王 帥，張 磊，寇柏瑩，劉 寧，韓姝娜

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 項(xiàng)目概況

榆林市江山永宸300 MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目110 kV升壓站位于榆林市榆陽(yáng)區(qū)。工程總裝機(jī)容量300 MW，主要任務(wù)是發(fā)電，電站理論年平均發(fā)電利用小時(shí)數(shù)約為1630 h，設(shè)計(jì)運(yùn)行年限為25年，運(yùn)行期預(yù)期年平均上網(wǎng)電量為48909萬(wàn)kW·h。變電站110 kV主接線采用單母線接線形式，裝設(shè)3臺(tái)容量100 MVA主變壓器，變比為110/35 kV，以一回110 kV架空線路接入電網(wǎng)330 kV升壓站。由于110 kV母線匯流電流較大，母線采用管型導(dǎo)體母線設(shè)計(jì)方案，管母導(dǎo)體不僅有載流量大的特性，在電氣平面布置上還能有效節(jié)省空間、減少占地。

2 管形母線的設(shè)計(jì)

2.1 管母的平面布置

變電站內(nèi)110 kV主變和110 kV設(shè)備采用戶(hù)外敞開(kāi)式布置，110 kV母線采用LF-21Y型φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體，管形導(dǎo)體母線總長(zhǎng)為44.1 m，根據(jù)主變布置情況，將管形導(dǎo)體母線劃分為5跨，母線相間距1.6 m。110 kV管型母線的平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 110 kV管型母線的平面布置圖

2.2 管母設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

（1）為了防止母線的端部效應(yīng)，采用了延長(zhǎng)鋁錳合金管形導(dǎo)體端部和增設(shè)封端球兩種措施。管型母線在端部延長(zhǎng)1 m，有效的改善端部磁場(chǎng)、提高端部放電電壓；在端部ABC三相上各設(shè)置一套封端球金具（MGZ-100）作為母線端的屏蔽電極。

（2）由于管形導(dǎo)體母線過(guò)長(zhǎng)，電站在后期運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)體熱脹冷縮、不均勻沉降、地震等現(xiàn)象，為保證導(dǎo)體在上述現(xiàn)象中安全穩(wěn)定運(yùn)行，在母線第二跨與第三跨之間（母線17.8 m處）設(shè)置一套母線伸縮節(jié)金具（MGS-100X15），伸縮節(jié)長(zhǎng)度為5 cm。該伸縮節(jié)的設(shè)置不僅能夠減少微風(fēng)震動(dòng)，還有利于提高電暈的起始電壓。

（3）管母所處環(huán)境平均風(fēng)速為2.1 m/s，當(dāng)其受到水平方向穩(wěn)定、均勻的風(fēng)作用時(shí)，管母會(huì)因引卡曼漩渦而受到周期性的干擾力，該干擾力的周期性與管母自震頻率相近時(shí)，管母會(huì)產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng)。通過(guò)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)對(duì)比，本工程管母采用了長(zhǎng)托架的支持方式來(lái)消減該微風(fēng)振動(dòng)，選用的MGJ-104托架總長(zhǎng)1 m，有效減少了管母的自由跨度，并提高了管母的自震頻率。

（4）因管形導(dǎo)體制造及運(yùn)輸問(wèn)題，每根φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體的到場(chǎng)尺寸約10 m，而110 kV母線總長(zhǎng)度為44.1 m，所以鋁錳合金管形導(dǎo)體之間需進(jìn)行連接。導(dǎo)體的連接方式有焊接、螺栓連接。螺栓連接主要用在母線與金具、母線固定及需拆卸的部位，因此工程管母之間的連接采用焊接，焊接方式為氬弧焊，焊接點(diǎn)需滿足如下要求：

①焊接接頭的直流電阻不超過(guò)同長(zhǎng)度母線段的電阻值[1]；

②焊接點(diǎn)位置與管母支撐絕緣子的托盤(pán)金具、引下線金具邊沿不小于50 mm；

③焊接時(shí)所用的填充材料與鋁錳合金管形導(dǎo)體材料一致。

3 管形母線的選擇

3.1 按照持續(xù)工作電流選擇導(dǎo)體

變電站110 kV母線采用單母線接線形式，光伏電站總裝機(jī)功率為300 MVA，母線最大工作電流為1574.6 A。根據(jù)工程可行性研究報(bào)告，該光伏電站綜合發(fā)電效率為0.79，因此電站110 kV母線常年持續(xù)工作電流為1259.2 A。經(jīng)查，鋁錳合金管形導(dǎo)體長(zhǎng)期允許載流量及計(jì)算用數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 鋁錳合金管形導(dǎo)體長(zhǎng)期允許載流量及計(jì)算用數(shù)據(jù)

按照允許溫度為80℃考慮，經(jīng)對(duì)比，φ80/72及以上規(guī)格的鋁錳合金管形導(dǎo)體額定電流均大于母線均可滿足電站持續(xù)工作電流的要求。

3.2 按經(jīng)濟(jì)電流選擇導(dǎo)體

一般在母線長(zhǎng)度超過(guò)20 m、輸送容量較大時(shí)，需選用經(jīng)濟(jì)電流密度法來(lái)計(jì)算導(dǎo)體，本工程110 kV母線長(zhǎng)44.1 m且最大輸送容量高達(dá)300 MVA，因此需采用經(jīng)濟(jì)電流密度來(lái)選擇鋁錳合金管形導(dǎo)體的截面。由工程可行性研究報(bào)告得知光伏電站年利用小時(shí)數(shù)為1827 h，結(jié)合光伏電站的上網(wǎng)電價(jià)為0.8元/（kW·h）（該上網(wǎng)電價(jià)=當(dāng)?shù)厝济簷C(jī)組標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)+國(guó)家可再生能源發(fā)展基金補(bǔ)貼），查經(jīng)濟(jì)電流密度表得，對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)電流密度系數(shù)取0.8 A/mm2，計(jì)算得母線截面為1574 mm2（1259.6/0.8=1574 mm2）。

當(dāng)計(jì)算結(jié)果無(wú)合適導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體截面可小于經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算截面[1]。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體截面為1491 mm2，因此φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體及以上型號(hào)均可滿足導(dǎo)體持續(xù)電流和經(jīng)濟(jì)電流密度兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求。變電站的110 kV母線導(dǎo)體暫定為φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體。

4 管形母線電氣校驗(yàn)

4.1 按電暈條件校驗(yàn)

按照電暈條件校驗(yàn)來(lái)校驗(yàn)110 kV鋁錳合金管形導(dǎo)體母線，要求其在晴天條件下不會(huì)出現(xiàn)全面電暈作為控制條件，即要求鋁錳合金管形導(dǎo)體母線的最高工作電壓Ug不大于臨近電暈電壓U0。φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體在當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境下的臨近電暈電壓為：

式中：m1為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)0.9；m2為天氣（晴）系數(shù)1.0；k為三相導(dǎo)體水平排列，導(dǎo)體電容不均勻系數(shù)0.96；δ為相對(duì)空氣密度0.89；r0為導(dǎo)體半徑5 cm；ajj為三相水平排列導(dǎo)體相間幾何均距1.26倍的相間距（160 cm）。

電站鋁錳合金管形導(dǎo)體母線最高運(yùn)行電壓為126 kV，遠(yuǎn)小于臨近電暈電壓615.98 kV，因此φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體在電站正常運(yùn)行期間不會(huì)發(fā)生電暈。

4.2 按母線短路熱穩(wěn)定校驗(yàn)

電站母線導(dǎo)體截面應(yīng)保證母線在發(fā)生短路、出線最大短路電流時(shí)，母線導(dǎo)體在斷路器保護(hù)時(shí)間內(nèi)承受短路電流的熱作用而不損壞。根據(jù)該電站《接入系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)可行性研究報(bào)告》查得110 kV母線三相短路電流為19.23 kA。因此，導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性要求截面為S：

式中：Qd為電路電流熱效應(yīng)；C為導(dǎo)體材料及發(fā)熱溫度相關(guān)系數(shù)。

φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體截面選用1491 mm2，能夠滿足母線短路熱穩(wěn)定的要求。

5 管形母線機(jī)械應(yīng)力校驗(yàn)

5.1 110 kV鋁錳合金管導(dǎo)體母線受力分析

110 kV鋁錳合金管導(dǎo)體母線共設(shè)計(jì)有5跨，在母線第二跨與第三跨之間設(shè)置的母線伸縮節(jié)金具從受力上將母線劃分為2段，一段為2跨，另外一段為3跨。因此，導(dǎo)體在機(jī)械應(yīng)力校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)2跨和3跨母線段分別進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果均應(yīng)滿足導(dǎo)體要求。

對(duì)110 kV鋁錳合金管導(dǎo)體母線的受力分析應(yīng)從正常運(yùn)行工況、母線短路情況、地震情況三種情況下對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)分析。在三種工況下，應(yīng)能保證鋁錳合金管導(dǎo)體受力均在導(dǎo)體材料機(jī)械應(yīng)力的承受范圍內(nèi)，各情下鋁錳合金管導(dǎo)體受力分析見(jiàn)圖2。

圖2 正常情況下母線受力分解圖

圖中：Mcz為鋁錳合金管導(dǎo)體自重引起的垂直彎矩；Mcj為掛于鋁錳合金管導(dǎo)體上的金具和引下線等集中荷載引起的垂直彎矩；Msf、M'sf、M"sf為最大風(fēng)速、內(nèi)過(guò)電壓情況下風(fēng)速、地震情況下風(fēng)速對(duì)鋁錳合金管導(dǎo)體引起的水平彎矩；Msd為鋁錳合金管導(dǎo)體短路時(shí)電動(dòng)力引起的水平彎矩；Mdx地震時(shí)對(duì)鋁錳合金管導(dǎo)體產(chǎn)生的水平彎矩；Mmax各個(gè)力矩產(chǎn)生的綜合力矩；σmax綜合力矩在導(dǎo)體上產(chǎn)生的應(yīng)力。

由于導(dǎo)體在運(yùn)行中存在上述彎矩，該作用力會(huì)導(dǎo)致母線產(chǎn)生一定的撓度，母線撓度的大小會(huì)直接影響母線上線夾金具的工作狀態(tài)，當(dāng)撓度過(guò)大時(shí)，母線中的滑動(dòng)金具會(huì)被卡住，導(dǎo)致滑動(dòng)金具失去作用。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，母線的撓度不大于0.5倍外徑即可滿足運(yùn)行要求，本工程φ100/90鋁錳合金管導(dǎo)體的最大撓度yxu按超過(guò)5 cm設(shè)計(jì)。母線撓度由母線自重產(chǎn)生的撓度和集中荷載產(chǎn)生的撓度共同作用產(chǎn)生。

5.2 計(jì)算結(jié)果

φ100/90鋁錳合金管導(dǎo)體母線最大彎矩、撓度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 φ100/90鋁錳合金管導(dǎo)體彎矩計(jì)算結(jié)果

φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體材料的最大允許應(yīng)力和合成撓度分別為8820 N/cm2和5 cm，對(duì)比表2中的綜合力矩在導(dǎo)體上產(chǎn)生的應(yīng)力和允許的最大撓度，皆能夠滿足要求，安全運(yùn)行。

6 結(jié)論

榆林市江山永宸300 MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目110 kV升壓站已于2017年6月26日投運(yùn)，并已連續(xù)安全可靠運(yùn)行至今。事實(shí)證明該母線電氣布置是安全可靠的，對(duì)φ100/90鋁錳合金管形導(dǎo)體的工作電流、經(jīng)濟(jì)電流密度、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、各種工況下導(dǎo)體所承受的最大彎矩和應(yīng)力的計(jì)算是合理的。