管形导体在户外敞开式变电站中的设计选择

王 帅，张 磊，寇柏莹，刘 宁，韩姝娜

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 项目概况

榆林市江山永宸300 MWp并网光伏发电项目110 kV升压站位于榆林市榆阳区。工程总装机容量300 MW，主要任务是发电，电站理论年平均发电利用小时数约为1630 h，设计运行年限为25年，运行期预期年平均上网电量为48909万kW·h。变电站110 kV主接线采用单母线接线形式，装设3台容量100 MVA主变压器，变比为110/35 kV，以一回110 kV架空线路接入电网330 kV升压站。由于110 kV母线汇流电流较大，母线采用管型导体母线设计方案，管母导体不仅有载流量大的特性，在电气平面布置上还能有效节省空间、减少占地。

2 管形母线的设计

2.1 管母的平面布置

变电站内110 kV主变和110 kV设备采用户外敞开式布置，110 kV母线采用LF-21Y型φ100/90铝锰合金管形导体，管形导体母线总长为44.1 m，根据主变布置情况，将管形导体母线划分为5跨，母线相间距1.6 m。110 kV管型母线的平面布置见图1。

图1 110 kV管型母线的平面布置图

2.2 管母设计中的注意事项

（1）为了防止母线的端部效应，采用了延长铝锰合金管形导体端部和增设封端球两种措施。管型母线在端部延长1 m，有效的改善端部磁场、提高端部放电电压；在端部ABC三相上各设置一套封端球金具（MGZ-100）作为母线端的屏蔽电极。

（2）由于管形导体母线过长，电站在后期运行过程中难免会出现导体热胀冷缩、不均匀沉降、地震等现象，为保证导体在上述现象中安全稳定运行，在母线第二跨与第三跨之间（母线17.8 m处）设置一套母线伸缩节金具（MGS-100X15），伸缩节长度为5 cm。该伸缩节的设置不仅能够减少微风震动，还有利于提高电晕的起始电压。

（3）管母所处环境平均风速为2.1 m/s，当其受到水平方向稳定、均匀的风作用时，管母会因引卡曼漩涡而受到周期性的干扰力，该干扰力的周期性与管母自震频率相近时，管母会产生微风振动。通过经济、技术对比，本工程管母采用了长托架的支持方式来消减该微风振动，选用的MGJ-104托架总长1 m，有效减少了管母的自由跨度，并提高了管母的自震频率。

（4）因管形导体制造及运输问题，每根φ100/90铝锰合金管形导体的到场尺寸约10 m，而110 kV母线总长度为44.1 m，所以铝锰合金管形导体之间需进行连接。导体的连接方式有焊接、螺栓连接。螺栓连接主要用在母线与金具、母线固定及需拆卸的部位，因此工程管母之间的连接采用焊接，焊接方式为氩弧焊，焊接点需满足如下要求：

①焊接接头的直流电阻不超过同长度母线段的电阻值[1]；

②焊接点位置与管母支撑绝缘子的托盘金具、引下线金具边沿不小于50 mm；

③焊接时所用的填充材料与铝锰合金管形导体材料一致。

3 管形母线的选择

3.1 按照持续工作电流选择导体

变电站110 kV母线采用单母线接线形式，光伏电站总装机功率为300 MVA，母线最大工作电流为1574.6 A。根据工程可行性研究报告，该光伏电站综合发电效率为0.79，因此电站110 kV母线常年持续工作电流为1259.2 A。经查，铝锰合金管形导体长期允许载流量及计算用数据见表1。

表1 铝锰合金管形导体长期允许载流量及计算用数据

按照允许温度为80℃考虑，经对比，φ80/72及以上规格的铝锰合金管形导体额定电流均大于母线均可满足电站持续工作电流的要求。

3.2 按经济电流选择导体

一般在母线长度超过20 m、输送容量较大时，需选用经济电流密度法来计算导体，本工程110 kV母线长44.1 m且最大输送容量高达300 MVA，因此需采用经济电流密度来选择铝锰合金管形导体的截面。由工程可行性研究报告得知光伏电站年利用小时数为1827 h，结合光伏电站的上网电价为0.8元/（kW·h）（该上网电价=当地燃煤机组标杆上网电价+国家可再生能源发展基金补贴），查经济电流密度表得，对应的经济电流密度系数取0.8 A/mm2，计算得母线截面为1574 mm2（1259.6/0.8=1574 mm2）。

当计算结果无合适导体时，导体截面可小于经济电流密度计算截面[1]。根据表1数据，φ100/90铝锰合金管形导体截面为1491 mm2，因此φ100/90铝锰合金管形导体及以上型号均可满足导体持续电流和经济电流密度两个方面的设计要求。变电站的110 kV母线导体暂定为φ100/90铝锰合金管形导体。

4 管形母线电气校验

4.1 按电晕条件校验

按照电晕条件校验来校验110 kV铝锰合金管形导体母线，要求其在晴天条件下不会出现全面电晕作为控制条件，即要求铝锰合金管形导体母线的最高工作电压Ug不大于临近电晕电压U0。φ100/90铝锰合金管形导体在当地气象环境下的临近电晕电压为：

式中：m1为导线表面粗糙系数0.9；m2为天气（晴）系数1.0；k为三相导体水平排列，导体电容不均匀系数0.96；δ为相对空气密度0.89；r0为导体半径5 cm；ajj为三相水平排列导体相间几何均距1.26倍的相间距（160 cm）。

电站铝锰合金管形导体母线最高运行电压为126 kV，远小于临近电晕电压615.98 kV，因此φ100/90铝锰合金管形导体在电站正常运行期间不会发生电晕。

4.2 按母线短路热稳定校验

电站母线导体截面应保证母线在发生短路、出线最大短路电流时，母线导体在断路器保护时间内承受短路电流的热作用而不损坏。根据该电站《接入系统方案设计可行性研究报告》查得110 kV母线三相短路电流为19.23 kA。因此，导体的热稳定性要求截面为S：

式中：Qd为电路电流热效应；C为导体材料及发热温度相关系数。

φ100/90铝锰合金管形导体截面选用1491 mm2，能够满足母线短路热稳定的要求。

5 管形母线机械应力校验

5.1 110 kV铝锰合金管导体母线受力分析

110 kV铝锰合金管导体母线共设计有5跨，在母线第二跨与第三跨之间设置的母线伸缩节金具从受力上将母线划分为2段，一段为2跨，另外一段为3跨。因此，导体在机械应力校验时，应对2跨和3跨母线段分别进行计算，其结果均应满足导体要求。

对110 kV铝锰合金管导体母线的受力分析应从正常运行工况、母线短路情况、地震情况三种情况下对其进行相应分析。在三种工况下，应能保证铝锰合金管导体受力均在导体材料机械应力的承受范围内，各情下铝锰合金管导体受力分析见图2。

图2 正常情况下母线受力分解图

图中：Mcz为铝锰合金管导体自重引起的垂直弯矩；Mcj为挂于铝锰合金管导体上的金具和引下线等集中荷载引起的垂直弯矩；Msf、M'sf、M"sf为最大风速、内过电压情况下风速、地震情况下风速对铝锰合金管导体引起的水平弯矩；Msd为铝锰合金管导体短路时电动力引起的水平弯矩；Mdx地震时对铝锰合金管导体产生的水平弯矩；Mmax各个力矩产生的综合力矩；σmax综合力矩在导体上产生的应力。

由于导体在运行中存在上述弯矩，该作用力会导致母线产生一定的挠度，母线挠度的大小会直接影响母线上线夹金具的工作状态，当挠度过大时，母线中的滑动金具会被卡住，导致滑动金具失去作用。根据以往工程经验，母线的挠度不大于0.5倍外径即可满足运行要求，本工程φ100/90铝锰合金管导体的最大挠度yxu按超过5 cm设计。母线挠度由母线自重产生的挠度和集中荷载产生的挠度共同作用产生。

5.2 计算结果

φ100/90铝锰合金管导体母线最大弯矩、挠度计算结果见表2。

表2 φ100/90铝锰合金管导体弯矩计算结果

φ100/90铝锰合金管形导体材料的最大允许应力和合成挠度分别为8820 N/cm2和5 cm，对比表2中的综合力矩在导体上产生的应力和允许的最大挠度，皆能够满足要求，安全运行。

6 结论

榆林市江山永宸300 MWp并网光伏发电项目110 kV升压站已于2017年6月26日投运，并已连续安全可靠运行至今。事实证明该母线电气布置是安全可靠的，对φ100/90铝锰合金管形导体的工作电流、经济电流密度、机械强度、热稳定性、各种工况下导体所承受的最大弯矩和应力的计算是合理的。