220kV配电装置悬吊式铝管母线的设计探讨

1、220kV 配电装置悬吊式铝管母线的设计探讨宁夏电力 2007 年第 6 期22Okv 配电装置悬吊式铝管母线的设计探讨 孙丽娟(宁夏电力设计院 ,银川市 750001)摘要 :220kV15 电装置母线选用悬吊式铝管母线 ,具有母线穿越功率 大,抗震性能好 ,母线弧垂小等优点 ,逐步在宁夏地区工程中采用 .本文结合小坝 220kV 变电站 220kVi5 电 装置的设计 ,从管母线电动力 ,挠度 ,应 力,悬吊式绝缘子串选择等多方面 ,论述 220kv 配电装置悬吊式铝管母 线选择方法和结果 ,为今后悬吊式铝管 母线的选择提供参考 .关键词:悬吊式铝管母线 ;挠度;短路电动力 ;应力;微风振

2、动中 图 分 类 号 :TM726 文 献 标 志 码 :B 文 章 编 号:16723643(2007)06000103Discussiononthedesignforhangingpipetypebus-barof220kVdistributionequ ipmentSUNLi_JIlan (NingxiaElectricPowerDesignInstitute,Yinchuan,750001,China) hhasthefollowingmerits:larger throughpowerflowofbusbar,bettershockresistantfunctionandlessbu

3、s-bar droopingare.Accordingtothedesign of220kVdistributionequipmentin220kVXiaobaSubstion,fromtheelectric drivingforce,flexibility,stressand hanginginsulatorstrings,discussestheselectivemethodsandresultsofhanging pipetypebus-baron220kV distributionequipment,providestheselectingreferenceforthehangingp

4、ipetyp ebus-bar.Keywords:hangingpipetypebus bar,flexibility;shortcircuitelectricdriving force;stress;breezeeoscillation1 引言220kV 屋外配电装置从穿越功率大和节省占地等因素 考虑 ,部分母线型式选用铝管母线 .铝管母线的安装方式目 前有支持式和悬吊式两种 .宁夏地处地震多发区 ,支持式铝 管母线由于抗震性能差 ,不适用于宁夏地区 .因此 ,悬吊式 铝管母配电装置布置形式在宁夏地区的工程设计中逐渐多 起来,目前,已广泛应用于 330kV,220kV 配电装置中 .本文 通

5、过对小坝 220kV 变电所的 220kV 配电装置悬吊式铝管 母线的挠度 ,电动力,应力计算 ,悬吊绝缘子串的选择 ,铝管 母线相间距离的确定 ,布置型式及占地等方面的论述 ,对悬吊式铝管母线的布置进行探讨2 工程概况小坝 220kV 变电所位于青铜峡地区青铜峡铝厂与大坝发电厂之间，是1座220kV枢纽变电所，变电所设有220kV,110kV,35kV3 个电压等级.最终建设规模为 :180MVA变压器1台,240MVA变压器1台;220kV进出线10回,共 15个间隔.根据小坝 220kV 变电所在系统中的地位以及变电所的规划容量 ,负荷性质,出线回路数量 ,供电可靠性等因素 , 确定 2

6、20kV 配电装置接线采用双母线带旁路接线 ,设专用 旁路和专用母联断路器 .随着电力系统规模的扩大 ,母线长 期允许工作电流有越来越大的趋势 ,根据本变电所 220kV 母线穿越功率 ,悬吊式铝管母线的挠度 ,电动力,应力,短路 收稿日期 :200709 20作者简介:孙丽娟（1 963一）,女,工程师,从事变电站电气一次设计工作宁夏电力）2007年第6期220kV配电装置悬吊式铝管母线的设计探 讨及大风情况下管母线位移等因素,220kV母线选用qb200/10铝锰合金管母线，母线构架高度为12m,管母线中心对地高度为9.33m,间隔宽度13.5m,断路器单列布置.3 计算条件3.1 系统条

7、件 短路电流计算水平年为 2010 年（不包括大坝三期扩建）,220kV母线上三相短路电流为30.37kA,单相短路电流 为 29.46kA;220kV 母线穿越功率最大可达 1050MW（ 考虑 极端则可达 1300MW）.3.2气象条件（见表 1）表1气象要素单位数值极端最高气温C 38.5极端最低气温C一 26,9日照强度 W/cm（风速0.5rrds）0.150年一遇10m高10min平均最大风速,rds20.7（1）污秽等级：111级.（2）地震设防烈度 :8 度.4悬吊式铝管母线的选择4.1 悬吊式铝管母线的特点 悬吊式铝管母线是将铝管用绝缘子串吊起来 ,悬挂在 母线门型架上 ,它

8、使用了悬式绝缘子串 ,避免了棒型支柱绝 缘子抗震性能差的缺点 ,同时由于采用铝管母线 ,保留了母 线弧垂小,风偏位移小 ,对母线构架拉力小等优点 .因此,它 是介于耐张的软导线和支持式硬母线之问的一种母线形 式.它突出的优点是母线穿越功率大 ,抗震性能好 ,母线弧 垂,风偏摇摆和对构架拉力都比较小 .悬吊式铝管母线布置 方式主要用于要求母线风偏位移小 ,而又需要抗震的地方 4.2悬吊式铝管母线挠度 ,电动力 ,应力4.2.1 铝管母线的挠度 悬吊式铝管母线的挠度允许标准没有支持式铝管母线 严格,因为铝管的两端用金具悬吊起来 ,是固定连接 ,跨与 跨之间用软导线连接 ,没有因为铝管挠度过大而造成

9、金具 失常的问题 .挠度是由单柱式隔离开关的要求和适当考虑 美观等其他的因素控制 .根据规程要求管形导体在无风无 冰正常状态下的挠度，一般按不大于管母线直径的0.51 倍考虑，但为安全起见，对于大型枢纽变电站，以0.250.5 倍的铝管母线直径为挠度的允许标准.挠度 Y 计算如下:Yy4-y2=1” 1 x gj xx 1 x .,)r2(1OOXExJ)=105(mm)式中:Y 一母线自重产生的挠度；y2 一集中荷载产生的挠度 ;?2?(=0.632)一均匀荷载最大挠度系数 ； r2(=1.079)集中荷载最大挠度系数；j(=16.3) 自重(kg/m);P(=35)跨中集中荷载(kg);E

10、(=71000)弹性模数 E(kg/mm2);.,(=2701)一惯性矩 J(cm);(=11.03)一计算跨距 L.(m).由计算可知 ,220kV 悬吊式管母线的跨中挠度为105mm,满足要求.4.2.2铝管母线的短路电动力 ,相间距离 悬吊式铝管母线的支座性质和支持式铝管母线不同 . 对于支持式铝管母线来讲 ,考虑到支柱绝缘子的自振频率 与铝管母线相差较多 ,一般可以认为支柱绝缘子不参加铝 管母线的运动 ,作为刚性支座处理 ;而悬吊式铝管母线 ,它 的悬吊点是柔性的 v 型绝缘子串 ,其在水平方向的刚性较 差,它在短路电动力和风力的作用下 ,悬吊点将会发生水平 位移,因此,铝管母线的悬吊

11、点在水平方向应当作弹性支座 处理.由于弹性支座的影响 ,使得悬吊式铝管母线的短路电 动力大大降低了 .220kV 悬吊式管母线的相间距离采用 3m,水平档距(x)2.2m,垂直档距(Y)2.67m,横向档距(z) 1.45rlljl,ll母母线边相距构架距离为3.5m,旁路母线边相 距出线构架中心线距离为4.5m根据计算,220kV悬吊式 管母线之问在30m/s的大风作用下，跨中的水平位移为 0.429m,在短路电动力的作用下，跨中的水平位移为 0.825m而规程规定220kV电压等级屋外配电装置 A1值 为 1800mm(600ram),A2 值为 2000mm(900mm).由此可 见,悬

12、吊式管母线之间的连接在短路和大风时相问距离及 相对地的距离均能满足规程要求 .4.2.3 铝管母线的应力220kV 悬吊式铝管母线正常状态时所受应力为 :6 一 =lOOxM- 七 M2+M)as/W=2051N/cm2220kV 悬吊式管母线短路状态时所受应力为 :s 一=IOOxMMq+OMM21fW=3458N/cm220kV 悬吊式管母线地震状态时所受应力为 :s=IOOxRMMq2+M*M”1.s/W=I789N,cm2式中:(=X *9.8)母线自萤j护自莹弯距；(二n 125)均匀荷载最大弯距系数；(=X XPX8)一集中荷载产生的垂直弯距； ,(=0.25)一集中荷载最大弯距系

13、数 ；(=X, *8)一最大风速产生的水平弯距 ；(=04xKxDxV2/1) 一大风情况下母线风压；皿.(=1.0)一风速不均匀系数 ；K(=1.2)一空气动力系数；D, 一管母线外径 ；宁夏电力2007年第6期220kV配电装置悬吊式铝管母线的设计探 讨最大风速 (30rn/s);(=Xxxx9-8) 一短路电动力产生的水平弯距.3).现在工程中应用的铝管母线型号为 6063G型,这种型 号的管母线的允许应力为12143N/cm2.由以上计算可以看 出,它们所受的应力均较管母线本身的材料允许应力小得 多,裕度较大.所以,现在工程中管母线直径的选择主要取 决于母线的通流容量的大小和挠度变化的

14、要求 ,而与管母 线本身的强度的关系不大 .5 悬吊式绝缘子串的选择 悬式绝缘子串按电气方面的条件进行选择与普通软母 线相同 ,主要按工频过电压 ,操作过电压和雷电过电压等条 件选择.工频电压要求的绝缘子串片数 m按下式选取：m式中:m 每相绝缘子片数系统最高电压 （252kV）;A爬电比距，A=2.5cmv（爬电比距按III级取值）;每片悬式绝缘子的几何爬电距离 ,L.=45em;绝缘子爬电距离的有效系数 ,对标准型绝缘子 ,般取 1.00;防污型（双伞型和三伞型 ）取 0.95.本工程选择 XWP 一 70 型双伞型绝缘子 ,有效系数取 0.95.计算得,m=15.考虑绝缘子老化等因素，工

15、频电压要求 的绝缘子串片数取值 16.输变电工程各种空气间隙研究结果表明 ,按照工频 电压选择的绝缘子片数也满足操作过电压和雷电过电压的 要求.悬吊式管母线与软母线不同之处是悬式绝缘子串的 拉力和软母线不同 ,由于采用了 V 型绝缘子串 ,在风力 和短路电动力的作用下 （水平方向 ）,迎风的一串被拉 紧,背风的一串则松弛 ,绝缘子串的拉力由拉紧的状态 控制,它由正常时的静荷载和短路时的动荷载两个条件 决定经过计算,在短路和大风情况下，倾斜悬挂的v型 绝缘子根部对梁上挂点的3向f纵向，横向，垂直）拉力不 超过5.5kN,垂直悬挂的v型绝缘子根部对梁上挂点的 拉力不超过7.5kN.同时由于该所污秽

16、等级为皿级，为了 满足母线安装尺寸 ,不增加或减少绝缘子串长度 ,悬吊 式绝缘子串可以选用 XWP 一 70 绝缘子片 , 单片爬电距离 为450mm,结构高度为146mm,同时加装花篮螺栓（可调 长度 500mill 800mm）.6 母线微风振动的问题 目前,我区采用的管母线配电装置其母线横截面均为 圆形,因为这种母线制造 ,安装简单 ,造价较低 ,因而无论是 在支持式或悬吊式管母线结构中得到了广泛的使用,但是,根据流体力学原理 ,当气流通过与流速方向垂直的圆柱状 母线柱体时 ,在母线的上 ,下两侧交替的产生压力差 ,形成 对母线周期性地干扰力 ,当干扰力的周期与圆柱体结构的 白振频率的周

17、期相近或一致时 ,就会产生共振 ,形成微风振 动,即出现卡曼涡流现象 ,将会对母线系统产生危害 . 鉴于微风振动的存在和起因 ,在设计管母线配电装置 时已采取了如下相应的措施 ,以确保母线安全 . 管母线配单柱式隔离开关的配电装置 ,因单柱式隔离 开关的静触头安装于母线上 ,静触头组装成圆环状消振环 形式（双环） ,圆环同时具有导电元件 ,消振器弹性元件和 振动阻尼的作用 ,其原理是振动时 ,圆环反复的弯曲变形 , 钢芯铝绞线股间产生 ,从而形成消振器的质量与其在母线 上悬吊点之间的阻尼 .同时对于悬吊式铝管母线来说 ,因 为悬吊式铝管母线的阻尼作用主要由绝缘子串的内摩擦 力及铝管母线与绝缘子

18、串的连接点具有各个方向的位移 引起.当倾斜 v 型悬吊式铝管母线时 ,绝缘子串的拉力较 大 ,用球头绞接的各片绝缘子之间的摩擦显着增加 ,使结 构阻尼比增加 ,因此倾斜 v 型悬吊式铝管母线对微风振 动具有较好的阻尼作用 ,故在工程中不需考虑铝管母线的 微风振动 .7 母线的放电问题 由于铝管母线的端部电力线比较集中 ,电场强度很高 , 在较低的工作电压下就会使周围空气强烈游离 ,使端部支 柱绝缘子在雷电 ,操作过电压作用下易于放电 ,从而使铝管 母线对地绝缘水平下降 ,工程中通过母线端部加装终端球 和延长母线端部的措施来改善铝管的电场分布 ,使之趋于 均匀.悬吊式铝管母线对构架的放电通过对母

19、线横梁和人 字柱腿两条路径进行 ,又因为人字柱腿的几何尺寸比横梁 （下转第 37 页）?3.-9夏电力）2007年第6期母联TA中母差绕组的选择对母线保护范围的影响4 结论（1）母联 TA 中母差绕组的选择对 I 段母线或 II 段 母线短路故障时 ,保护都有正确的选择性 ,动作范围没 有影响.（2）母联 TA 中母差绕组的选择 ,在母联 TA 出现故障时 , 有不同之处 :选择离极性端最远的保护绕组 （图中的 3s 绕组）, 保证在保护绕组之间短路时 ,仍具有选择性 ,对母差保护的 动作范围没有影响 .选择其他保护绕组（图中的1s,2S绕组时）,则保护 绕组之间短路时 ,均存在选择性的死区

20、,对母差保护的动作 （上接第 3 页）大, ”地”的作用显着 ,铝管母线容易对人字柱腿放电 .特别 是悬吊式管母线之间连接的软导线在短路力和风力作用下 发生摇摆时 ,摇摆的大小决定了悬吊式管母线配电装置中 管母线对人字柱腿的距离 .8金具选型及伸缩节跨数在实验和工程实践中 ,220kV 电压等级铝管母线金具 电晕问题不突出 ,对金具制造要求不是很高 ,只需将金具的 边角毛刺打光即可 .而对于悬吊式管母线来说 ,金具形状较 支持式铝管母线简单一些 .为了消除铝管母线热胀冷缩产生的内力 ,铝管母线必须安装伸缩节 ,安装伸缩节跨数的选 择与微风震动 ,电动力 ,伸缩量的大小及铝管母线的跨距有 关,但

21、起主要作用的仍然是铝管母线在运行中最大温差条 件下产生的伸缩量 ,而安装数目又不宜太多 .此外 ,还应考 虑铝管母线施工时安装起吊可能的单根最大长度,故设计采用 3-4 跨安装一个伸缩节 .9管母线配电装置的布置形式220kV 悬吊式管母线配电装置中 ,悬吊式铝管母线 配电装置母线构架为 ”门”形架 ,220kV 接线为双母线带旁路，母线架构12m高,1,11母母线构架宽分别为13m 和13.3m,旁路母线由于和出线架组合，考虑满足带电距 离要求，母线构架宽为13m或13,5m.由于出线阻波器 安装方式为落地安装 ,纵向尺寸较阻波器悬挂安装方式 增加 1.4m.范围有影响 .综上所述,母联 TA 中的母差绕组应选择离极性端最 远的保护绕组 ,即以 I 段母线为极性侧时 ,选择最靠近 II 段 母线的保护绕组 .参考文献 :1 毛锦庆 ,赵自刚 ,马杰等 .电力系统继电保护实用技术问答 （第二版）.中国电力出版社 ,2002,2.2 BFL_B 微机母线保护装置技术说明书 （V