劉菲，張健，常偉

（1.西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司建設(shè)分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

目前，懸吊式管型母線已經(jīng)作為國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)220～750kV屋外配電裝置的標(biāo)準(zhǔn)母線形式。結(jié)合系統(tǒng)落點(diǎn)，很多變電站站址位于高海拔地區(qū)，因帶電距離的要求，配電裝置間隔寬度在原通用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上大幅增加，出現(xiàn)大跨度懸吊式管型母線布置形式，造成管母撓度的大幅增加[1]。

管母撓度過(guò)大，對(duì)于支持式管型母線，正常熱脹冷縮時(shí)，會(huì)引起滑動(dòng)金具工作失常。因此，要求跨中撓度不大于0.5～1.0D（D為管母外徑）。對(duì)于懸吊式管型母線，管母兩端用金具懸吊起來(lái)，是固定連接，雖然沒(méi)有因此造成金具滑動(dòng)失常的問(wèn)題，但是，若管母撓度過(guò)大，會(huì)帶來(lái)如下問(wèn)題：①若母線側(cè)采用垂直伸縮式隔離開(kāi)關(guān)，會(huì)造成隔離開(kāi)關(guān)靜觸頭偏移量過(guò)大，隔離開(kāi)關(guān)無(wú)法正常開(kāi)合。②懸吊式管母對(duì)其下電氣設(shè)備的帶電距離緊張。③懸吊式管母彎曲過(guò)于明顯，影響工程創(chuàng)優(yōu)。因此，目前業(yè)主對(duì)懸吊式管母撓度的控制要求與支持式管母一致，不大于1.0D（D為管母外徑）。

目前，管母撓度的計(jì)算，主要依據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》《35-500千伏鋁管母線配電裝置》中相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算方法為整體估算，且不能有效反映管母具體某一點(diǎn)上的撓度大小?；谏鲜鰡?wèn)題，依托某750kV變電站工程進(jìn)行分析研究，本文擬通過(guò)采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序建模，并利用連續(xù)跨的撓度計(jì)算系數(shù)遠(yuǎn)小于單跨的特點(diǎn)，提出一種準(zhǔn)確計(jì)算管母撓度、有效降低管母撓度的方法，可為后續(xù)具有大跨度懸吊式管型母線工程的建設(shè)提供技術(shù)支持，為工程創(chuàng)優(yōu)服務(wù)[2]。

1 某750kV變電站220kV配電裝置布置簡(jiǎn)介

某750kV變電站220kV配電裝置在國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)220-C-8-220方案的基礎(chǔ)上：①因空氣間隙按海拔1500m修正后，220kV配電裝置進(jìn)、出線間隔寬度為16.5m，母聯(lián)及母線設(shè)備間隔寬度為15m，較通用設(shè)計(jì)方案各增加1m。②因母線通流及大風(fēng)沙問(wèn)題，220kV母線采用6063-Φ250/230懸吊式管型母線替代通用設(shè)計(jì)中雙分裂JLHN58K-1600擴(kuò)徑耐熱鋁合金導(dǎo)線。某750kV變電站220kV配電裝置布置圖詳見(jiàn)圖1。

2 220kV采用單跨式懸吊管母的撓度計(jì)算

2.1 計(jì)算輸入值的選取

計(jì)算輸入值采用管母6063-Φ250/230參數(shù)值：

管母自重：20.60kg/m；

管母外徑：250mm；

彈性模量：72000N/mm2；

密度：2275kg/mm3；

泊松比：0.315；

線膨脹系數(shù)：23.4×10-6；

慣性矩：5435cm4；

抗拉強(qiáng)度：≥185σb(MPa)；

屈服強(qiáng)度：≥165σ0.2(MPa)。

2.2 220kV采用單跨式懸吊管母撓度的電氣計(jì)算

某750kV變電站220kV母線采用單跨式懸吊管母，最長(zhǎng)間隔跨度33m（2個(gè)出線間隔），采用2點(diǎn)V串懸吊單跨式設(shè)計(jì)，兩懸吊點(diǎn)間距l(xiāng)js=33m-3.1m×2=26.8m，詳見(jiàn)圖2。

根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》公式計(jì)算：

（1）均布荷載產(chǎn)生的撓度

其中，y1為母線自重、風(fēng)荷載等產(chǎn)生的均布荷載撓度，cm；k1為均布荷載撓度計(jì)算系數(shù)，單跨取1.3；q1為均布荷載，kg/m；ljs為計(jì)算跨距；E為彈性模量，kg/cm2；J1為慣性矩，cm4。經(jīng)計(jì)算，均布荷載撓度為y1=35.303cm。

（2）集中荷載產(chǎn)生的撓度

其中，y2為引下線、隔離開(kāi)關(guān)靜觸頭等產(chǎn)生的集中荷載撓度，cm；k2為集中荷載撓度計(jì)算系數(shù)，單跨取2.08；p為集中荷載,kg/m；ljs為計(jì)算跨距；E為彈性模量，kg/cm2；J1為慣性矩，cm4。經(jīng)計(jì)算，集中荷載撓度為y2=7.162cm。

（3）合成撓度

假設(shè)均布荷載、集中荷載為同一點(diǎn)的最不利情況，合成荷載為：

合成撓度為y=42.465cm。

根據(jù)上述管母撓度公式計(jì)算結(jié)果可知，該典型間隔單跨式懸吊管母最大撓度約425mm，大于1.0D（D為管母外徑）。而現(xiàn)場(chǎng)試吊跨管母撓度一周后實(shí)測(cè)值為247mm，與電氣公式計(jì)算值偏差較大[3]。

2.3 220kV采用單跨式懸吊管母撓度的模型計(jì)算

（1）模型建立過(guò)程。采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序模擬工程實(shí)際情況對(duì)管母撓度進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)幾個(gè)預(yù)吊間隔撓度實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，不斷調(diào)整模型，以真實(shí)模擬管母實(shí)際受力狀況，得到最優(yōu)模型。①管母機(jī)械應(yīng)力與管母梁之間有力的傳遞，將管母所在間隔的構(gòu)架梁、構(gòu)架柱作為一個(gè)整體受力體系一同建模。②模型中建立管母、引下線的真實(shí)材質(zhì)性能，以得到撓度最大點(diǎn)的真實(shí)位置。③V型絕緣子串與管母之間是鉸接形式，部分金具可局部轉(zhuǎn)動(dòng)，因此須將金具按實(shí)際進(jìn)行建模。同時(shí)將V型絕緣子串等效為二力桿，一端懸吊管母，一端與構(gòu)架母線梁連接，以實(shí)現(xiàn)力的傳遞。④引下線具有一定剛性，模型中建立該材質(zhì)的性能參數(shù)[4]。

通過(guò)上述問(wèn)題的解決，得到能給出各點(diǎn)的撓度大小，以方便指導(dǎo)管母及V串安裝的最優(yōu)模型。

（2）模型建立。模型計(jì)算輸入值詳見(jiàn)2.1節(jié)。利用該最優(yōu)模型，以上述電氣計(jì)算典型間隔為例，空間結(jié)構(gòu)建模如圖3所示。

（3）荷載組合。

模型一：?jiǎn)慰绮贾?，僅考慮管母自重；模型二：?jiǎn)慰绮贾茫诳缰性黾右戮€荷載；模型三：?jiǎn)慰绮贾?，在跨中兩?cè)增加引下線荷載。

2.4 220kV單跨式懸吊管母撓度計(jì)算值分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，單跨式懸吊管母最大位移詳見(jiàn)表1。

表1 單跨式懸吊管母最大位移統(tǒng)計(jì)表（mm）

由上表可知，當(dāng)220kV采用單跨式懸吊管母布置方案時(shí)：①推薦模型計(jì)算值比公式計(jì)算值更貼近實(shí)測(cè)結(jié)果。②引下線位于中間，即集中荷載與均布荷載撓度最大點(diǎn)重合時(shí)，管母撓度最大。③采用單跨式懸吊管母布置方案，一周后的管母撓度實(shí)測(cè)值已接近1.0D（D為管母外徑250mm），隨著母線自重、風(fēng)荷載等力的持續(xù)作用下，管母撓度會(huì)進(jìn)一步增加，很難保證管母撓度控制在1.0D以內(nèi)。

3 降低220kV單跨式懸吊管母撓度的措施

針對(duì)大跨度懸吊式管型母線撓度過(guò)大的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外最普遍的解決方法是：通過(guò)增加構(gòu)架縮小管母跨度或管母兩端增加配重等方法。其中，在大跨度管母中間增加構(gòu)架，以減小管母跨度，是減小管母撓度最有效的辦法。以某750kV變電站220kV配電裝置為例，管母跨度由原33m減小至18m，撓度計(jì)算值可控制在20mm左右。但需增加28m寬、10m高聯(lián)合構(gòu)架10榀，增加用鋼量372t（折合約335.6萬(wàn)），增加占地面積580m2（折合約3.1萬(wàn)）。其土建費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)性較差?？紤]在管母兩端增加配重，因電氣計(jì)算無(wú)法準(zhǔn)確算出該配重對(duì)于管母撓度的改善程度，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)掛配重試驗(yàn)，但是效果并不明顯。分析原因，主要在于管母跨度較長(zhǎng)，掛點(diǎn)設(shè)置在管母兩端，加配重后產(chǎn)生彎矩較小，無(wú)法明顯改善跨中撓度。因此，不考慮將增加配重作為減小大跨度管母撓度的主要措施。再者，考慮設(shè)計(jì)特殊金具，延長(zhǎng)懸吊點(diǎn)位置以縮短管母跨度，從而改善管母撓度。該方案因金具需特制，不便于采購(gòu)，且新型金具的使用效果有待工程運(yùn)行檢驗(yàn)。上述減小管母撓度的方式，對(duì)于本工程均不適用。通過(guò)多方查閱規(guī)程及相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)連續(xù)跨的撓度計(jì)算系數(shù)遠(yuǎn)小于單跨，因此考慮采用連續(xù)兩跨懸吊比單跨懸吊對(duì)管母撓度更有利[5]。

4 220kV采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母的撓度計(jì)算

按照上述分析思路，某750kV變電站220kV母線采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母，最長(zhǎng)間隔跨度66m（4個(gè)間隔），采用4點(diǎn)V串懸吊連續(xù)跨設(shè)計(jì)，兩懸吊點(diǎn)間距為33m-3.1m× 2=26.8m，詳見(jiàn)圖4。

4.1 220kV采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母撓度的電氣計(jì)算

通過(guò)第2.2節(jié)所列公式計(jì)算，可得：采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母的合成撓度為y=17.285cm。

根據(jù)管母撓度公式計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母最大撓度約173mm，較單跨式懸吊管母撓度大幅降低，且滿足小于1.0D（D為管母外徑）的要求。

4.2 220kV采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母撓度的模型計(jì)算

（1）模型建立。利用前述最優(yōu)模型，采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序，模擬工程實(shí)際情況對(duì)管母撓度進(jìn)行計(jì)算分析。以上述電氣計(jì)算典型間隔為例：管母長(zhǎng)度66.0m，兩端V串掛點(diǎn)距離管母端部3.1m，中間構(gòu)架處也采用相同V串懸吊，空間結(jié)構(gòu)建模如圖5所示。

（2）荷載組合。模型四：2個(gè)連續(xù)跨布置，僅考慮管母自重；模型五：2個(gè)連續(xù)跨布置，在跨中增加引下線荷載；模型六：2個(gè)連續(xù)跨布置，在跨中兩側(cè)增加引下線荷載。

4.3 220kV采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母撓度計(jì)算值分析

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊管母最大位移詳見(jiàn)表2。

表2 2 個(gè)連續(xù)跨懸吊管母最大位移統(tǒng)計(jì)表（mm）

由上表可見(jiàn)，①采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊母線吊裝方案，無(wú)論是電氣公式計(jì)算值、模型計(jì)算值，還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，管母撓度均比單跨布置大幅降低，說(shuō)明2個(gè)連續(xù)跨懸吊母線吊裝方案在撓度控制方面明顯優(yōu)于單跨布置；②雖然管母撓度的電氣計(jì)算值與一周后的實(shí)測(cè)值較為接近，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，管母撓度值會(huì)略有增大并趨于穩(wěn)定。推薦模型計(jì)算值與兩年后趨于穩(wěn)定的管母撓度實(shí)測(cè)值更為接近，說(shuō)明推薦模型撓度計(jì)算精準(zhǔn)度更高；③引下線位于中間，即集中荷載與均布荷載撓度最大點(diǎn)重合時(shí)，管母撓度最大；④采用2個(gè)連續(xù)跨懸吊母線吊裝方案不增加占地及構(gòu)架量，較常規(guī)增加構(gòu)架方案節(jié)約投資338.7萬(wàn)元，該費(fèi)用主要是由于節(jié)約用鋼量、占地等。

5 結(jié)論

針對(duì)大跨度管型母線撓度的計(jì)算，課題成果推薦采用空間三維分析軟件STAAD CHINA（V8i）程序搭建的最優(yōu)模型，驗(yàn)證單跨、2個(gè)連續(xù)跨的懸吊管母撓度值，以準(zhǔn)確、快速地得到計(jì)算結(jié)果，使得安裝方式最有利于管母撓度的降低。該課題成果在各電壓等級(jí)配電裝置大跨度懸吊式管母的布置方案中均可參考采用。不僅為布置方案的優(yōu)化提供了更多的選擇，且能有效降低土建工程量，經(jīng)濟(jì)性較高。同時(shí)，可提高設(shè)計(jì)計(jì)算水平的先進(jìn)性，為工程創(chuàng)優(yōu)提供技術(shù)支持，能夠更好地為業(yè)主服務(wù)。