原点建立坐标系，得到变电站软母线悬挂模型如图2所示。

图2 软母线悬挂模型

由图2可知，以点为原点建立坐标系，高差为的软母线悬挂模型可分为1～4四段部分，其中、段为绝缘子串模型，由工程实际中的金具零件与绝缘子铰接而成。可将其等效为多个不受温度及张力影响的刚体单元不连续串接而成。

以(1)段为例，分析绝缘子串刚体单元空间模型。

图3（a）为段绝缘子串模型，由个不同的刚体单元组成，图3（b）对第个刚体单元进行了受力分析，其两端受力可以等效为垂直于该段向上的力T，设第个刚体单元长度为，重量为G，水平张力为。可根据受力方程得

图3 绝缘子串模型及受力分析

同理，可得段（个绝缘子串）长度分量为

2.2 悬链软母线

由图2可知，段为悬链软母线，可采用悬链式方程表示，根据上文推导悬链线方程，以为坐标原点，建立坐标系如下。

根据上文悬链线方程推导过程，图4悬链线坐标系为将图1中原点位置左移了距离，其中为软母线弧垂最低点距离轴距离。结合式（6）及式（7），将坐标原点坐标及点斜率为零带入方程，可得悬链线方程为

将(l,)带入方程，得到：

结合图2、图3可知，软母线段档距及弧垂为

（12）

将式（8）与式（9）带入上式即可得到相应数据值。

2.3 复合模型

由上述分析可知，绝缘子串部分与软母线部分模型所选择坐标系不同，故方程不能统一表示并计算。采用坐标变换方式，得到变电站软母线安装复合模型如图5所示。

将绝缘子串及软母线统一到同一坐标系中，根据点坐标得变换方程：

将式（13）带入式（10），得到复合模型数学方程为

（14）

图5 软母线安装复合模型

其中：

（16）

根据上式可知，软母线复合模型考虑了高差、绝缘子串模型等因素，更加精确地表示出整体数学方程，从而提高变电站现场对软母线下料长度的准确性，提高工程安装质量及供电可靠性。

3 工程验证

为进一步验证所提复合模型的正确性，在220kV及500kV变电站工程施工过程中对两种情况进行数据对比分析。设计给定数据见表1。

表1 变电站设计给定参数值

根据上述表中数据进行两种数学模型软母线下料长度计算，得到不同模型下软母线长度，见表2。

表2 两种模型下软母线下料长度

表2中为根据式（7）及式（15）计算所得软母线下料长度，将不同长度软母线进行悬挂，并进一步测量软母线弧垂[8]，比较实际弧垂与设计弧垂误差值。工程现场安装图如图6所示。

（a）220kV变电站

（b）500kV变电站

图6 变电站现场软母线安装图

根据不同数学模型，得到软母线下料长度与实际弧垂关系，见表3。

表3 不同模型下软母线弧垂误差值

表3中s为现场实测弧垂值。因弧垂为软母线安装设计值中比较重要的参数，也是软母线下料的直接影响因素，对不同电压等级下设计弧垂与实际弧垂进行误差计算，得到不同设计弧垂下对应软母线下料长度误差值。

根据表3得实际误差曲线如图7所示。

图7 实测软母线弧垂误差曲线

由表3及图7数据对比可知，采用复合模型分析并计算软母线模型减小了下料长度误差，提高了一次安装的可靠性。

4 结论

综上所述，软母线安装复合模型满足工程需要，并在工程实践中得到证实，具备如下优点。

1）复合模型将绝缘子串分解为多个刚体单元，更贴近实际情况，完善了传统模型对于绝缘子串部分的分析。

2）对于传统模型未考虑高差情况，本文所提复合模型充分考虑高跨高差，并带入模型参数，提高了计算的精确性。

3）复合模型保证了软母线一次安装的准确性，减少了软母线多次下料的经济成本，提高了经济效益。

[1] 刘本粹, 喻新强, 郭日彩, 等. 扩径导线在超高压大容量输电工程中的应用展望[J]. 电网与水力发电进展, 2007, 23(11): 1-5.

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[3] 黄贤球. 几种变电站软母线档距测量方法的比较[J]. 广东电力, 2000, 13(2): 57-58.

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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

张春宁（1987-），男，甘肃静宁人，本科，工程师，主要从事电力工程项目管理技术研究工作。