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        變電站水平雙分裂導線的短路張力分析

        2012-09-22 00:27:28張謝平
        電力建設 2012年3期
        關鍵詞:狀態(tài)方程間隔張力

        張謝平

        (華東電力設計院,上海市,200001)

        0 引言

        為了消除電暈、提高載流能力,變電站內(nèi)的220和500kV導線多采用水平雙分裂形式。當同相導線中有短路電流通過時,2根次導線之間的電磁吸引力使導線發(fā)生變形,從而產(chǎn)生一個附加的彈性拉力,該拉力通常稱為分裂導線的“第一最大張力”[1-4]。

        第一最大張力對導線、絕緣子、架構(gòu)以及電氣設備端子有很大的影響[5-7]。目前設計人員多使用文獻[1]提出的方法來計算第一最大張力,即以相鄰間隔棒之間的一段導線作為研究對象,根據(jù)短路前后導線形狀和長度的差異來推導出附加張力值。文獻[1]提出的方法雖然簡單,但卻存在較大的計算誤差,在初始張力較小的情況下誤差更大。

        文獻[2]也提出了計算第一最大張力的方法,推導了短路時絕緣子串的位移和構(gòu)架的彈性變形,較文獻[1]的方法有所改善。但該方法只適用于懸掛點等高、無引下線的簡單情形,未對導線的整體狀態(tài)做出描述。

        本文將以整跨導線作為研究對象,推導短路情況下導線的狀態(tài)方程,通過求解狀態(tài)方程得出短路時的導線張力以及變形量。與文獻[1]的計算方法相比,本文的研究對象為導線的整體而非局部,并且對絕緣子串、引下線等都進行了分析,經(jīng)實例計算證明所提出的方法更為合理。

        1 未發(fā)生短路時軟導線的狀態(tài)方程

        根據(jù)文獻[1],軟導線狀態(tài)方程為

        式中:H為軟導線水平張力;S為導線截面積;αx為導線溫度系數(shù);θ為導線溫度;E為導線彈性模量;γ為不等高懸掛時的傾斜角度;D為各段導線荷載因數(shù)之和,D=∑ΔD,m和n對應2種不同的導線狀態(tài)。

        軟導線的形狀如圖1所示。若已知狀態(tài)n的張力,則求解式(1)便可求得狀態(tài)m對應的張力。

        2 發(fā)生短路時軟導線的狀態(tài)方程

        當雙分裂導線中流過短路電流時,由于2根次導線的相互吸引作用,導線的長度和水平張力都會發(fā)生變化,此時仍可用式(1)對導線進行求解。

        圖1 不等高懸掛的軟導線Fig.1 Flexible conductor with two ends suspended at different height

        2.1 次導線受力分析

        當2根次導線中流過相同的電流時,由于電磁力的作用,2根導線會相互吸引,從而使導線發(fā)生形變,如圖2所示。

        圖2 短路時次導線受力變形示意Fig.2 Schematic diagram of sub-conductor’s deformation during short-circuit

        圖2 中,b為分裂間距;Δs為間隔棒間距;Qe為2根間隔棒之間的電磁吸力;r0為次導線半徑;Δs'為接觸狀態(tài)時的接觸長度。

        根據(jù)電磁場定律[8],電磁力可有如下的近似表示:

        (1)導線不接觸時為

        (2)導線接觸時為

        式中I為單根導線中通過的短路電流周期分量有效值。

        根據(jù)力矩平衡條件,電磁力和導線水平張力之間有如下關系:

        (1)導線不接觸時為

        (2)導線接觸時為

        由式(2)~(5)可得

        (1)導線不接觸時為

        (2)導線接觸時為

        2.2 發(fā)生短路時導線的長度

        根據(jù)圖2所示,軟導線的長度可表示為[1,9]

        式中:si為各段分裂導線(相鄰兩間隔棒之間)由短路引起的長度增量。

        (1)導線不接觸時為

        (2)導線接觸時為

        2.3 發(fā)生短路時導線的狀態(tài)方程

        由于短路不會改變導線垂直方向的受力,因此短路前后荷載因素亦無變化。在式(1)的基礎上,推導出導線狀態(tài)方程[1,10]:

        (1)導線不接觸時為

        (2)導線接觸時為

        發(fā)生短路時,狀態(tài)方程中除了增加水平張力H外,又增加了變量fi(不接觸狀態(tài))或變量Δs'i(接觸狀態(tài)),同時增加了方程的個數(shù)。通常一跨導線中的間隔棒均勻放置,因此各小段分裂導線的變形相同。

        3 計算實例

        算例1:變電站內(nèi)的500kV設備連線采用水平雙分裂軟導線,設備間無高差。導線跨距為8m,分裂間距為400 mm,間隔棒每隔1m布置1副。導線型號為2×LGJQT-1400,間隔棒型號為MRJ-1400-400,短路前導線弧垂為0.8m,短路電流為63 kA。用文獻[1]和本文的方法分別進行了計算,計算結(jié)果見表1。

        表12 種計算方法結(jié)果(算例1)Tab.1 Comparison between two methods(example 1)

        算例2:變電站內(nèi)采用水平雙分裂跨線,長度為50m,絕緣子串為1×31×XWP-100的耐張串和可調(diào)串,導線型號為 2×LGKK-600,分裂間距為400 mm,間隔棒型號為MRJ-600K-400,每隔10m設置1副。導線等高懸掛,短路前弧垂為3m,短路電流為63 kA。用文獻[1]和本文的方法分別進行了計算,結(jié)果見表2。

        表2 2種計算方法結(jié)果比較(算例2)Tab.2 Comparison between two methods(example 2)

        由表1、2可見,由于初始張力較小,2種計算方法的結(jié)果相差很大,其中短路張力相差近10倍。因此用文獻[1]的方法計算此類工況時誤差太大,不宜采用。對于較長的跨線,由于初始張力較大,2種方法計算所得的短路張力相差不大,但導線的接觸長度有較大差別。

        2種方法之所以有如此大差異,是因為文獻[1]將相鄰間隔棒之間的一段導線作為研究對象,通過比較短路前和短路時該段導線的變形及受力情況,來計算出短路時的導線張力。該方法雖然簡單,但卻忽視了導線的整體狀態(tài):短路時在電磁力的作用下,不僅2根次導線的間距發(fā)生變化,整跨導線的弧垂、張力、長度也隨之改變,只有將整跨導線作為研究對象才會得出較精確的結(jié)果。

        4 結(jié)語

        本文推導了短路情況下水平雙分裂導線的狀態(tài)方程,可用于求解短路時的導線狀態(tài)和張力。

        此狀態(tài)方程雖然為非線性方程組,但通常間隔棒在1跨導線中為均勻放置,因此方程組中除了水平張力外只增加了1個未知數(shù),可以采用迭代法來求解。

        [1]水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊1[M].北京:中國電力出版社,2006:379-383.

        [2]藍增玨,葉景星.500kV變電所電氣部分設計及運行(上冊)[M].北京:水利電力出版社,1987:181-187.

        [3]石改萍.超高壓配電裝置分裂導線次檔距長度的選擇[J].山西電力,2007(增刊):40-42.

        [4]張士利.220kV線路相分裂導線吸引、扭絞分析[J].山西電力,2004(1):4-6.

        [5]DL/T 5222—2005導體和電器選擇設計技術規(guī)定[S].北京:中國電力出版社,2005.

        [6]DL/T 5218—2005 220~500kV變電所設計技術規(guī)定[S].北京:中國電力出版社,2005.

        [7]范錫普.發(fā)電廠電氣部分[M].北京:中國電力出版社,1995:120-105.

        [8]馮慈璋.電磁場[M].2版.北京:高等教育出版社,1983.

        [9]能源部東北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].北京:水利電力出版社,1989:196-201.

        [10]顧惠琳.工程力學[M].上海:同濟大學出版社,2004.

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