支持式管型母线的力学计算在电力工程中的应用

支持式管型母线的力学计算在电力工程中的应用摘要：管型母线的设计不仅要充分考虑电气方面的因数，还要充分考虑机械方面的因素。本文选取了电力工程中不同电压等级500kV和110kV的户外配电装置支持式管型母线的布置作为代表，针对管型母线电晕校验，机械强度校验，扰度计算，短路电动力的计算以及对应的支柱绝缘子的受力分析进行研究，并对计算结果进行分析，得到的相关结论对支持式管型母线的相关计算在电力工程的应用提供参考意义。关键词：支持式；管型母线；电晕校验；扰度；微风振动；短路电动力引言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[1]。目前管型母线布置形式主要有悬挂式和支持式中型布置两种形式[2]。其中支持式管型母线，具有同流能力大、占地面积小，可大幅简化变电站架构形式、节约占地面积、钢材和建设工程量等优点，被广泛应用于交流变电站户外配电装置的布置[3]。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[4]。在管母线配电装置中，管母线除承担载流功能外，还需承担本身的结构支持受力，正是由于这种结构受力而使土建结构大大简化，但同时也增加了电气的结构计算工作量。管母线结构计算工作主要有三项，即母线挠度计算，强度校验，短路电动力的计算。本文选取了电力工程中不同电压等级500kV和110kV的户外配电装置支持式管型母线的布置作为代表，针对管型母线电晕校验，机械强度校验，扰度计算，短路电动力的计算以及对应的支柱绝缘子的受力分析进行研究，并对计算结果进行分析，得到的相关结论对支持式管型母线的相关计算在电力工程的应用提供参考意义。1

管型母线的电晕校验管母表面工作场强决定于最高运行电压、导体直径及相间距离等。管母表面工作场强计算：2

管型母线的力学计算2.1管型母线的扰度计算在母线载流容量不大的变电所中，母线挠度往往成为管母线选材的首要的控制条件。母线挠度太大，不但影响美观，而且易使母线结构受力不正常。各国铝管母线挠度标准如表1。表1

各国铝管母线挠度标准其中加拿大、英国规定在冰荷载下取D值，美国、日本在特殊情况下取D值。本工程按我国SDGJl4—86规定，在正常状态下的挠度不大于0.5D。

2.2管母微风振动母线自振频率关系到短路电动力的大小及微风振动影响。自振频率受跨距、跨数，截面、材料刚度、支撑安装形式等因素影响，详细计算复杂，由于实际工程应用中分散因素较多，一般可用简化公式计算。管型母线有一个已知的特性，即当稳定的微风垂直于母线水平吹来时，会使母线发生上下交替的振动，这种振动称为微风振动。（1）微风振动频率计算

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支持式管型母线的计算在电力工程中的应用在电力工程中对于导体的选型，首先需要对导体进行工作电流、机械强度和电晕的校验。本文针对在户外配电装置布置中最常用的管型母线，讨论其电晕和机械强度的校验在实际电力工程中的应用。（1）管型母线选型的影响因素本文以500kV平果变电站的扩建一个500kV配电装置间隔为实际工程应用实例，进行管母选型的影响因素分析。本站新增主母线布置方式与前期统一，采用支持式管母布置。前期的管母6063G-Φ250/230，管母惯性矩J为5438mm4，单位荷载为24.69kg/m，弹性模量E为6.9×105kg/cm2，本期新增间隔管母的跨距L为34m，垂直伸缩式隔离开关静触头重量70kg。通过2.3节中式（3）~（4）计算得到管母扰度为0.82D>0.5D不满足要求。当挠度超标时，可采用加大管径，减小壁厚的方法或采用长托架的方法。通过2.3节中式（5）~（6）计算管母的微风振动得到结果如表2和表3：表2

微风振动计算结果表由表中结果可知当计算风速小于6m/s时，需采取消除微风振动措施。可采用①在管内加装阻尼线。②加装动力消谐器。③采用长托架的方式。综上本工程本期扩建的间隔新增管母按6063G-Φ300/280考虑，500kV管母支持绝缘子跨距27m，支持绝缘子托架按MGTFX-300型号考虑，该金具托架有效长度为6米，对应管母挠度计算长度为21米，管母阻尼线采用LGJ-800/55。单位重量2.69kg/m，管母惯性矩J为9584mm4。500kV新增管母断面示意图如图1。图1

500kV新增管母断面示意图通过2.3节中式（3）~（4）计算得到管母扰度为0.448D<0.5D满足要求。增大管母管径后对管母电晕进行校验，通过2.3节式（1）~（2）计算得工作场强为4.75kV/cm为远小于临界起晕场强26.966kV/cm。因此管母电晕满足要求。（2）管型母线的机械强度强度校验本文中500kV平果变电站的站址最大风速30m/s，短路时风速15m/s，覆冰时的风速为10m/s。覆冰厚度10mm。系统三相短路电流峰值：160kA，跨距34m，（选用锦兴金具MGTFX，长度按6米考虑），计算跨距可按=21m，管母相间距离7m。管母选用φ300/280铝合金管母，导体弹性模量为6.9×105kg/cm2，惯性矩9585cm4，导体密度2.7g/cm3，导体截面系数651.15cm3。自重24.86kg/m（未考虑覆冰重）。衬管尺寸为φ279/259，单位长度重量为23kg/m，长度为1m。引下线LGJ-800/55，1根，长度按7m计算。单位长度重量2.69kg/m，外径38.40mm。由2.3节中的公式计算得：正常状态时母线所承受的最大弯矩及应力为：不考虑覆冰时的19496.65（Nm）；2994.19（N/cm2）考虑覆冰时20917.94（Nm）；3212.46（N/cm2）短路状态时母线所承受的最大弯矩及应力为：28017.42（Nm）；4302.76N/cm2管母的极限强度最小值18000N/cm2和屈服强度最小值为16000N/cm2。由上述计算可知，管母在三种工况下承受的最大弯矩均小于材料允许应力，故满足要求。（3）管母支柱绝缘子的选型在上述管型母线的机械强度强度校验计算的基础上，进行500kV平果站扩建区域新增管母支柱绝缘子选型的计算，通过2.3节中的计算公式得到13.36kN。因此本工程中新增管母绝缘子的弯曲破坏负荷不得小于20kN。（4）三相管型母线的受力计算分析在交流户外配电装置中，管型母线A，B，C相一般呈平行的布置方式，对于管型母线A，B，C三相的受力进行分析。在正常状态下，管母受到的力为风压（）产生的水平横向力和水平纵向力，还有由于重力等产生的垂直方向的力。在短路情况下管母受到的水平横向力为风压（）和短路电动力（）矢向合力，水平纵向力为0，垂直方向的力不变。中性点接地系统，一般情况下，三相短路电流是大于单相短路电流的。本文以三相短路为例，三相管母的受力如图2所示。在上述计算的基础上，进行500kV平果站扩建区域管型母线的受力分析计算。正常状态下，最大风速时管母的水平横向力：

金具重量：管母终端球一个40kg，两个共80kg。管母之间的连接采用金具MGTS1/3（三分裂NAHLGJQ-1440导线），该金具重量98.5kg（锦兴样本），加上导线总共18m×4.898kg/m（3分裂导线总长18m）+98.5kg=186kg。新增管母托架MGTFX1-300和MGTFX2-300的重量为820kg。隔离开关静触头70kg，引下线LGJ-800/55，长度按7m计算。单位长度重量2.69kg/m。管母自重加上金具等重量，得到垂直方向力为：（5）三相管型母线的受力计算与土建专业的接口在电气工程设计中，存在着电气专业设计与土建专业设计的接口。管母支柱绝缘子的基础大小及桩基深度与管型母线的受力大小及管母支柱绝缘子的支架形式有关。现工程设计中需明确土建专业对受力的需求，电气专业对管型母线的受力进行计算，对土建专业提资。管型母线现有的支架形式有：单柱式支架，T型支架，型支架。因土建基础大小及受力的限制，不同电压等级的管母支柱绝缘子支架形式不同。一般500kV交流户外配电装置中管母支柱绝缘子一般采用单柱式支架，220kV及其以下交流户外配电装置中管母支柱绝缘子一般采用T型或型支架。本文分别以500kV平果变电站500kV配电装置区域，1000kV济南站110kV配电装置区域作为例子，对三相管型母线进行受力计算分析，给土建专业提资得到表4~表5。500kV平果变电站500kV配电装置区域管母支柱绝缘子支架为单柱式，见图3。1000kV济南站110kV配电装置区域分支母线的支架为型支架，见图4。图4

110kV管母支柱绝缘子支架表4

500kV平果变电站500kV管母支柱绝缘子受力提资设备端子受力由计算结果可知，虽然高电压等级的短路电流水平比较高，但是由于低电压等级的布置更为紧凑，相间距离更小，且一般为多跨式布置，管型母线的受力不一定更小。因此，在进行三相管型母线的支柱绝缘子对土建提资时，需要进行相关受力计算。4

结语本文对支持式管型母线的电晕校验，扰度计算，机械强度校验以及管型母线的支柱绝缘子选型的相关计算进行了介绍。并将管型母线的相关计算应用到工程实际中。通过扰度对管母选型的影响，以及管型母线的受力分析对土建专业提资进行分析和实践验算，得到的相关结论对支持式管型母线的相关计算在电力工程的应用提供参考意义参考文献：[1]郭莉.管型母线在220kV变电站应用的探讨[J].江苏电机工程，2004，第三期.[2]刘刚.110kV支持式铝镁合金管型母线的力学计算[J].魅力中国，2017，35：264-265.[3]张曦，邹宣，何增科，等.支持式管型母线在330kV户外配电装置中