陳 思

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司, 北京 100120)

變電站內短路工況下軟導線拉力研究

陳 思

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司, 北京 100120)

隨著中國企業(yè)電力工程的國際承包業(yè)務逐漸增多，國內規(guī)范與國際規(guī)范的差異也日趨凸顯。在這些差異中，短路工況下軟導線拉力是否需要作為構架設計中的重要工況考慮便是國際工程中需要關注的問題之一。依據(jù)IEC60865標準，以500kV配電裝置為例，對短路工況下軟導線拉力進行了計算研究，將基于IEC標準的計算結果通過與國內標準的比較，給出短路電動力是否需要考慮入構架設計的合理化建議。

IEC60865標準；短路電動力；軟導線拉力。

隨著中國電力行業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的中國電力企業(yè)在不同的國家和地區(qū)開展了電力工程的國際承包業(yè)務。由于不同國家電網(wǎng)的電壓等級和標準規(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體系、流程和經驗與中國企業(yè)也存在著不小的差別，中國企業(yè)在境外工程的設計、施工中往往會遇到在國內工程中涉及不到的困難和問題，會面對很多矛盾和困擾。所以隨著國際化程度的不斷提高，中國企業(yè)如果想走出國門、站穩(wěn)腳跟，拓展國際市場，就要求設計、施工人員必須摒棄一些原有的習慣和思路，不能僅僅局限于國內的規(guī)程規(guī)范，而應更多的去了解、適應國際規(guī)程規(guī)范的要求，尤其是國際權威的規(guī)程規(guī)范，例如IEC和IEEE等規(guī)范。

短路工況下短路電動力對軟導線拉力的影響便是在變電站國際工程中值得關注的問題之一。軟導線拉力作為變電站構架設計的輸入條件，是變電站構架設計的決定性要素。目前按照國內規(guī)程規(guī)范和設計習慣，電氣一次專業(yè)對結構專業(yè)進行導線拉力提資時主要考慮包括導線自重、風荷載、冰荷載以及安裝檢修上人荷載等幾方面的負荷；短路電動力并未作為重要荷載考慮入導線拉力提資中。但是國際工程中業(yè)主和咨詢方往往不同意執(zhí)行中國的標準，他們在進行圖紙審查的時候會要求設計方提供設計過程文件，此時短路工況是否需要作為構架設計的重要工況進行考慮便成為了值得關注的焦點問題。

由于國內缺少對短路工況下軟導線拉力的計算方法，因此需要參考國際電工委員會(IEC)的相關標準對短路工況下軟導線拉力進行計算；通過對計算結果的分析，全面的考慮國內已有建設運行經驗和國際工程的特殊性，從安全性和經濟性等方面進行深入探討，并據(jù)此提出短路工況是否需要作為構架設計中的重要工況進行考慮。

1 國內標準對于軟導線短路電動力的要求

在《220 kV～750 kV變電站設計技術規(guī)程》(DL/T 5218－2012)中的7.2.4條中規(guī)定：對軟導線一般可不計及短路電動力對架構及支架的影響，但對組合導線掛線板和節(jié)點的強度應滿足短路電動力的要求，一般可取3倍導線張力作為掛線板和節(jié)點的驗算條件，荷載分項系數(shù)取1.0。

由此可見，對于多采用分裂導線的變電站而言，依據(jù)上述規(guī)范條款的要求，短路電動力在構架設計中可不作為重要荷載進行考慮和計算，這也慢慢成為了國內的變電站工程設計中的習慣。雖然在國內規(guī)范上有明確規(guī)定不需要計及短路電動力對構架的影響，但是目前中國規(guī)范仍未得到國際上的廣泛認可，當有業(yè)主或咨詢方要求中國企業(yè)提供相應的短路工況下軟導線拉力的計算書或者構架設計中不考慮短路電動力的澄清文件時，設計人員便難以從國內已有資料中找到相應的支撐文件或規(guī)范。

2 IEC標準對于軟導線短路電動力的要求

2.1 IEC標準對于短路工況下軟導線拉力的概述

IEC60865－1－2011規(guī)范對短路電動力的影響進行了細致的討論分析，如規(guī)范6.1條中所述，對軟導線而言，相間短路和三相短路所產生的短路電動力大小基本相同，但是相間短路所造成的短路搖擺會減少導線的相間距離，可能會造成安全凈距不足的問題，而三相短路由于兩個邊相對中相的導線的短路電動力大小基本相同，方向相反，中相導線基本沒有位移，故短路電動力的計算主要考慮相間短路的情況。

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

2.2 短路工況下軟導線拉力的算例

為了更好的分析短路電動力對軟導線拉力的影響，以國內的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線，導線跨距為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 短路電動力及特征常數(shù)

相應的短路電流下的導線搖擺周期為：

接下來需要根據(jù)以下公式確定實際情況下的楊氏模數(shù)Eeff：進一步計算可得

圖2 軟導線張力因數(shù)ψ

故短路時導線搖擺產生的導線張力Ft的最大值為22.33 kN。

2.2.4 短路后導線墜落產生的導線張力Ff

短路后導線張力主要是由于導線墜落所導致的，只有當常數(shù)r＞0.6且導線最大搖擺角δmax≥70°時，墜落所產生的導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線墜落產生的導線張力Ff。

故短路后導線墜落產生的導線張力Ff的最大值為71.98 kN。

2.2.5 次導線收縮效應產生的導線張力Fpi,d

如果次導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，故次導線收縮效應產生的張力Fpi,d需要根據(jù)因數(shù)v1，v2和v3確定。因數(shù)v1，v2和v3計算過程如下：

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關于as/ds的函數(shù)

綜上可得，次導線間短路電動力Fv為：

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

當j＜1時，次導線間相互吸引但不碰撞，則：

圖5 η關于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，同時求得v4,－20和v4,60：

故次導線收縮效應產生的導線張力Fpi,d的最大值為62.29 kN。

2.3 計算結果分析

通過比較短路期間短路搖擺產生的導線張力Ft,d，短路后導線墜落產生的導線張力Ff,d和次導線收縮效應產生的導線張力Fpi,d三種導線張力的大小，可知短路工況下最大的導線拉力可達71.98 kN，幾乎是正常工況下導線拉力的4.5倍，故短路工況下的導線拉力對構架的設計應有著重要的影響。

3 IEC標準與國內標準的比較分析

根據(jù)算例分析的結果，短路電動力對軟導線拉力的影響較為顯著，軟導線因短路工況所產生的導線張力遠遠大于正常工況下的導線張力。IEC60865－1－2011中第6.5.2條規(guī)定構架設計應考慮算例中Ft,d，F(xiàn)f,d和Fpi,d的最大值，同時構架設計應注意相間短路時短路搖擺產生的導線張力Ft,d和短路后導線墜落產生的導線張力Ff,d只出現(xiàn)于兩相中，第三相只受軟導線正常工況下的靜態(tài)張力，故整體屬于不平衡狀態(tài)，而次導線收縮效應產生的導線張力Fpi,d的峰值在三相中可能出現(xiàn)的時間點不同，故也可以通過只考慮兩相的Fpi,d來近似此工況。

目前國內規(guī)范規(guī)定的不計及短路電動力對架構及支架的影響與IEC60865－1－2011的規(guī)定存在不一致，從計算結果分析，IEC標準的要求是必要的，有其合理性，但是考慮到國內已有的工程建設和運行經驗，需要理性的從安全性和經濟性的角度分析此差異。

(1)安全性。按照目前國內的設計習慣，電氣的導線拉力提資并未將短路電動力作為重要荷載進行考慮，這意味著基于此理念的設計沒有將未來系統(tǒng)短路電流水平的發(fā)展考慮在內。盡管考慮到土建的構架設計會留有一定裕度，短路電動力的作用時間很短并且金具也有一定的阻尼作用等因素，實際短路電動力對構架的影響應沒有計算值那么大，但是忽略短路電動力的影響仍有其不合理性，無法體現(xiàn)出對短路電流水平發(fā)展的考慮。因此，從安全性角度出發(fā)，IEC標準更加保守安全。

(2)經濟性。算例中63 kA為短路電流的設計水平，實際系統(tǒng)所產生的短路電流應小于這個值，如果按照63 kA的短路電流水平去進行設計，必然會造成構架基礎尺寸增大，構架鋼材用料增多以及占地面積的擴大。即使考慮到電力系統(tǒng)的發(fā)展，遠景的短路電流水平也未必能達到63 kA，故從經濟性方面考慮，按照63 kA進行設計也存在一定的不合理性，因此基于國內標準的設計更加經濟。

4 結語

綜上所述，從安全性和經濟性角度分析，IEC標準和中國標準各有利弊。雖然經濟性上國內標準優(yōu)于IEC標準，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，而且考慮到中國標準并未得到國際上的廣泛認可，國際工程設計中應將短路工況下的軟導線拉力作為構架設計中的重要工況進行考慮，同時可以適當考慮經濟性的需要，給予合理修正。未來的國內工程設計也可以將短路電動力考慮入構架設計中，這樣才能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，并逐步與國際標準接軌，體現(xiàn)更安全更可靠的設計理念。

隨著國際化的需求日益增加，國內電力行業(yè)標準的制定也更多的參考了IEC標準，而且國際工程中的設計要求往往更加嚴苛，流程與國內工程的差異也較大，對設計過程性文件(如計算書等)的要求也往往是國內工程中容易忽視的。因此，設計人員不能只局限于國內標準的規(guī)定，而應更多的參照和研究國際上的權威標準，熟練掌握計算方法，在保證工程安全經濟可靠的前提下，靈活運用相關標準，滿足境外工程業(yè)主不同的需求。中國電力企業(yè)必須以國際化的視野去面對國際工程中遇到的各種問題，在技術服務領域只有不斷適應國際化的要求，才能在國際競爭中走在前列。

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

[2]DL/T 5218－2012，220 kV～750 kV變電站設計技術規(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計工作。