管型母线的挠度、模态分析及工程安全应用

李 伟/中国水利水电第七工程局有限公司

管型母线的挠度、模态分析及工程安全应用

李 伟/中国水利水电第七工程局有限公司

管型母线主要应用在电力建设工程中电网输电导线与变电站变压器之间的导体连接、输电线路中的跳线、电力设备中的连接导体以及大电流直流融冰装置中作过流导体，是取代传统的矩形、槽形、棒形母线和软导线的全新导体，是电力输变电系统中关键的设备（材料）之一，对输变电系统及电力设备的安全、可靠运行起着至关重要的作用。本文对管型母线的挠度、模态分析及工程安全应用进行了分析。

管型母线；挠度；模态分析；工程安全应用

一、前言

作为我国输变电系统及电力设备连接中的重要导体，管型母线的重要作用受到愈来愈多的关注与重视。管型母线的出现代替了传统的矩形、棒性母线，是一种全新的导体，也是电力输变系统中的关键设备，对于维护输电系统及电力设备的安全运行具有十分重要的意义。管型母线充分利用同轴电容的原理，通过仿真计算等手段，优化各种参数，并采用特殊的制造工艺，生产出的全绝缘性母线连接系统。总之，管型母线被广泛应用于我国的变电站实践过程中。

二、管型绝缘母线的特点

（1）产品主要结构。绝缘母线主要部件由：绝缘母线、固定金具、屏蔽筒、母线托架、软连接、增爬器、穿墙护套管等组成。（2）母线中间连接器。采用螺锥式连接方式，连接板可以使硬铜排，也可以使软连接（伸缩节），同螺栓连接的母线安全可靠，检修方便。母线与GIS开关柜的连接，采用MGC Type DURESCADE插拔式接头母线段与GIS接口连接。

三、管型母线的选择计算

1、母线选材

过去，变电站母线多采用纯铝管材质，但是纯铝管的强度较低，使用率不高。随着技术的进步，当前可以用作铝管母线生产的合金有铝锰合金和铝镁两种，并且多采用冷拔工艺成型。

表1 管型母线的选材情况

由上表中可以看出，铝锰合金的导电率较高，而且容易焊接。因此，选用铝锰合金管型母线是十分必要的。

表2 管型母线的载流量计算

上表中的环境温度指的是空气的湿度，一般指的是离地2m高且没有阳光照射处的温度。在计算铝管母线的载流量时，应该努力分析和探索环境温度与铝管母线之间的关系，明确什么情况下铝管母线的消耗最低，由此确定最为合理的环境温度。利用某一地区的极端最高温来计算铝管母线的载流量，可靠性较高，但是母线的截面也会增大。就我国来说，在夏季最热月中有一大部分的时间最高气温的持续时间会达到7～8小时，这种气温下铝管母线的寿命会大大缩短。在本次实践过程中，笔者采用某一气象站提供的十年间最热月的最高平均气温37.6℃作为铝管母线的载流量进行计算。

2、母线的强度与挠度

在管母线的配电装置中，管型母线除了要承担必要的载流功能之外，还要承受一定的结构支持受力，在多种情况的交织下母线结构计算的难度会进一步加大。一般来说，管型母线的强度与挠度的计算主要包括以下三个方面的工作：第一，自动频率计算。母线自动频率的高低与母线短路点动力的大小有着直接的关系，而自动频率则会受到跨距、材料刚度、支撑安装形式等各方面因素的影响。管型母线的微风振动指的是当稳定的微风垂直于母线水平吹来时，母线会发生上下交替振动。工作人员先要测算母线的各阶自振频率，并校验微风振动的风速，并根据地形特点分析是否可能会发生微风振动。当风速小于6m/s，工作人员可以消除微风振动措施；第二，强度校验。要根据荷载组合的具体情况，先计算其内应力的大小，之后根据安全系数来校验强度。在计算荷载时，工作人员要按照荷载组合条件（正常情况、短路情况、地震情况）来计算各个状态下的导体水平及垂直弯距，从而进行强度校验；第三，挠度计算。如果管型管线的挠度过大，会影响变电站配电装置的美观性，也会影响母线的结构受力情况。

3、防止微风振动措施

微风振动会对管型母线的应用产生一定的影响，因此在选择管型母线的过程中，要防止出现微风振动的情况。第一，要在管内加装阻尼线；第二，加装动力消谐器；第三，采用长托架。要高度重视集中荷载的影响，保证阻尼效果。

4、母线的后期维护

第一，要注意维护管型母线的灵敏性，保证其能够反映故障的能力；第二，要维护母线的速动性。在发生故障之后，要确保动作迅速，从而保证故障迅速切除，以免造成电力系统失稳，这也是保证电力系统的安全运行。同时要注意二次电流畸变情况，防止出现不利现象；第三，要注意维护母线的可靠性。如果母线保护如果动作，就会跳开母线上的所有开关，母线保护的可靠性会受到影响，也会影响电力系统的安全运行。要提高母线保护的可靠性、安全性，防止出现外部短路的情况。而母线的可信性是指母线在故障时要保证母线保护的可靠动作，防止引动。

四、应用实例

1、电站概况

沙坪二级水电站：装机容量为6台单机容量为58MW灯泡式贯流机组（目前亚洲最大）,发电机额定电压10.5KV，机组额定电流为3447A。电站厂房较为紧凑，若采取传统电缆连接方式，采用单芯截面为400mm2的10KV电缆，单根电缆载流量计算为623A，则每相至少需并联6根。为方便其他机电设备布置，节省空间，经与电站业主方协商，决定采用全绝缘铜管母线。经计算，选用额定电压12kV，额定电流为4000A，尺寸为ø100×10mm（外径×壁厚）的全绝缘铜管母线。从发电机引出线至PT柜之间的绝缘铜管母线为户内布置，采用支架及吊装方式，沿电缆沟分层布置。现场布置极为灵活方便，适应性非常强。

2、绝缘管型母线安装及工艺要求

（1）在该水电站中，绝缘母线支架、托架、抱箍、固定金具、屏蔽筒等随母线本体均由供货厂商提供。所有暴露在大气中的金属部件采用具有可靠的防锈层材料制成。

在现场安装时，对于绝缘管型母线的铜管端部作倒圆角处理，铜管端部连接面应镀银或搪锡，安装前用丙酮或无水酒精清洁端部，确保具有较低的接触电阻及防腐蚀功能。

（2）中间接头要求：安装过程中通过调整两端母线同轴度，保证导体端部尽量不留间隙，用丙酮或无水酒精清洁中间接头接触面，在母线端部接触面上均匀涂抹导电膏，调整中间接头位置，使母线两端接触面相等，按力矩要求值拧紧螺栓，检查接触面，如有明显间隙，应重新调整两端母线同轴度；

按设计图纸要求安装屏蔽筒和热缩套管，接头应满足通流和温升要求，接头处的绝缘结构形式和管型母线相同，并确保接头处的绝缘外表电位为零，以保证运行维护的安全。

（3）与设备连接要求：绝缘母线端部采用哈弗式螺接过渡接头，绝缘铜管型母线与设备之间采用铜质软连接方式。

（4）接地要求：母线支撑、悬吊等钢构建由安装单位将其用型号为60x8接地扁钢串连接地；整相绝缘管型母线接地电容屏必须全部可靠接地，包括中间接头处的屏蔽绝缘套管，接地方式为一点接地（可分段各自独立接地），避免绝缘管型母线的接地线因多点接地而产生环流，保证外层接地屏满足人体能安全触摸的要求。

（5）绝缘管型母线现场验收要求。验收绝缘管型母线时，其表面绝缘层应光滑无伤痕；主绝缘电阻应不小于100MΩ，绝缘铜管母线布置方案清晰简明，与发电机、开关柜端子的连接也十分简单，并且铜的温度线性膨胀系数小于铝及其合金导体，因此在不长的距离内铜管母线无需加母线伸缩节（导体与其他设备间的连接须装设）。一般情况下，由专业的供货厂商负责管母线的现场施工、安装费用，对于施工方而言，可以极大的减少安装工程量。同时，管型母线安装后，几乎可以终身免维护，维护运行成本低，达到了电站经济运行的目的。

五、结语

总之，相比其他类型的母线来说，管型母线配电装置的占地面积较少，无线电干扰较小，并且美观。通过在沙坪二级水电站的应用看，管型母线比传统的母线具有更多的优点，也使输变电运行更加安全可靠，取得了良好的使用效果，值得在输变电系统中连接中推广应用。

[1]王中虎.管型母线的特点及在变电站的应用[J].中国新技术新产品，2015(2)：50.

[2]王健.水电站全绝缘母线的安装和试验[J].科技与创新，2014(9)：6-7.