管形導體在戶外敞開式變電站中的設計選擇

王 帥，張 磊，寇柏瑩，劉 寧，韓姝娜

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 項目概況

榆林市江山永宸300 MWp并網光伏發電項目110 kV升壓站位于榆林市榆陽區。工程總裝機容量300 MW，主要任務是發電，電站理論年平均發電利用小時數約為1630 h，設計運行年限為25年，運行期預期年平均上網電量為48909萬kW·h。變電站110 kV主接線采用單母線接線形式，裝設3臺容量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330 kV升壓站。由于110 kV母線匯流電流較大，母線采用管型導體母線設計方案，管母導體不僅有載流量大的特性，在電氣平面布置上還能有效節省空間、減少占地。

2 管形母線的設計

2.1 管母的平面布置

變電站內110 kV主變和110 kV設備采用戶外敞開式布置，110 kV母線采用LF-21Y型φ100/90鋁錳合金管形導體，管形導體母線總長為44.1 m，根據主變布置情況，將管形導體母線劃分為5跨，母線相間距1.6 m。110 kV管型母線的平面布置見圖1。

圖1 110 kV管型母線的平面布置圖

2.2 管母設計中的注意事項

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

（2）由于管形導體母線過長，電站在后期運行過程中難免會出現導體熱脹冷縮、不均勻沉降、地震等現象，為保證導體在上述現象中安全穩定運行，在母線第二跨與第三跨之間（母線17.8 m處）設置一套母線伸縮節金具（MGS-100X15），伸縮節長度為5 cm。該伸縮節的設置不僅能夠減少微風震動，還有利于提高電暈的起始電壓。

（3）管母所處環境平均風速為2.1 m/s，當其受到水平方向穩定、均勻的風作用時，管母會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，管母會產生微風振動。通過經濟、技術對比，本工程管母采用了長托架的支持方式來消減該微風振動，選用的MGJ-104托架總長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）因管形導體制造及運輸問題，每根φ100/90鋁錳合金管形導體的到場尺寸約10 m，而110 kV母線總長度為44.1 m，所以鋁錳合金管形導體之間需進行連接。導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，焊接點需滿足如下要求：

①焊接接頭的直流電阻不超過同長度母線段的電阻值[1]；

②焊接點位置與管母支撐絕緣子的托盤金具、引下線金具邊沿不小于50 mm；

③焊接時所用的填充材料與鋁錳合金管形導體材料一致。

3 管形母線的選擇

3.1 按照持續工作電流選擇導體

變電站110 kV母線采用單母線接線形式，光伏電站總裝機功率為300 MVA，母線最大工作電流為1574.6 A。根據工程可行性研究報告，該光伏電站綜合發電效率為0.79，因此電站110 kV母線常年持續工作電流為1259.2 A。經查，鋁錳合金管形導體長期允許載流量及計算用數據見表1。

表1 鋁錳合金管形導體長期允許載流量及計算用數據

按照允許溫度為80℃考慮，經對比，φ80/72及以上規格的鋁錳合金管形導體額定電流均大于母線均可滿足電站持續工作電流的要求。

3.2 按經濟電流選擇導體

一般在母線長度超過20 m、輸送容量較大時，需選用經濟電流密度法來計算導體，本工程110 kV母線長44.1 m且最大輸送容量高達300 MVA，因此需采用經濟電流密度來選擇鋁錳合金管形導體的截面。由工程可行性研究報告得知光伏電站年利用小時數為1827 h，結合光伏電站的上網電價為0.8元/（kW·h）（該上網電價=當地燃煤機組標桿上網電價+國家可再生能源發展基金補貼），查經濟電流密度表得，對應的經濟電流密度系數取0.8 A/mm2，計算得母線截面為1574 mm2（1259.6/0.8=1574 mm2）。

當計算結果無合適導體時，導體截面可小于經濟電流密度計算截面[1]。根據表1數據，φ100/90鋁錳合金管形導體截面為1491 mm2，因此φ100/90鋁錳合金管形導體及以上型號均可滿足導體持續電流和經濟電流密度兩個方面的設計要求。變電站的110 kV母線導體暫定為φ100/90鋁錳合金管形導體。

4 管形母線電氣校驗

4.1 按電暈條件校驗

按照電暈條件校驗來校驗110 kV鋁錳合金管形導體母線，要求其在晴天條件下不會出現全面電暈作為控制條件，即要求鋁錳合金管形導體母線的最高工作電壓Ug不大于臨近電暈電壓U0。φ100/90鋁錳合金管形導體在當地氣象環境下的臨近電暈電壓為：

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

電站鋁錳合金管形導體母線最高運行電壓為126 kV，遠小于臨近電暈電壓615.98 kV，因此φ100/90鋁錳合金管形導體在電站正常運行期間不會發生電暈。

4.2 按母線短路熱穩定校驗

電站母線導體截面應保證母線在發生短路、出線最大短路電流時，母線導體在斷路器保護時間內承受短路電流的熱作用而不損壞。根據該電站《接入系統方案設計可行性研究報告》查得110 kV母線三相短路電流為19.23 kA。因此，導體的熱穩定性要求截面為S：

式中：Qd為電路電流熱效應；C為導體材料及發熱溫度相關系數。

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

5 管形母線機械應力校驗

5.1 110 kV鋁錳合金管導體母線受力分析

110 kV鋁錳合金管導體母線共設計有5跨，在母線第二跨與第三跨之間設置的母線伸縮節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，導體在機械應力校驗時，應對2跨和3跨母線段分別進行計算，其結果均應滿足導體要求。

對110 kV鋁錳合金管導體母線的受力分析應從正常運行工況、母線短路情況、地震情況三種情況下對其進行相應分析。在三種工況下，應能保證鋁錳合金管導體受力均在導體材料機械應力的承受范圍內，各情下鋁錳合金管導體受力分析見圖2。

圖2 正常情況下母線受力分解圖

圖中：Mcz為鋁錳合金管導體自重引起的垂直彎矩；Mcj為掛于鋁錳合金管導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為最大風速、內過電壓情況下風速、地震情況下風速對鋁錳合金管導體引起的水平彎矩；Msd為鋁錳合金管導體短路時電動力引起的水平彎矩；Mdx地震時對鋁錳合金管導體產生的水平彎矩；Mmax各個力矩產生的綜合力矩；σmax綜合力矩在導體上產生的應力。

由于導體在運行中存在上述彎矩，該作用力會導致母線產生一定的撓度，母線撓度的大小會直接影響母線上線夾金具的工作狀態，當撓度過大時，母線中的滑動金具會被卡住，導致滑動金具失去作用。根據以往工程經驗，母線的撓度不大于0.5倍外徑即可滿足運行要求，本工程φ100/90鋁錳合金管導體的最大撓度yxu按超過5 cm設計。母線撓度由母線自重產生的撓度和集中荷載產生的撓度共同作用產生。

5.2 計算結果

φ100/90鋁錳合金管導體母線最大彎矩、撓度計算結果見表2。

表2 φ100/90鋁錳合金管導體彎矩計算結果

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

6 結論

榆林市江山永宸300 MWp并網光伏發電項目110 kV升壓站已于2017年6月26日投運，并已連續安全可靠運行至今。事實證明該母線電氣布置是安全可靠的，對φ100/90鋁錳合金管形導體的工作電流、經濟電流密度、機械強度、熱穩定性、各種工況下導體所承受的最大彎矩和應力的計算是合理的。