程壯 陳功

摘要：為研究國(guó)內(nèi)外對(duì)于分裂導(dǎo)線短路時(shí)動(dòng)態(tài)張力計(jì)算的差異，分別基于《電氣一次手冊(cè)》和IEC 60865標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了分裂導(dǎo)線短路時(shí)的動(dòng)態(tài)張力。對(duì)比了這兩種方法之間輸入條件和計(jì)算結(jié)果的差異，最終提出了關(guān)于影響分裂導(dǎo)線短路時(shí)動(dòng)態(tài)張力計(jì)算的若干結(jié)論：IEC算法考慮了短路動(dòng)態(tài)效應(yīng)和導(dǎo)體受力的運(yùn)動(dòng)過程，引入了結(jié)構(gòu)掛點(diǎn)常數(shù)，更接近實(shí)際情況，一次手冊(cè)算法計(jì)算出的結(jié)果偏保守;兩種算法的計(jì)算結(jié)果差異較大，但所得出動(dòng)態(tài)張力與次檔距關(guān)系的變化趨勢(shì)是一致的。論文研究結(jié)果可供工程設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：分裂導(dǎo)線;短路;次檔距;動(dòng)態(tài)張力;臨界接觸

中圖法分類號(hào)：TM75文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.012

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）06 - 0059 - 04

在超高壓配電裝置中，為滿足載流量以及電暈、無線電干擾的要求，一般采用分裂導(dǎo)線作為設(shè)備連接線以及高跨線。在短路情況下，分裂導(dǎo)線所受到的短路電動(dòng)力存在特殊性。在發(fā)生短路的瞬間，在同相的子導(dǎo)線間，由于電流的方向相同，會(huì)產(chǎn)生相互吸引的電磁力，并造成導(dǎo)線形變和偏移;同時(shí)由于子導(dǎo)線之間存在間隔棒，導(dǎo)線形變和偏移將會(huì)對(duì)末端掛點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)沿導(dǎo)線方向的動(dòng)態(tài)張力。

動(dòng)態(tài)張力大小與短路電流、分裂間距、次檔距、初始靜態(tài)張力以及導(dǎo)線型號(hào)參數(shù)等多個(gè)因數(shù)相關(guān)。這個(gè)張力具有沖擊性質(zhì)，作用時(shí)間非常短，且與導(dǎo)線掛點(diǎn)處構(gòu)架剛度有關(guān)。國(guó)際上計(jì)算該動(dòng)態(tài)張力的方法屬于短路動(dòng)荷載計(jì)算[1-3]，且原理和步驟基本相同。國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)手冊(cè)里給出了一項(xiàng)理論計(jì)算方法[4]，并提供了算例。

國(guó)內(nèi)外計(jì)算分裂導(dǎo)線短路時(shí)動(dòng)態(tài)張力的這兩種方法，文中分別簡(jiǎn)稱為IEC算法和一次手冊(cè)算法，二者計(jì)算公式、結(jié)果差異較大，需要對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步探討和研究。

1 計(jì)算輸入條件

為便于對(duì)比分析，根據(jù)一次手冊(cè)上算例的輸入條件（表1），通過兩種方法的計(jì)算[4]，對(duì)計(jì)算過程、計(jì)算結(jié)果和影響因素進(jìn)行比較和分析。

表1中提供的計(jì)算條件可用于一次手冊(cè)算法的計(jì)算;但是對(duì)于IEC算法，還需另行補(bǔ)充輸入條件（表2）。

其中，掛點(diǎn)彈性常數(shù)S表示導(dǎo)線掛點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的剛度，反映了材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。其值越大，剛度越高，表現(xiàn)為受力條件下越難以變形。

IEC標(biāo)準(zhǔn)給出了建議的取值范圍（表3）。

為分析不同S值對(duì)動(dòng)態(tài)張力的影響，分別假定3個(gè)S值：1×105，6.0×105? N/m和3.0×106 N/m，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。

2 計(jì)算方法

2.1 一次手冊(cè)算法

一次手冊(cè)通過假定分裂導(dǎo)線子導(dǎo)線間的相關(guān)位置關(guān)系，分為不接觸、臨界接觸、接觸3種情況，分別采用“試湊法”計(jì)算[4]。

式中：[Fm]為子導(dǎo)線間電動(dòng)力，N;[F′m]為子導(dǎo)線間電磁引力，N;[T]為導(dǎo)體短路后每根次導(dǎo)線的實(shí)際張力，N;[T0]為導(dǎo)體的初始張力，N;[d]為次導(dǎo)線分裂間距，cm;[b]為兩次導(dǎo)線最接近點(diǎn)距離，cm;[E]為彈性模量，N/mm2;[S]為導(dǎo)體截面積，mm2;[ε]為該次檔距內(nèi)導(dǎo)線在電磁吸力作用下的伸長(zhǎng)率;[I]為次導(dǎo)線中短路電流，kA;[l0]為次檔距，cm。

（1）如圖1（a）所示子導(dǎo)線臨界接觸，令[Fm=F′m]，計(jì)算出臨界接觸次檔距，同時(shí)算出動(dòng)態(tài)張力。

（2）如圖1（b）所示，子導(dǎo)線不接觸，次檔距小于臨界接觸次檔距，假定子導(dǎo)線間的最小距離值[b]，令[Fm=F′m]，算出動(dòng)態(tài)張力。

（3）如圖1（c）所示，子導(dǎo)線部分接觸，次檔距大于臨界接觸次檔距，假定子導(dǎo)線間的接觸長(zhǎng)度[l1]，令[Fm=F′m]，算出動(dòng)態(tài)張力。

以上計(jì)算步驟可利用Excel軟件編制單變量求解的宏運(yùn)算，通過改變可變項(xiàng)的值使得目標(biāo)項(xiàng)的值趨于零，從而方便快捷的得出計(jì)算結(jié)果。

2.2 IEC算法

IEC算法的計(jì)算方法和公式比較復(fù)雜，且從屬于整個(gè)短路電流動(dòng)態(tài)作用全過程計(jì)算中，涉及的符號(hào)較多。其計(jì)算過程步驟如下。

（1）首先判斷是否需要計(jì)算該項(xiàng)動(dòng)態(tài)張力。對(duì)于不超過四分裂的常規(guī)分裂導(dǎo)體，當(dāng)分裂間距[as]、子導(dǎo)線直徑[d]和次檔距[ls]滿足一定條件時(shí)，其短路時(shí)的“夾緊”效應(yīng)不明顯，可以直接取主導(dǎo)線短路作用力（搖擺作用力）的1.1倍。

而當(dāng)滿足[as/d≤2.0]且[ls≥50as]，或者[as/d≤2.5]且[ls≥70as]這兩個(gè)條件其一時(shí)，動(dòng)態(tài)張力的作用被認(rèn)為較為明顯，需要單獨(dú)計(jì)算。

（2）計(jì)算子導(dǎo)線間的短路作用力。

Vs/（Am）;[I″k]為短路電流，kA;[v2]，[v3]為中間值，可以用其他因數(shù)表示，公式略。

（3）引入[j]值的概念，通過比較[j]值與1的大小，來判斷子導(dǎo)線是否接觸。當(dāng)[j]不小于1時(shí)，子導(dǎo)線相互接觸;當(dāng)[j]小于1時(shí)，子導(dǎo)線未接觸。

式（7）中[N]表示柔性導(dǎo)線及所連接的兩側(cè)懸點(diǎn)所組成的一個(gè)整體系統(tǒng)的柔性指標(biāo)，提出了“支柱絕緣子-導(dǎo)線”系統(tǒng)和“門構(gòu)住-絕緣子串-導(dǎo)線”系統(tǒng)這兩種狀態(tài)下的表達(dá)公式[2]。

（4）計(jì)算不同狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)張力值。

當(dāng)子導(dǎo)線接觸時(shí)，動(dòng)態(tài)張力：

當(dāng)子導(dǎo)線不接觸時(shí)，動(dòng)態(tài)張力：

式中：[ve]公式較繁雜，[ξ]是隨[j]和[εst]變化的函數(shù)，[η]是隨[as/d]變化的函數(shù)，IEC標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)均給出了以上函數(shù)的圖表以及擬合公式[1]。

IEC算法的計(jì)算步驟，相較一次手冊(cè)算法而言，其計(jì)算公式更為繁瑣，且同樣也需要采用“試湊法”，基于Excel軟件編制計(jì)算公式并采用單變量求解運(yùn)算，同樣可以便捷地解決求解問題。

3 對(duì)比分析

通過上述兩種計(jì)算方法，而且采用IEC算法時(shí)取3種掛點(diǎn)彈性常數(shù)值，分別獨(dú)立計(jì)算求解，計(jì)算結(jié)果見表4。

當(dāng)次檔距的取值范圍從2～40 m間變化時(shí)，分別求出不同的動(dòng)態(tài)張力值，并將計(jì)算結(jié)果匯總成表，生成曲線見圖2。

通過該案例，采用IEC算法和一次手冊(cè)算法分別計(jì)算，對(duì)計(jì)算方法和結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出如下判斷。

（1）兩種算法計(jì)算方法差異較大。IEC算法考慮了短路動(dòng)態(tài)效應(yīng)和導(dǎo)體受力的運(yùn)動(dòng)過程，并且引入了結(jié)構(gòu)掛點(diǎn)彈性常數(shù)，更接近實(shí)際情況;掛點(diǎn)彈性常數(shù)取值越大，計(jì)算得出的動(dòng)態(tài)張力值越大。一次手冊(cè)算法沒有考慮短路動(dòng)態(tài)效應(yīng)和導(dǎo)體受力運(yùn)動(dòng)，僅簡(jiǎn)化為導(dǎo)體受力形變后靜態(tài)平衡，且沒有考慮結(jié)構(gòu)掛點(diǎn)彈性系數(shù)，即假定掛點(diǎn)是不可形變的理想剛體，從而忽略了結(jié)構(gòu)撓度對(duì)短路動(dòng)態(tài)張力的削弱作用，其計(jì)算所得出的結(jié)果偏保守。

（2）兩種算法的計(jì)算結(jié)果差異較大，但所得出動(dòng)態(tài)張力與次檔距關(guān)系的變化趨勢(shì)是一致的：即對(duì)于分裂導(dǎo)線子導(dǎo)線，由不接觸到臨界接觸狀態(tài)，再到接觸面擴(kuò)大，其動(dòng)態(tài)張力是先變大后變小，靠近臨界接觸狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)張力值最大。

（3）從工程實(shí)踐角度出發(fā)，掛點(diǎn)處的彈性常數(shù)值，實(shí)際上與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范一般僅規(guī)定不同構(gòu)支架的允許撓度值，而對(duì)于高度不同、靜態(tài)受力不同、以及結(jié)構(gòu)材質(zhì)不同的構(gòu)支架或設(shè)備掛點(diǎn)，其彈性常數(shù)均不盡相同，且不易得出準(zhǔn)確值，工程中可以參考IEC標(biāo)準(zhǔn)給出的推薦范圍值選取。

（4）在短路電流、導(dǎo)線參數(shù)及總跨度等其他條件一定的情況下，次檔距是影響分裂導(dǎo)線短路時(shí)動(dòng)態(tài)張力的重要因素，因此合理選擇次檔距，是減小結(jié)構(gòu)受到導(dǎo)體短路沖擊力的重要手段。

（5）分裂導(dǎo)線次檔距的選擇，需盡量避開臨界接觸點(diǎn)，使得子導(dǎo)線處于非接觸區(qū)或者接觸區(qū)，以降低導(dǎo)線對(duì)掛點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的荷載;且圖2中非接觸區(qū)斜率較接觸區(qū)更大，即非接觸狀態(tài)下次的檔距減小對(duì)動(dòng)態(tài)張力影響更大。因此，對(duì)于發(fā)變電工程，可以采用間隔棒密布以減小次檔距方式，也可以采用減少間隔棒以增大次檔距的方式。對(duì)于設(shè)備之間的連接線，由于距離一般較短，宜采用間隔棒密布的方式。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)某一具體案例，分別基于電氣一次手冊(cè)和IEC標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了分裂導(dǎo)線短路時(shí)的動(dòng)態(tài)張力，并且對(duì)兩種計(jì)算的方法和結(jié)果對(duì)比和分析，得出影響分裂導(dǎo)線短路時(shí)動(dòng)態(tài)張力的結(jié)論。

通過計(jì)算對(duì)比分析，可增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員對(duì)分裂導(dǎo)線短路情況下動(dòng)態(tài)過程的理解，幫助解決變電工程分裂導(dǎo)線設(shè)計(jì)的實(shí)際問題。

隨著我國(guó)“一帶一路”倡議的實(shí)施，涉外發(fā)、變電工程日益增多。采用國(guó)際規(guī)范進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，是國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)人員所面臨的主要難點(diǎn)之一。通過深入比較國(guó)內(nèi)外計(jì)算方法上的差異，有助于提高設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEC 60865-1-2011 Short-circuit currents. Calculation of effects. Part 1 Definitions and calculation methods[S].

[2] IEEE Std 605-2008 Bus Design in Air Insulated Substations[S].

[3] CIGRE Technical Brochure 105 The mechanical effects of short circuit currents in open air substations （Rigid and flexible bus bars）[S].

[4] 水電力部西北電力設(shè)計(jì)院編.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣一次部分[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，1989：379-383.

（編輯：唐湘茜）