劉建軍，高山，張建國(guó)

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市211103)

0 引言

設(shè)備線夾是連接導(dǎo)線和一次設(shè)備的關(guān)鍵金具。對(duì)設(shè)備線夾的機(jī)械載荷要求，現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［1-2］和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［3］僅規(guī)定了握力，即沿導(dǎo)線方向的受力。然而，在220 kV及以上電壓等級(jí)的AIS變電站中，設(shè)備間多采用雙分裂導(dǎo)線進(jìn)行連接，當(dāng)變電站內(nèi)設(shè)備或站外線路發(fā)生短路時(shí)，平行布置的2根雙分裂導(dǎo)線之間會(huì)產(chǎn)生電磁引力，使導(dǎo)線產(chǎn)生大的張力和變形，這個(gè)由短路電流引起的導(dǎo)線張力稱為第一最大張力。第一最大張力作用在設(shè)備線夾上時(shí)，不僅表現(xiàn)為拉應(yīng)力的作用，更重要的是會(huì)在設(shè)備線夾上形成一個(gè)較大的彎矩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備線夾變形甚至斷裂，引發(fā)設(shè)備故障。

以往設(shè)備線夾的斷裂原因分析主要偏重于材料性能方面［4-5］，本文結(jié)合一起壓縮型設(shè)備線夾經(jīng)受短路電流時(shí)斷裂的故障實(shí)例，依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和材料力學(xué)理論，對(duì)設(shè)備線夾在短路電流下的受力進(jìn)行分析，提出設(shè)備線夾在設(shè)計(jì)、選型時(shí)應(yīng)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面核算短路電流耐受能力的觀點(diǎn)。

1 壓縮型雙分裂設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)

變電站常用的壓縮型雙分裂設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鑄造件A-B和壓接鋁管C兩部分焊接組合而成。A為矩形接線鋁板，B為過渡段實(shí)心圓柱體鋁棒，A－B為一個(gè)鑄造整體?？招膲航愉X管C與導(dǎo)線D(鋼芯鋁絞線)之間采用壓接方式連接。

2 短路電流下設(shè)備線夾受力分析

當(dāng)雙分裂導(dǎo)線中流過較大的短路電流時(shí)，兩側(cè)次導(dǎo)線及壓接鋁管相互吸引的電磁引力會(huì)在設(shè)備線夾的鋁板和過渡段實(shí)心鋁棒結(jié)合部位形成較大的彎曲應(yīng)力，當(dāng)彎曲應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致線夾斷裂，如圖2所示。

圖1 壓縮型雙分裂設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of compression-type double bundle terminal connector

圖2 設(shè)備線夾斷裂Fig.2 Fracture of terminal connector

對(duì)此設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)，力學(xué)上簡(jiǎn)化為圖3所示的模型進(jìn)行分析。通過短路電流時(shí)，剛性的壓接鋁管受到均布的電動(dòng)力Fmy，柔性的鋼芯鋁絞線導(dǎo)線受到相互吸引的電動(dòng)力后形成沿導(dǎo)線軸向的張力T。張力T為導(dǎo)線的初始張力T0和第一最大張力Tm的合力，T=T0+Tm。

圖3 設(shè)備線夾受力分析示意圖Fig.3 Force analysis of terminal connector

2.1 壓接鋁管短路電動(dòng)力計(jì)算

壓接鋁管為有限長(zhǎng)導(dǎo)體，根據(jù)畢奧 －薩伐爾定律，在單相短路電流下，有限長(zhǎng)平行導(dǎo)體的電動(dòng)力Fmy為［6］

式中:μ0是真空磁導(dǎo)率，為4π × 10－7H/m;Icj為短路沖擊電流，Icj=1.8Im，Im為短路電流值，A;Kc是回路系數(shù)，為為平行導(dǎo)體長(zhǎng)度，m;a為平行導(dǎo)體中心間距，m。

2.2 次導(dǎo)線張力計(jì)算

雙分裂次導(dǎo)線在短路電流電動(dòng)力作用下發(fā)生相吸變形，產(chǎn)生第一最大張力Tm。第一最大張力Tm的計(jì)算分為次導(dǎo)線接觸和不接觸2種情況［7］，如圖4所示。

圖4 短路時(shí)次導(dǎo)線受力變形示意圖Fig.4 Deformation of sub-conductor by stress in short-circuit

(1)次導(dǎo)線變形后不接觸時(shí)的電動(dòng)力Fmr和第一最大張力Tm為

(2)次導(dǎo)線變形后接觸時(shí)的電動(dòng)力Fmr和第一最大張力Tm為

式中:L為次導(dǎo)線檔距，m;a為次導(dǎo)線分裂間距，m;b為次導(dǎo)線變形后中心間距，當(dāng)導(dǎo)線接觸時(shí)b取次導(dǎo)線直徑，m;f是次導(dǎo)線橫向變形量，為(a－b)/2，m;L2為次導(dǎo)線變形后接觸長(zhǎng)度，m;Im為短路電流值，kA;arctan計(jì)算時(shí)取弧度。

(3)次導(dǎo)線初始張力T0。由于變電站內(nèi)設(shè)備間距較短，導(dǎo)線弧垂很小，設(shè)備線夾壓接鋁管處的應(yīng)力近似等于導(dǎo)線水平應(yīng)力［8］，T0=g·A·L/2，g 為導(dǎo)線自重比載，N/(m·mm2);A為導(dǎo)線的截面積，mm2。

由于次導(dǎo)線的初始張力與次檔距有關(guān)，當(dāng)次檔距確定時(shí)，初始張力為定值。

2.3 設(shè)備線夾受力分析

如圖3的設(shè)備線夾，其過渡段根部受壓縮鋁管電動(dòng)力彎矩、導(dǎo)線張力彎矩和導(dǎo)線張力水平拉力的綜合作用，為應(yīng)力最大的部位，對(duì)此截面進(jìn)行應(yīng)力分析。

式中:Wz為設(shè)備線夾過渡段根部的抗彎截面系數(shù)，m3;Ly為壓接鋁管導(dǎo)線出口至過渡段根部的長(zhǎng)度，m;Tx是張力T的水平分量，為T·cos(θ);Ty是張力T的垂直分量，為T·sin(θ);θ為次導(dǎo)線變形后的水平傾角;S為設(shè)備線夾過渡段根部的截面積，m2。

當(dāng)設(shè)備線夾過渡段截面的應(yīng)力σ≤材料的許用應(yīng)力［σ］時(shí)，設(shè)備可以安全承受設(shè)定的短路電流電動(dòng)力。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

在一次短路故障中，某500 kV變電站220 kV間隔流過的短路電流為41.397 kA，一只設(shè)備線夾(型號(hào)SSY－400/35A－120，材質(zhì)ZL102)發(fā)生了如圖2所示的斷裂。經(jīng)對(duì)設(shè)備線夾的材質(zhì)和斷口分析，確認(rèn)屬于瞬時(shí)斷裂，材質(zhì)性能基本符合標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，遂從結(jié)構(gòu)受力方面分析其受力狀況。

依據(jù)式(1)～(6)對(duì)設(shè)備線夾過渡段根部在短路電流時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)為:設(shè)備線夾過渡段直徑28.5 mm，壓接鋁管導(dǎo)線出口至過渡段根部的長(zhǎng)度Ly=0.2 m，分裂間距a=0.12 m，次檔距L=2 m，導(dǎo)線直徑26.8 mm，導(dǎo)線自重比載g=0.031 1 N/(m·mm2)，短路電流值Im=41.397 kA。

計(jì)算結(jié)果:壓接鋁管部分的電動(dòng)力Fmy=524 N，導(dǎo)線初始張力T0=13.23 N，由電動(dòng)力引起的導(dǎo)線張力在不同變形程度時(shí)的變化如圖5所示。由于變電設(shè)備之間導(dǎo)線較短，Tm≥T0，因此導(dǎo)線初始張力在計(jì)算時(shí)可以不計(jì)。

由圖5可見，導(dǎo)線的第一最大張力在接觸前隨變形量的增大先減小后增大，當(dāng)次導(dǎo)線相互接觸后電磁吸力消失，張力隨接觸長(zhǎng)度的增加而逐漸減小。而設(shè)備線夾過渡段根部的應(yīng)力σ不僅與張力值相關(guān)，而且與張力的角度θ相關(guān)。由式(6)可見，由于截面的抗彎截面系數(shù)Wz在數(shù)值上遠(yuǎn)小于截面面積S，因此張力的垂直分量導(dǎo)致的應(yīng)力所占的比重最大，并且隨變形程度的增加，變形角θ逐漸增大，所以設(shè)備線夾過渡段根部的應(yīng)力σ在次導(dǎo)線臨界接觸時(shí)取得最大值。

表1為不同變形量時(shí)應(yīng)力σ的計(jì)算結(jié)果，可以看出在次導(dǎo)線臨界接觸時(shí)(次導(dǎo)線中心間距為導(dǎo)線直徑26.8 mm)，應(yīng)力σ為最大值149 MPa。經(jīng)對(duì)設(shè)備線夾進(jìn)行材質(zhì)力學(xué)性能試驗(yàn)，材料的抗拉強(qiáng)度為123～159 MPa，短路時(shí)設(shè)備線夾的應(yīng)力σ已超過了材料的最小實(shí)際抗拉強(qiáng)度，設(shè)備因此發(fā)生了斷裂。

圖5 不同變形量時(shí)的次導(dǎo)線張力Fig.5 Sub-conductor’s tension in different deformation

表1 次導(dǎo)線不同變形量時(shí)線夾過渡段根部應(yīng)力Tab.1 Stress of terminal connector root for different sub-conductor deformation

4 設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

壓縮型雙分裂設(shè)備線夾流過短路電流時(shí)其根部過渡段受到的應(yīng)力最大，所受應(yīng)力值與其截面面積、導(dǎo)線分裂間距、次檔距、短路電流、導(dǎo)線變形程度有關(guān)。因此變電站金具設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合一次設(shè)備耐受的短路電流，考慮設(shè)備線夾的結(jié)構(gòu)，防止在外部短路情況下設(shè)備線夾發(fā)生斷裂。

4.1 設(shè)備線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求分析

對(duì)實(shí)例中設(shè)備線夾進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析，因設(shè)備線夾為連接金具，安全系數(shù)取1.5［9-10］，耐受短路電流為50 kA時(shí)，其根部截面許用應(yīng)力［σ］≤155/1.5=103 MPa［11］，因此利用式(1)～(6)反向計(jì)算，可以得到設(shè)備線夾過渡段根部的直徑應(yīng)不小于37 mm，而其實(shí)際直徑只有28.5 mm，因此不具備耐受50 kA短路電流的能力。

4.2 次檔距設(shè)計(jì)要求分析

次檔距的設(shè)置已有較多的研究成果［12-14］，次檔距不僅會(huì)影響變電站構(gòu)架的受力，對(duì)設(shè)備線夾的受力也有重要影響。變電站設(shè)備間連接導(dǎo)線的次檔距設(shè)置一般不會(huì)超過3 m，圖6為220 kV變電設(shè)備間常用的400/35型鋼芯鋁絞線通過50 kA短路電流時(shí)，不同次檔距、不同分裂間距條件下，次導(dǎo)線臨界接觸時(shí)的導(dǎo)線張力，可以看出，次檔距和分裂間距對(duì)導(dǎo)線張力的影響很大。對(duì)于實(shí)例所述的SSY－400/35A型設(shè)備線夾，經(jīng)計(jì)算，為可以耐受50 kA的短路電流，保證1.5倍安全系數(shù)的情況下，檔距應(yīng)不大于1 m。

圖6 不同次檔距、分裂間距下的導(dǎo)線張力Fig.6 Sub-conductor's tension in different sub-span and spacing

現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定220 kV及以下雙分裂導(dǎo)線的分裂間距可取100～200 mm［15］，圖6表明，較大的分裂間距可以降低導(dǎo)線的第一最大張力，以2 m次檔距為例，分裂間距由120 mm增加到200 mm時(shí)，導(dǎo)線的第一最大張力從21.77 kN下降到9.53 kN，下降了56%。因此，在滿足其他電氣設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，推薦采用200 mm的分裂間距。

5 結(jié)論

(1)雙分裂設(shè)備線夾承受短路電流時(shí)，其過渡段根部為應(yīng)力最大部位，且在分裂導(dǎo)線臨界接觸時(shí)應(yīng)力值最大。當(dāng)應(yīng)力最大值超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，線夾就有可能在此部位發(fā)生斷裂。因此，雙分裂設(shè)備線夾在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮與連接設(shè)備相同等級(jí)的短路電流耐受能力。

(2)變電站連接導(dǎo)線次檔距、分裂間距設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足其他電氣性能要求的基礎(chǔ)上，需要考慮所選用的設(shè)備線夾在額定的短路電流下的機(jī)械強(qiáng)度。

(3)施工選用設(shè)備線夾和對(duì)在用設(shè)備線夾進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)綜合考慮額定短路電流、導(dǎo)線直徑、導(dǎo)線分裂間距、次檔距對(duì)其所受應(yīng)力的影響。

(4)由于與計(jì)算實(shí)例相同型號(hào)的設(shè)備線夾在電網(wǎng)中大量使用，本文的分析方法可對(duì)在用設(shè)備線夾的短路電流耐受能力評(píng)價(jià)提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

致 謝

江蘇省電力設(shè)計(jì)院的胡繼軍高級(jí)工程師，河海大學(xué)的江泉教授，華東電力設(shè)計(jì)院的張謝平高級(jí)工程師對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)，在此表示感謝。

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