東西關(guān)電站技改增容母線選型及其屏蔽措施

朱 紅， 賈 欣

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

東西關(guān)水電站是嘉陵江干流上開(kāi)發(fā)的中型電站。電站原裝機(jī)4×45 MW，技改增容為4×52.5 MW，2011年秋季開(kāi)始每年改造1臺(tái)機(jī)組，至今已改造完成三臺(tái)機(jī)組。東西關(guān)電站改造工程電氣設(shè)備布置不僅需適應(yīng)原土建結(jié)構(gòu)，而且安裝工期短，母線設(shè)計(jì)受到諸多不利因素的制約，而母線選型及采取何種屏蔽措施對(duì)工程改造順利實(shí)施、保證廠房和機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 東西關(guān)電站母線現(xiàn)狀

東西關(guān)電站發(fā)電機(jī)與變壓器組合采用擴(kuò)大單元接線，發(fā)電機(jī)出口電壓10 kV，電站以110 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，110 kV出線共6回。機(jī)組擴(kuò)容后單機(jī)容量52.5 MW/60 MVA(共210 MW)，電氣主接線和接入系統(tǒng)方式維持原狀不變。

東西關(guān)電站是地下廠房，開(kāi)關(guān)站位于地面。技改增容后擴(kuò)大單元母線額定電流7 000 A，額定電壓10 kV，母線輸送容量大，輸電距離長(zhǎng)，單相母線總長(zhǎng)約154 m。母線通過(guò)100 m水平廊道、高差12 m豎井，25 m斜井從地下廠房到地面開(kāi)關(guān)站。母線分水平、垂直、傾斜三種方式布置，其中母線豎井?dāng)嗝鎯艨粘叽鐬殚L(zhǎng)×寬=3 m×2 m，布置空間狹窄。東西關(guān)電站位于四川南充，夏季氣候炎熱，所以，按戶內(nèi)環(huán)境溫度45℃進(jìn)行母線設(shè)計(jì)。

本工程改造項(xiàng)目是在原有土建結(jié)構(gòu)上實(shí)施，土建結(jié)構(gòu)尺寸(包括樓板高程、樓板和墻上開(kāi)孔)、發(fā)電機(jī)母線出線方向均不變。安裝工期短，在一個(gè)冬季拆除并改造完成一臺(tái)機(jī)組，包括母線、隔離開(kāi)關(guān)、限流電抗器等相關(guān)電氣設(shè)備。母線改造工程受到工程現(xiàn)狀諸多因素制約。

2 母線比較及選型

母線型式分4大類(lèi)：離相母線、中壓全澆注封閉母線、共箱母線和裸母線。結(jié)合東西關(guān)電站現(xiàn)有樞紐布置和母線出線通道建筑體結(jié)構(gòu)實(shí)際情況、制造業(yè)母線生產(chǎn)水平、母線技術(shù)參數(shù)、母線布置方式、施工工期、母線安裝施工方式、電站環(huán)境、投資等因素，進(jìn)行母線選型綜合比較。

東西關(guān)電站母線出線通道是按裸母線設(shè)計(jì)的，空間小無(wú)法布置離相母線。

用絕緣材料澆注成型的中壓全澆注封閉母線，其特點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)、防護(hù)等級(jí)高、無(wú)觸電危險(xiǎn)、安全性高、絕緣和散熱性能好、防電磁干擾、安裝方便、工期短、免維護(hù)保養(yǎng)、母 線 體 積 小，能 在

-40 ℃～+70 ℃環(huán)境溫度下運(yùn)行。這些優(yōu)點(diǎn)特別適合東西關(guān)電站使用，是設(shè)計(jì)首選方案,但因當(dāng)時(shí)中壓全澆注封閉母線是剛出現(xiàn)的新型產(chǎn)品，價(jià)格較貴，業(yè)主不愿意采用。

與裸母線比，常規(guī)的共箱母線導(dǎo)體及絕緣子全封閉在金屬外殼中，其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)緊湊、防護(hù)等級(jí)較高、無(wú)觸電危險(xiǎn)、安全性高、運(yùn)行維護(hù)工作量較少、價(jià)格適中，但散熱較差。

裸母線母線體積小，只有導(dǎo)體、絕緣子和金具。價(jià)格便宜。導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量直接向周?chē)諝廨椛渖l(fā)和自然對(duì)流散熱，母線散熱好。但防護(hù)等級(jí)低、現(xiàn)場(chǎng)母線安裝復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量較大。

結(jié)合東西關(guān)電站實(shí)情：采用裸母線能最大限度維持工程原狀，變動(dòng)范圍最小，對(duì)電站固有結(jié)構(gòu)適應(yīng)性最好，投資最??；廠房通風(fēng)系統(tǒng)已建好不便改造，改造前母線廊道內(nèi)最高溫度已超過(guò)了40 ℃，通風(fēng)系統(tǒng)不改造，機(jī)組容量增大后共箱母線散熱問(wèn)題就不好解決，母線廊道溫度長(zhǎng)期過(guò)高將會(huì)產(chǎn)生安全隱患。再有豎井空間小，共箱母線施工較困難。共箱母線不需設(shè)置保護(hù)網(wǎng)，施工簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)在本技改工程中體現(xiàn)不出來(lái)：若采用共箱母線不僅原來(lái)的母線支持結(jié)構(gòu)和保護(hù)網(wǎng)沒(méi)有利用價(jià)值，還需要專(zhuān)門(mén)花錢(qián)花時(shí)間來(lái)拆除。據(jù)東西關(guān)電站業(yè)主運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，盡管防護(hù)等級(jí)較低，裸母線運(yùn)行中故障率其實(shí)不比共箱母線更高，運(yùn)行是安全可靠的。綜合多種因素比選結(jié)果：機(jī)組增容后發(fā)電機(jī)單元出口和擴(kuò)大單元母線仍選擇采用裸母線。

3 前期母線屏蔽措施

母線主要技術(shù)參數(shù)

當(dāng)母線電流大于3 000 A時(shí)，鋼構(gòu)發(fā)熱已不容忽視。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼構(gòu)發(fā)熱的最高允許溫度：人可觸及的鋼構(gòu)<70 ℃，人不會(huì)觸及的鋼構(gòu)<100 ℃，混凝土中的鋼筋<80 ℃。

東西關(guān)電站擴(kuò)大單元雙槽形全裸母線布置在母線廊道、母線豎井、母線斜井內(nèi)，最近的鋼構(gòu)距離母線只有一個(gè)絕緣子的高度，最近的混凝土墻或樓板距離母線約0.6 m。東西關(guān)電站技改增容后擴(kuò)大單元母線實(shí)際電流達(dá)6 928 A，如此大電流產(chǎn)生的強(qiáng)大交變磁場(chǎng)會(huì)使其附近鋼構(gòu)產(chǎn)生磁滯和渦流損耗而發(fā)熱，如果不采取相應(yīng)措施，嚴(yán)重地發(fā)熱會(huì)讓材料產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形，使機(jī)械強(qiáng)度下降，鋼構(gòu)接觸連接損壞?；炷林械匿摻钸^(guò)渡的熱脹冷縮可能使混凝土發(fā)生裂縫。為避免東西關(guān)電站鋼構(gòu)發(fā)熱出現(xiàn)難以想象的事故、為保障人身設(shè)備安全，需要采取有效的母線屏蔽措施。

電磁場(chǎng)是隨著深度呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢(shì)，屏蔽體越厚屏蔽效果越好投資也越貴。綜合性價(jià)比，選擇5 mm厚鋁合金板做為母線電磁屏蔽體。東西關(guān)電站屏蔽措施和鋁合金屏蔽板安裝范圍設(shè)置如下：

(1)母線支持槽鋼(橫擔(dān))加鋁短路板和絕緣墊斷開(kāi)鋼構(gòu)回路，消除環(huán)流；

(2)水平母線廊道屋頂和保護(hù)網(wǎng)之上的兩側(cè)墻壁均全程敷設(shè)5 mm厚鋁合金板；

(3)母線豎井內(nèi)四面墻壁均全程敷設(shè)5 mm厚鋁合金板；

(4)母線斜井周?chē)鷽](méi)有其它廠房和設(shè)備，一側(cè)出口通地面，斜井通風(fēng)散熱良好，故僅在(2個(gè))斜井中間隔墻#1、2機(jī)組段一側(cè)的保護(hù)網(wǎng)之上墻壁全程敷設(shè)5 mm厚鋁合金板。

(5)鋁合金板采用非導(dǎo)磁材料不銹鋼膨脹螺栓固定到墻上。側(cè)板、頂板的板與板間采用焊接或銅跨接線連接，板板焊接時(shí)一側(cè)的焊點(diǎn)數(shù)量

2～3個(gè)，跨接時(shí)用銅跨接線1根，跨接線間距約

2～3 m。側(cè)板與頂板間的連接采用跨接線。

(6)鋁合金板就近多點(diǎn)與電站主接地網(wǎng)連接。

以上屏蔽措施是針對(duì)東西關(guān)電站實(shí)情和裸母線布置特點(diǎn)量身定制的：鋁合金屏蔽板貼在母線周?chē)鷫Ρ诨驑前迳希Q井屏蔽板設(shè)計(jì)為封閉式，水平廊道和斜井屏蔽板設(shè)計(jì)為敞開(kāi)式；母線屏蔽板整體電氣全連式并從雙側(cè)墻壁引下多點(diǎn)接地；鋁合金板板之間呈點(diǎn)狀螺栓連接(現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法在有限時(shí)間內(nèi)完成大量滿焊連接工作量)；屏蔽板距母線較遠(yuǎn)，屏蔽板面積較大，母線及鋁合金板均傳熱效果好、散熱快、溫升低。

4 鋁合金屏蔽板接地線過(guò)熱現(xiàn)象

2012年初首臺(tái)機(jī)組#2機(jī)的技改工作完成，#1、#2母線廊道加裝了屏蔽鋁板，#3、#4母線廊道尚未加裝。機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行后出現(xiàn)鋁合金屏蔽板個(gè)別引下接地線過(guò)熱，導(dǎo)線和螺栓燒黑問(wèn)題，在最嚴(yán)重的局部過(guò)熱點(diǎn)測(cè)得引下線接頭最高溫度150 ℃，引下線本體最高溫度:100 ℃。

鋁板銅接地引下線溫度測(cè)量表(℃)(地點(diǎn)：#1、#2機(jī)組母線廊道)

測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)還顯示母線保護(hù)網(wǎng)的平均溫度高于母線平均溫度，而母線橫擔(dān)平均溫度低于母線平均溫度，個(gè)別橫擔(dān)溫度高于母線溫度。大多數(shù)鋁板間跨接線(包括螺栓)溫度不超過(guò)60 ℃，母線橫擔(dān)最高溫度達(dá)63.9 ℃，保護(hù)網(wǎng)最高溫度61.1 ℃。數(shù)據(jù)表明盡管接地引下線存在發(fā)熱問(wèn)題，但是鋁合金板對(duì)降低鋼構(gòu)發(fā)熱是有效果的，只是多點(diǎn)接地引下線存在設(shè)計(jì)缺陷還需要優(yōu)化完善。

根據(jù)以胩情況分析：在屏蔽鋁板與接地構(gòu)架之間因磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生了電位差，通過(guò)接地線形成大電流回路，在接地線截面積不夠或接觸不良的點(diǎn)造成發(fā)熱。由此可見(jiàn)，在鋁合金屏蔽板裝配過(guò)程中采用的接地方式和搭接方法都會(huì)直接影響屏蔽效果。

5 屏蔽措施優(yōu)化

2012年底在第2臺(tái)機(jī)組#3機(jī)的技改工作時(shí)進(jìn)行母線屏蔽體優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體措施有：

(1)水平母線廊道內(nèi)鋁合金屏蔽板整體敞開(kāi)式修改為局部環(huán)連式：

在母線下保護(hù)網(wǎng)之上間隔4 m左右增設(shè)寬200 mm的鋁合金板，該鋁合金板2端與2側(cè)墻上敷設(shè)的鋁合金板滿焊連接，即間隔4 m左右讓鋁合金屏蔽板形成一個(gè)局部環(huán)連。

(2)改良鋁合金屏蔽板的搭接方式：

鋁合金板之間取消螺栓連接，全部采用焊接方式，每個(gè)焊點(diǎn)的焊縫長(zhǎng)度不小于50 mm，焊點(diǎn)中心間距為250 mm。

鋁合金板間隙比較大且影響直接焊接之處，采用加小塊鋁合金板補(bǔ)丁的方式進(jìn)行滿焊連接形成完整的電氣通路，每側(cè)的滿焊焊縫總長(zhǎng)度應(yīng)不小于50 mm。

(3)改良多點(diǎn)接地方式、增大接地線截面積、杜絕接觸不良：

沿母線一側(cè)貫通一根-50×6鍍鋅扁鋼，敷設(shè)在寬200 mm的鋁合金板之下保護(hù)網(wǎng)之上，鍍鋅扁鋼與保護(hù)網(wǎng)上敷設(shè)的每塊200 mm寬鋁合金板進(jìn)行螺接，保證每塊鋁合金板與鍍鋅扁鋼有效接觸面積不小于300 mm2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將該接地扁鋼多點(diǎn)引下接地。

如此形成了一個(gè)電氣連通性較好、分流均勻、散熱好、間隔4 m左右一個(gè)局部封閉環(huán)連式(水平母線廊道段)+封閉式(豎井段)+敞開(kāi)式(斜井段)、電氣全連式多點(diǎn)接地母線屏蔽體。是東

西關(guān)電站量身定做的特有的母線屏蔽方式。

2014年初完成了東西關(guān)電站3臺(tái)機(jī)組的技改工作，2014年夏季三伏天4臺(tái)機(jī)組滿發(fā)時(shí)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)如下：母線通道戶內(nèi)最高環(huán)境溫度41 ℃，鋁合金板最高溫度53 ℃，母線構(gòu)架及保護(hù)網(wǎng)最高溫度60 ℃。溫度實(shí)測(cè)結(jié)果表明東西關(guān)電站鋼構(gòu)發(fā)熱最高溫度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許值，屏蔽措施取得了較滿意的效果。

6 結(jié) 語(yǔ)

東西關(guān)電站技改增容工程因機(jī)組容量增大直接導(dǎo)致母線電流變大，母線大電流引起的鋼構(gòu)發(fā)熱已不容忽視，屏蔽體材質(zhì)選擇、布置方式、搭接方法和接地方式都會(huì)直接影響屏蔽效果和投資。東西關(guān)電站改造工程母線屏蔽措施設(shè)計(jì)本著技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、切合電站實(shí)際因地制宜設(shè)計(jì)原則，對(duì)長(zhǎng)達(dá)154 m的裸母線采用在母線出線通道墻壁上、頂部局部敷設(shè)電氣全連式多點(diǎn)接地屏蔽體的方式，邊設(shè)計(jì)邊實(shí)踐邊總結(jié)邊優(yōu)化，最終取得了令人滿意的屏蔽效果。在這里對(duì)東西關(guān)電站技改增容工程母線屏蔽措施進(jìn)行分析探討，期望對(duì)類(lèi)似工程能起到一定的借鑒參考作用。

作者簡(jiǎn)介:

朱 紅(1964-)，女，江蘇蘇州人，成都科技大學(xué)電力工程系電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)于成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事水電站電氣一次專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作；

賈 欣(1982-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，畢業(yè)于西安理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工程師，現(xiàn)于成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事水電站電氣一次設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

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