陳 思

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100120)

變電站內(nèi)短路工況下軟導(dǎo)線拉力研究

陳 思

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100120)

隨著中國(guó)企業(yè)電力工程的國(guó)際承包業(yè)務(wù)逐漸增多，國(guó)內(nèi)規(guī)范與國(guó)際規(guī)范的差異也日趨凸顯。在這些差異中，短路工況下軟導(dǎo)線拉力是否需要作為構(gòu)架設(shè)計(jì)中的重要工況考慮便是國(guó)際工程中需要關(guān)注的問(wèn)題之一。依據(jù)IEC60865標(biāo)準(zhǔn)，以500kV配電裝置為例，對(duì)短路工況下軟導(dǎo)線拉力進(jìn)行了計(jì)算研究，將基于IEC標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果通過(guò)與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的比較，給出短路電動(dòng)力是否需要考慮入構(gòu)架設(shè)計(jì)的合理化建議。

IEC60865標(biāo)準(zhǔn)；短路電動(dòng)力；軟導(dǎo)線拉力。

隨著中國(guó)電力行業(yè)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的中國(guó)電力企業(yè)在不同的國(guó)家和地區(qū)開展了電力工程的國(guó)際承包業(yè)務(wù)。由于不同國(guó)家電網(wǎng)的電壓等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范各有差異，而且境外的業(yè)主和咨詢所采用的工程建設(shè)體系、流程和經(jīng)驗(yàn)與中國(guó)企業(yè)也存在著不小的差別，中國(guó)企業(yè)在境外工程的設(shè)計(jì)、施工中往往會(huì)遇到在國(guó)內(nèi)工程中涉及不到的困難和問(wèn)題，會(huì)面對(duì)很多矛盾和困擾。所以隨著國(guó)際化程度的不斷提高，中國(guó)企業(yè)如果想走出國(guó)門、站穩(wěn)腳跟，拓展國(guó)際市場(chǎng)，就要求設(shè)計(jì)、施工人員必須摒棄一些原有的習(xí)慣和思路，不能僅僅局限于國(guó)內(nèi)的規(guī)程規(guī)范，而應(yīng)更多的去了解、適應(yīng)國(guó)際規(guī)程規(guī)范的要求，尤其是國(guó)際權(quán)威的規(guī)程規(guī)范，例如IEC和IEEE等規(guī)范。

短路工況下短路電動(dòng)力對(duì)軟導(dǎo)線拉力的影響便是在變電站國(guó)際工程中值得關(guān)注的問(wèn)題之一。軟導(dǎo)線拉力作為變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)的輸入條件，是變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)的決定性要素。目前按照國(guó)內(nèi)規(guī)程規(guī)范和設(shè)計(jì)習(xí)慣，電氣一次專業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行導(dǎo)線拉力提資時(shí)主要考慮包括導(dǎo)線自重、風(fēng)荷載、冰荷載以及安裝檢修上人荷載等幾方面的負(fù)荷；短路電動(dòng)力并未作為重要荷載考慮入導(dǎo)線拉力提資中。但是國(guó)際工程中業(yè)主和咨詢方往往不同意執(zhí)行中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，他們?cè)谶M(jìn)行圖紙審查的時(shí)候會(huì)要求設(shè)計(jì)方提供設(shè)計(jì)過(guò)程文件，此時(shí)短路工況是否需要作為構(gòu)架設(shè)計(jì)的重要工況進(jìn)行考慮便成為了值得關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

由于國(guó)內(nèi)缺少對(duì)短路工況下軟導(dǎo)線拉力的計(jì)算方法，因此需要參考國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)短路工況下軟導(dǎo)線拉力進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，全面的考慮國(guó)內(nèi)已有建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和國(guó)際工程的特殊性，從安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行深入探討，并據(jù)此提出短路工況是否需要作為構(gòu)架設(shè)計(jì)中的重要工況進(jìn)行考慮。

1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于軟導(dǎo)線短路電動(dòng)力的要求

在《220 kV～750 kV變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5218－2012)中的7.2.4條中規(guī)定：對(duì)軟導(dǎo)線一般可不計(jì)及短路電動(dòng)力對(duì)架構(gòu)及支架的影響，但對(duì)組合導(dǎo)線掛線板和節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度應(yīng)滿足短路電動(dòng)力的要求，一般可取3倍導(dǎo)線張力作為掛線板和節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)算條件，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

由此可見，對(duì)于多采用分裂導(dǎo)線的變電站而言，依據(jù)上述規(guī)范條款的要求，短路電動(dòng)力在構(gòu)架設(shè)計(jì)中可不作為重要荷載進(jìn)行考慮和計(jì)算，這也慢慢成為了國(guó)內(nèi)的變電站工程設(shè)計(jì)中的習(xí)慣。雖然在國(guó)內(nèi)規(guī)范上有明確規(guī)定不需要計(jì)及短路電動(dòng)力對(duì)構(gòu)架的影響，但是目前中國(guó)規(guī)范仍未得到國(guó)際上的廣泛認(rèn)可，當(dāng)有業(yè)主或咨詢方要求中國(guó)企業(yè)提供相應(yīng)的短路工況下軟導(dǎo)線拉力的計(jì)算書或者構(gòu)架設(shè)計(jì)中不考慮短路電動(dòng)力的澄清文件時(shí)，設(shè)計(jì)人員便難以從國(guó)內(nèi)已有資料中找到相應(yīng)的支撐文件或規(guī)范。

2 IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于軟導(dǎo)線短路電動(dòng)力的要求

2.1 IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于短路工況下軟導(dǎo)線拉力的概述

IEC60865－1－2011規(guī)范對(duì)短路電動(dòng)力的影響進(jìn)行了細(xì)致的討論分析，如規(guī)范6.1條中所述，對(duì)軟導(dǎo)線而言，相間短路和三相短路所產(chǎn)生的短路電動(dòng)力大小基本相同，但是相間短路所造成的短路搖擺會(huì)減少導(dǎo)線的相間距離，可能會(huì)造成安全凈距不足的問(wèn)題，而三相短路由于兩個(gè)邊相對(duì)中相的導(dǎo)線的短路電動(dòng)力大小基本相同，方向相反，中相導(dǎo)線基本沒(méi)有位移，故短路電動(dòng)力的計(jì)算主要考慮相間短路的情況。

以分裂導(dǎo)線為例，短路工況下軟導(dǎo)線拉力主要分為以下三種情況：短路期間短路搖擺產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ft,d，短路后導(dǎo)線墜落產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ff,d，次導(dǎo)線收縮效應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Fpi,d。下文將通過(guò)算例對(duì)短路工況下軟導(dǎo)線拉力進(jìn)行討論研究。

2.2 短路工況下軟導(dǎo)線拉力的算例

為了更好的分析短路電動(dòng)力對(duì)軟導(dǎo)線拉力的影響，以國(guó)內(nèi)的500 kV變電站為例， 500 kV配電裝置跨線采用2×NAHLGJQ-1440的雙分裂耐熱鋁合金導(dǎo)線，導(dǎo)線跨距為31 m?？缇€布置見圖1。

圖1 500 kV配電裝置的跨線布置

2.2.1 輸入條件

2.2.2 短路電動(dòng)力及特征常數(shù)

相應(yīng)的短路電流下的導(dǎo)線搖擺周期為：

接下來(lái)需要根據(jù)以下公式確定實(shí)際情況下的楊氏模數(shù)Eeff：進(jìn)一步計(jì)算可得

圖2 軟導(dǎo)線張力因數(shù)ψ

故短路時(shí)導(dǎo)線搖擺產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ft的最大值為22.33 kN。

2.2.4 短路后導(dǎo)線墜落產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ff

短路后導(dǎo)線張力主要是由于導(dǎo)線墜落所導(dǎo)致的，只有當(dāng)常數(shù)r＞0.6且導(dǎo)線最大搖擺角δmax≥70°時(shí)，墜落所產(chǎn)生的導(dǎo)線張力的影響才需要被考慮。本算例中γ＝0.685＞0.6且δmax＝73.9°＞70°，因此需要考慮短路后導(dǎo)線墜落產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ff。

故短路后導(dǎo)線墜落產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ff的最大值為71.98 kN。

2.2.5 次導(dǎo)線收縮效應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Fpi,d

如果次導(dǎo)線間能夠有效的碰撞，即滿足如下條件：

本算例中，as/ds＝7.79，ls/as＝7.5，都不能滿足如上條件，故次導(dǎo)線收縮效應(yīng)產(chǎn)生的張力Fpi,d需要根據(jù)因數(shù)v1，v2和v3確定。因數(shù)v1，v2和v3計(jì)算過(guò)程如下：

根據(jù)圖3可求得v2的值(v1＝2.942，k＝1.80)為1.75。

圖3 v2關(guān)于v1的函數(shù)

根據(jù)圖4可求得v3的值(as/ds＝7.79)為0.284。

圖4 v3關(guān)于as/ds的函數(shù)

綜上可得，次導(dǎo)線間短路電動(dòng)力Fv為：

狀態(tài)因數(shù)j決定了短路時(shí)次導(dǎo)線的狀態(tài)：當(dāng)j≥1時(shí)，次導(dǎo)線能夠有效的碰撞，則：

當(dāng)j＜1時(shí)，次導(dǎo)線間相互吸引但不碰撞，則：

圖5 η關(guān)于j的函數(shù)(5＜as/ds≤10)

由于as/ds＝7.79，查圖5得η－20＝0.267，η60＝0.27，同時(shí)求得v4,－20和v4,60：

故次導(dǎo)線收縮效應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Fpi,d的最大值為62.29 kN。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)比較短路期間短路搖擺產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ft,d，短路后導(dǎo)線墜落產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ff,d和次導(dǎo)線收縮效應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Fpi,d三種導(dǎo)線張力的大小，可知短路工況下最大的導(dǎo)線拉力可達(dá)71.98 kN，幾乎是正常工況下導(dǎo)線拉力的4.5倍，故短路工況下的導(dǎo)線拉力對(duì)構(gòu)架的設(shè)計(jì)應(yīng)有著重要的影響。

3 IEC標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的比較分析

根據(jù)算例分析的結(jié)果，短路電動(dòng)力對(duì)軟導(dǎo)線拉力的影響較為顯著，軟導(dǎo)線因短路工況所產(chǎn)生的導(dǎo)線張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常工況下的導(dǎo)線張力。IEC60865－1－2011中第6.5.2條規(guī)定構(gòu)架設(shè)計(jì)應(yīng)考慮算例中Ft,d，F(xiàn)f,d和Fpi,d的最大值，同時(shí)構(gòu)架設(shè)計(jì)應(yīng)注意相間短路時(shí)短路搖擺產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ft,d和短路后導(dǎo)線墜落產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Ff,d只出現(xiàn)于兩相中，第三相只受軟導(dǎo)線正常工況下的靜態(tài)張力，故整體屬于不平衡狀態(tài)，而次導(dǎo)線收縮效應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)線張力Fpi,d的峰值在三相中可能出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)不同，故也可以通過(guò)只考慮兩相的Fpi,d來(lái)近似此工況。

目前國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定的不計(jì)及短路電動(dòng)力對(duì)架構(gòu)及支架的影響與IEC60865－1－2011的規(guī)定存在不一致，從計(jì)算結(jié)果分析，IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求是必要的，有其合理性，但是考慮到國(guó)內(nèi)已有的工程建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需要理性的從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度分析此差異。

(1)安全性。按照目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)習(xí)慣，電氣的導(dǎo)線拉力提資并未將短路電動(dòng)力作為重要荷載進(jìn)行考慮，這意味著基于此理念的設(shè)計(jì)沒(méi)有將未來(lái)系統(tǒng)短路電流水平的發(fā)展考慮在內(nèi)。盡管考慮到土建的構(gòu)架設(shè)計(jì)會(huì)留有一定裕度，短路電動(dòng)力的作用時(shí)間很短并且金具也有一定的阻尼作用等因素，實(shí)際短路電動(dòng)力對(duì)構(gòu)架的影響應(yīng)沒(méi)有計(jì)算值那么大，但是忽略短路電動(dòng)力的影響仍有其不合理性，無(wú)法體現(xiàn)出對(duì)短路電流水平發(fā)展的考慮。因此，從安全性角度出發(fā)，IEC標(biāo)準(zhǔn)更加保守安全。

(2)經(jīng)濟(jì)性。算例中63 kA為短路電流的設(shè)計(jì)水平，實(shí)際系統(tǒng)所產(chǎn)生的短路電流應(yīng)小于這個(gè)值，如果按照63 kA的短路電流水平去進(jìn)行設(shè)計(jì)，必然會(huì)造成構(gòu)架基礎(chǔ)尺寸增大，構(gòu)架鋼材用料增多以及占地面積的擴(kuò)大。即使考慮到電力系統(tǒng)的發(fā)展，遠(yuǎn)景的短路電流水平也未必能達(dá)到63 kA，故從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，按照63 kA進(jìn)行設(shè)計(jì)也存在一定的不合理性，因此基于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度分析，IEC標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)各有利弊。雖然經(jīng)濟(jì)性上國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于IEC標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)的短路電流水平逐步增加，安全性上的確存在一定的隱患，而且考慮到中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)并未得到國(guó)際上的廣泛認(rèn)可，國(guó)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)將短路工況下的軟導(dǎo)線拉力作為構(gòu)架設(shè)計(jì)中的重要工況進(jìn)行考慮，同時(shí)可以適當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)性的需要，給予合理修正。未來(lái)的國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)也可以將短路電動(dòng)力考慮入構(gòu)架設(shè)計(jì)中，這樣才能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，并逐步與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，體現(xiàn)更安全更可靠的設(shè)計(jì)理念。

隨著國(guó)際化的需求日益增加，國(guó)內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定也更多的參考了IEC標(biāo)準(zhǔn)，而且國(guó)際工程中的設(shè)計(jì)要求往往更加嚴(yán)苛，流程與國(guó)內(nèi)工程的差異也較大，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程性文件(如計(jì)算書等)的要求也往往是國(guó)內(nèi)工程中容易忽視的。因此，設(shè)計(jì)人員不能只局限于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，而應(yīng)更多的參照和研究國(guó)際上的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，熟練掌握計(jì)算方法，在保證工程安全經(jīng)濟(jì)可靠的前提下，靈活運(yùn)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足境外工程業(yè)主不同的需求。中國(guó)電力企業(yè)必須以國(guó)際化的視野去面對(duì)國(guó)際工程中遇到的各種問(wèn)題，在技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域只有不斷適應(yīng)國(guó)際化的要求，才能在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中走在前列。

[1]IEC60865. Short－circuit currents － Calculation of effects[S]. 2011.

[2]DL/T 5218－2012，220 kV～750 kV變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S]. 2012.

Research on Flexible Lead Tension under the Working Condition of Short Circuit Inner Transformer Substation

CHEN Si
(North China Power Engineering Co., Ltd of China Power Engineering Consulting Group, Beijing 100120, China)

As Chinese electrical companies are contracting more and more international project, the differences between Chinese standards and foreign standards are increasingly evident and should be paid more attention. Among them, whether considering tensile force of flexible conductor under short-circuit condition as significant factor in gantry design is a problem which needs to be concerned. According IEC60865, taking 500kV switchyard as example, calculation is carried out to study tensile force of flexible conductor under short-circuit condition. Through comparing the calculation results based on IEC standard with Chinese standard, reasonable advices are proposed to decide whether tensile force of flexible conductor under short-circuit condition should be considered in gantry design.

IEC60865 standard; short-circuit force; tensile force of flexible conductor; international project.

TM63

A

1671-9913(2016)04-0052-08

2017-03-01

陳思(1990- )，男，安徽安慶人，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)工程變電站電氣一次設(shè)計(jì)工作。