110kV支持式铝镁合金管型母线的力学计算

刘刚

摘要：随着综合国力的提高，目前管型母线在电力系统建设中的应用正在逐年增加，并将在今后的配电装置选型中占主导地位。本文结合某油田220kV变电站扩建工程，介绍了110kV铝镁合金管型母线的布置方案，并对管型母线设计中的相关力学进行了详细的计算分析和校验，提出了使用管型母线的可行性。本文还分析了管型母线特有的微风振动、端部效应问题，并提出了适合本工程的切实可行的解决措施。

关键词：管型母线；力学计算；微风振动；端部效应

一、问题的提出

管型导体是空芯导体，集肤效应系数小，且有利于提高电晕的起始电压。户外配电装置使用管型导体，具有占地面积小、架构简明、布置清晰、通流量大等优点，在国内外得到了较普遍的应用。管型母线的设计不仅要充分考虑电气方面的因数，如绝缘水平、载流量、电晕（端部效应）、电气连接等，还要充分考虑机械方面的因素，如强度、刚度、微风振动等。某油田电网220kV变电站扩建中，首次采用了110kV支持式铝镁合金管型母线。本文借此分析110kV支持式铝镁合金管型母线的相关力学计算，为今后电力工程中使用管型母线积累了丰富的经验。

二、管型母线布置方案简介

某油田220kV变电站为典型的户外敞开式中型布置，现有主变容量3×90MVA，其中1#、2#为三相三绕组有载调压，电压等级220/110/35kV，3#为三相双绕组有载调压，电压等级为220/110kV。本次设计主要包括扩建4#变压器（主变容量90MVA，三相双绕组变压器），原1#、2#变压器容量由90MVA扩容为150MVA；将110kV中型布置开关厂区改造为两座110kV GIS配电装置室，1#、2#变压器对应1座，3#、4#变压器对应1座。

110kV配电装置部分改为GIS组合电器后，整个110kV厂区占地面积大大减少，原有110kV主变进线采用架构悬挂钢芯铝绞线形式不甚合理，因此改为支持式铝镁合金管型母线形式。其中3#、4#变压器110kV进线的布置方案如下图：

三、管型母线力学计算及校验

对于管型母线来说，电气方面的选择和校验不是难点，难点在于机械力学方面的计算和校验。下面以220kV变电站3#、4#变压器110kV进线为例，详细介绍下力学方面的计算和校验。

（一）计算条件：

①气象条件：最大风速vmax=35m/s，内过电压风速vn=15m/s，最高气温+40℃、最低气温-30℃。

②三相短路电流峰值：ich=31.5kA。

③结构尺寸：跨距l=7m，简单支持固定，计算跨距ljs=7m；相间距离a=1.6m；无集中荷载。工程简化可按两跨梁进行计算。

④地震力：按9度地震烈度校验。

⑤导体型号及技术特性：铝镁合金管Φ80/64，导体材料的温度线膨胀系数ax=23.8×10-6（1/℃），弹性模数E=70×105 （N/cm2）=7×105 （kg/cm2 ），惯性矩J=118.65（cm4），导体密度（比重）γ=2.7（g/cm3 ），导体截面S=1809（mm2），自重q1=4.88（kg/m），导体截面系数W=29.62（cm2），允许应力17000N/cm2。

（二）最大弯矩和弯曲应力的计算：

采用计算系数法进行机械计算。1～5跨连续梁的内力系数可见《电力工程电气设计手册电气一次部分》附表。

1.正常状态时母线所受的最大弯矩Mmax和应力σmax的计算。

正常状态时母线所受的最大弯矩由母线自重产生的垂直弯矩、集中荷载（即引下线）产生的垂直弯矩及最大风速产生的水平弯矩组成。其计算公式如下：

① 母线自重产生的垂直弯矩Mcz为：

可查得均布荷载最大弯矩系数为0.125。则弯矩为：

Mcz=0.125q1l2js×9.8=0.125×4.88×72×9.8=292.92（Nm）

② 集中荷载产生的垂直弯矩Mcj为：0（没有集中荷载）

③ 最大风速产生的水平弯矩Msf。取风速不均匀系数av=1，取空气动力系数Kv=1.2，最大风速为vmax=35m/s，則风压为：

?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）

正常状态时母线所承受的最大弯矩及应力为：

Mmax= = =529.57（Nm）

=1566.78（N/cm2）

此值小于材料的允许应力17000N/cm2，故满足要求。

2.短路状态时母线所受的最大弯矩Md和应力 d的计算。

短路状态时母线所受的最大弯矩由导体自重、集中荷载、短路电动力及对应于内过电压情况的风速所产生的最大弯矩组成。

① 短路电动力产生的水平弯矩Msd及短路电动力?d为：

?d=1.76 =6.33（kg/m）

Msd=0.125×?dl2js×9.8=0.125×6.33×72×9.8=379.99（Nm）

② 在内过电压的情况下的风速产生的水平弯矩M?s?及风压??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）

短路状态时母线所承受的最大弯矩及应力为：

Md= = =546.21（N/m）

σd=100

此值小于材料短路时允许应力17000N/cm2，故满足要求。endprint

3.地震时母线所受的最大弯矩Mdz和应力σdz为：

地震时母线所受的最大弯矩有导体自重、集中荷载、地震力及地震时的计算风速所产生的最大弯矩组成。

① 地震力产生的水平弯矩Mdx为：

Mdx=0.125×0.5×4.88×72×9.8=146.46（Nm）

② 地震時计算风速所产生的弯矩M"sf及风压：

?"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）

地震时母线所承受的最大弯矩及应力为：

Mdz= = =337.04（Nm）

σdz=100

此值小于材料地震时允许应力17000N/cm2，故满足要求。

（三）挠度的校验：

① 母线自重产生的挠度，由单跨梁力学计算公式得知，在x=0.4215ljs处最大挠度。

可查得均布荷重挠度计算系数为0.521。

y1=0.521

② 集中荷载产生的挠度，由单跨梁力学计算公式得知，在x=0.4472ljs处最大挠度。

可查得集中荷重挠度计算系数为0.911。

y2=

③ 合成挠度，由以上计算可知，跨中产生的挠度y1和y2的位置不同，但相差不远，故仍按两者位置相同的严重情况考虑。即：

y=y1+y2=1.41+0=0.73（cm）

此值小于0.5D1=4cm，故满足要求。

（四）结论：

① 通过以上计算分析可知，220kV变电站110kV铝镁合金管型母线的布置方案在正常运行时、三相短路时及地震时存在的最大应力都满足铝镁合金这种材料的应力要求，且挠度也在标准范围内，因此该布置方案在工程中是可行的。

② 通常情况下，正常运行、短路、地震三种状态下，短路状态时情况最为恶劣。

③ 风速越大，跨距越大，短路电流越大，相间距离越小，弯矩和弯曲应力越大。因此在材料允许应力不满足要求时，可以采取减小跨距，适当加大相间距的措施。

④ 实际工程中，对35kV管型母线的相关力学也进行了计算，发现110kV的短路电流较小，且相间距较大，一般都会通过校验；但35kV短路电流较大，且相间距较小，短路时的弯曲应力接近材料运行应力，因此一定要认真计算校验。

四、结束语

管型导体占地面积小、架构简明、布置清晰、通流量大等优点在某油田电网220kV变电站扩建工程中很好的得到了体现，为今后管型导体在该油田电网的推广起到了积极的指导意义。

参考文献

[1] 西北电力设计院. 电力工程电气设计手册[m]. 水利电力出版社.

[2] DL/T 5222-2005 导体和电器选择设计技术规定. 东北电力设计院、中南电力设计院

[3] 郭莉. 管型母线在220kV变电站应用的探讨 江苏电机工程 2004年 第3期endprint