李 偉/中國水利水電第七工程局有限公司

管型母線的撓度、模態(tài)分析及工程安全應(yīng)用

李 偉/中國水利水電第七工程局有限公司

管型母線主要應(yīng)用在電力建設(shè)工程中電網(wǎng)輸電導(dǎo)線與變電站變壓器之間的導(dǎo)體連接、輸電線路中的跳線、電力設(shè)備中的連接導(dǎo)體以及大電流直流融冰裝置中作過流導(dǎo)體，是取代傳統(tǒng)的矩形、槽形、棒形母線和軟導(dǎo)線的全新導(dǎo)體，是電力輸變電系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備（材料）之一，對(duì)輸變電系統(tǒng)及電力設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)管型母線的撓度、模態(tài)分析及工程安全應(yīng)用進(jìn)行了分析。

管型母線；撓度；模態(tài)分析；工程安全應(yīng)用

一、前言

作為我國輸變電系統(tǒng)及電力設(shè)備連接中的重要導(dǎo)體，管型母線的重要作用受到愈來愈多的關(guān)注與重視。管型母線的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的矩形、棒性母線，是一種全新的導(dǎo)體，也是電力輸變系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于維護(hù)輸電系統(tǒng)及電力設(shè)備的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。管型母線充分利用同軸電容的原理，通過仿真計(jì)算等手段，優(yōu)化各種參數(shù)，并采用特殊的制造工藝，生產(chǎn)出的全絕緣性母線連接系統(tǒng)?？傊?，管型母線被廣泛應(yīng)用于我國的變電站實(shí)踐過程中。

二、管型絕緣母線的特點(diǎn)

（1）產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)。絕緣母線主要部件由：絕緣母線、固定金具、屏蔽筒、母線托架、軟連接、增爬器、穿墻護(hù)套管等組成。（2）母線中間連接器。采用螺錐式連接方式，連接板可以使硬銅排，也可以使軟連接（伸縮節(jié)），同螺栓連接的母線安全可靠，檢修方便。母線與GIS開關(guān)柜的連接，采用MGC Type DURESCADE插拔式接頭母線段與GIS接口連接。

三、管型母線的選擇計(jì)算

1、母線選材

過去，變電站母線多采用純鋁管材質(zhì)，但是純鋁管的強(qiáng)度較低，使用率不高。隨著技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前可以用作鋁管母線生產(chǎn)的合金有鋁錳合金和鋁鎂兩種，并且多采用冷拔工藝成型。

表1 管型母線的選材情況

由上表中可以看出，鋁錳合金的導(dǎo)電率較高，而且容易焊接。因此，選用鋁錳合金管型母線是十分必要的。

表2 管型母線的載流量計(jì)算

上表中的環(huán)境溫度指的是空氣的濕度，一般指的是離地2m高且沒有陽光照射處的溫度。在計(jì)算鋁管母線的載流量時(shí)，應(yīng)該努力分析和探索環(huán)境溫度與鋁管母線之間的關(guān)系，明確什么情況下鋁管母線的消耗最低，由此確定最為合理的環(huán)境溫度。利用某一地區(qū)的極端最高溫來計(jì)算鋁管母線的載流量，可靠性較高，但是母線的截面也會(huì)增大。就我國來說，在夏季最熱月中有一大部分的時(shí)間最高氣溫的持續(xù)時(shí)間會(huì)達(dá)到7～8小時(shí)，這種氣溫下鋁管母線的壽命會(huì)大大縮短。在本次實(shí)踐過程中，筆者采用某一氣象站提供的十年間最熱月的最高平均氣溫37.6℃作為鋁管母線的載流量進(jìn)行計(jì)算。

2、母線的強(qiáng)度與撓度

在管母線的配電裝置中，管型母線除了要承擔(dān)必要的載流功能之外，還要承受一定的結(jié)構(gòu)支持受力，在多種情況的交織下母線結(jié)構(gòu)計(jì)算的難度會(huì)進(jìn)一步加大。一般來說，管型母線的強(qiáng)度與撓度的計(jì)算主要包括以下三個(gè)方面的工作：第一，自動(dòng)頻率計(jì)算。母線自動(dòng)頻率的高低與母線短路點(diǎn)動(dòng)力的大小有著直接的關(guān)系，而自動(dòng)頻率則會(huì)受到跨距、材料剛度、支撐安裝形式等各方面因素的影響。管型母線的微風(fēng)振動(dòng)指的是當(dāng)穩(wěn)定的微風(fēng)垂直于母線水平吹來時(shí)，母線會(huì)發(fā)生上下交替振動(dòng)。工作人員先要測(cè)算母線的各階自振頻率，并校驗(yàn)微風(fēng)振動(dòng)的風(fēng)速，并根據(jù)地形特點(diǎn)分析是否可能會(huì)發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速小于6m/s，工作人員可以消除微風(fēng)振動(dòng)措施；第二，強(qiáng)度校驗(yàn)。要根據(jù)荷載組合的具體情況，先計(jì)算其內(nèi)應(yīng)力的大小，之后根據(jù)安全系數(shù)來校驗(yàn)強(qiáng)度。在計(jì)算荷載時(shí)，工作人員要按照荷載組合條件（正常情況、短路情況、地震情況）來計(jì)算各個(gè)狀態(tài)下的導(dǎo)體水平及垂直彎距，從而進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)；第三，撓度計(jì)算。如果管型管線的撓度過大，會(huì)影響變電站配電裝置的美觀性，也會(huì)影響母線的結(jié)構(gòu)受力情況。

3、防止微風(fēng)振動(dòng)措施

微風(fēng)振動(dòng)會(huì)對(duì)管型母線的應(yīng)用產(chǎn)生一定的影響，因此在選擇管型母線的過程中，要防止出現(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)的情況。第一，要在管內(nèi)加裝阻尼線；第二，加裝動(dòng)力消諧器；第三，采用長托架。要高度重視集中荷載的影響，保證阻尼效果。

4、母線的后期維護(hù)

第一，要注意維護(hù)管型母線的靈敏性，保證其能夠反映故障的能力；第二，要維護(hù)母線的速動(dòng)性。在發(fā)生故障之后，要確保動(dòng)作迅速，從而保證故障迅速切除，以免造成電力系統(tǒng)失穩(wěn)，這也是保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。同時(shí)要注意二次電流畸變情況，防止出現(xiàn)不利現(xiàn)象；第三，要注意維護(hù)母線的可靠性。如果母線保護(hù)如果動(dòng)作，就會(huì)跳開母線上的所有開關(guān)，母線保護(hù)的可靠性會(huì)受到影響，也會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。要提高母線保護(hù)的可靠性、安全性，防止出現(xiàn)外部短路的情況。而母線的可信性是指母線在故障時(shí)要保證母線保護(hù)的可靠動(dòng)作，防止引動(dòng)。

四、應(yīng)用實(shí)例

1、電站概況

沙坪二級(jí)水電站：裝機(jī)容量為6臺(tái)單機(jī)容量為58MW燈泡式貫流機(jī)組（目前亞洲最大）,發(fā)電機(jī)額定電壓10.5KV，機(jī)組額定電流為3447A。電站廠房較為緊湊，若采取傳統(tǒng)電纜連接方式，采用單芯截面為400mm2的10KV電纜，單根電纜載流量計(jì)算為623A，則每相至少需并聯(lián)6根。為方便其他機(jī)電設(shè)備布置，節(jié)省空間，經(jīng)與電站業(yè)主方協(xié)商，決定采用全絕緣銅管母線。經(jīng)計(jì)算，選用額定電壓12kV，額定電流為4000A，尺寸為?100×10mm（外徑×壁厚）的全絕緣銅管母線。從發(fā)電機(jī)引出線至PT柜之間的絕緣銅管母線為戶內(nèi)布置，采用支架及吊裝方式，沿電纜溝分層布置。現(xiàn)場(chǎng)布置極為靈活方便，適應(yīng)性非常強(qiáng)。

2、絕緣管型母線安裝及工藝要求

（1）在該水電站中，絕緣母線支架、托架、抱箍、固定金具、屏蔽筒等隨母線本體均由供貨廠商提供。所有暴露在大氣中的金屬部件采用具有可靠的防銹層材料制成。

在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，對(duì)于絕緣管型母線的銅管端部作倒圓角處理，銅管端部連接面應(yīng)鍍銀或搪錫，安裝前用丙酮或無水酒精清潔端部，確保具有較低的接觸電阻及防腐蝕功能。

（2）中間接頭要求：安裝過程中通過調(diào)整兩端母線同軸度，保證導(dǎo)體端部盡量不留間隙，用丙酮或無水酒精清潔中間接頭接觸面，在母線端部接觸面上均勻涂抹導(dǎo)電膏，調(diào)整中間接頭位置，使母線兩端接觸面相等，按力矩要求值擰緊螺栓，檢查接觸面，如有明顯間隙，應(yīng)重新調(diào)整兩端母線同軸度；

按設(shè)計(jì)圖紙要求安裝屏蔽筒和熱縮套管，接頭應(yīng)滿足通流和溫升要求，接頭處的絕緣結(jié)構(gòu)形式和管型母線相同，并確保接頭處的絕緣外表電位為零，以保證運(yùn)行維護(hù)的安全。

（3）與設(shè)備連接要求：絕緣母線端部采用哈弗式螺接過渡接頭，絕緣銅管型母線與設(shè)備之間采用銅質(zhì)軟連接方式。

（4）接地要求：母線支撐、懸吊等鋼構(gòu)建由安裝單位將其用型號(hào)為60x8接地扁鋼串連接地；整相絕緣管型母線接地電容屏必須全部可靠接地，包括中間接頭處的屏蔽絕緣套管，接地方式為一點(diǎn)接地（可分段各自獨(dú)立接地），避免絕緣管型母線的接地線因多點(diǎn)接地而產(chǎn)生環(huán)流，保證外層接地屏滿足人體能安全觸摸的要求。

（5）絕緣管型母線現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收要求。驗(yàn)收絕緣管型母線時(shí)，其表面絕緣層應(yīng)光滑無傷痕；主絕緣電阻應(yīng)不小于100MΩ，絕緣銅管母線布置方案清晰簡明，與發(fā)電機(jī)、開關(guān)柜端子的連接也十分簡單，并且銅的溫度線性膨脹系數(shù)小于鋁及其合金導(dǎo)體，因此在不長的距離內(nèi)銅管母線無需加母線伸縮節(jié)（導(dǎo)體與其他設(shè)備間的連接須裝設(shè)）。一般情況下，由專業(yè)的供貨廠商負(fù)責(zé)管母線的現(xiàn)場(chǎng)施工、安裝費(fèi)用，對(duì)于施工方而言，可以極大的減少安裝工程量。同時(shí)，管型母線安裝后，幾乎可以終身免維護(hù)，維護(hù)運(yùn)行成本低，達(dá)到了電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

五、結(jié)語

總之，相比其他類型的母線來說，管型母線配電裝置的占地面積較少，無線電干擾較小，并且美觀。通過在沙坪二級(jí)水電站的應(yīng)用看，管型母線比傳統(tǒng)的母線具有更多的優(yōu)點(diǎn)，也使輸變電運(yùn)行更加安全可靠，取得了良好的使用效果，值得在輸變電系統(tǒng)中連接中推廣應(yīng)用。

[1]王中虎.管型母線的特點(diǎn)及在變電站的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015(2)：50.

[2]王健.水電站全絕緣母線的安裝和試驗(yàn)[J].科技與創(chuàng)新，2014(9)：6-7.