分相絕緣銅管母線在中小型水輪發(fā)電機(jī)出線回路的應(yīng)用

陳丹燕，王 勇，鄒曉春

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州?貴陽?550081)

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分相絕緣銅管母線在中小型水輪發(fā)電機(jī)出線回路的應(yīng)用

陳丹燕，王 勇，鄒曉春

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州?貴陽?550081)

結(jié)合石埡子水電站工程簡要介紹了各型母線以及分相絕緣銅管母線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過比選將分相絕緣銅管母線應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)電壓回路，為中小型水電機(jī)組發(fā)電機(jī)電壓母線的選型提供了借鑒和參考。圖5幅，表1個(gè)。

中小型水電站；水輪發(fā)電機(jī)；分相絕緣銅管母線；出線回路

1 工程概況

石埡子電站位于貴州省務(wù)川縣，屬于中型水電站，裝機(jī)容量為2×70 MW，保證出力為26.1 MW，多年平均發(fā)電量為4.782億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為3 416 h，具有季調(diào)節(jié)能力。電站以220 kV出線電壓等級接入系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)變壓器組采用單元接線，220 kV側(cè)為單母線接線。

電站為地下式廠房，其洞室結(jié)構(gòu)主要由主廠房和左、右副廠房組成。主機(jī)間長30 m，寬度21.2 m，布置有2臺機(jī)組，其間距為14.5 m；安裝間長20.15 m，寬度21.2 m；右副廠房長29.4 m，左副廠房長12.4 m。主廠房分為尾水管層(EL404.4 m)、蝸殼層(EL408.6 m)、水輪機(jī)層(EL412.8 m)、出線層(EL416.5 m)、發(fā)電機(jī)層(EL420.8 m)。主變壓器室布置在與安裝間同高程(EL420.8 m)的廠房進(jìn)口處洞內(nèi)，其上EL432.9 m為220 kV GIS室，出線平臺位于廠房左側(cè)EL475.64 m出線窯洞內(nèi)。

2 水輪發(fā)電機(jī)組出線回路母線的選擇

中小型水輪發(fā)電機(jī)組出線回路母線可選擇共箱母線、澆注式絕緣母線、母排、分相絕緣銅管母線、電力電纜等。石埡子水電站水輪發(fā)電機(jī)額定功率為70 MW，發(fā)電機(jī)出口額定電壓為10.5 kV，額定電流為4 528 A，發(fā)電機(jī)出線回路額定電流較大。若選用電纜，需采用多根電纜并聯(lián)，敷設(shè)、安裝、維護(hù)等較困難；若采用矩形母線，需采用多根母排并聯(lián)，集膚效應(yīng)系數(shù)較大，電流分布不勻，引起的附加損耗較大，造成其載流能力下降，在技術(shù)、結(jié)構(gòu)上較難滿足母線發(fā)熱及電動(dòng)力的要求；若采用槽型母線，母線支持、懸吊鋼構(gòu)架及母線附近混凝土柱、樓板、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋在交變磁場中感應(yīng)渦流會引起發(fā)熱，且槽型母線沒有外殼屏蔽層，母線周圍鋼構(gòu)發(fā)熱及故障時(shí)，母線間的短路電動(dòng)力大，很難滿足要求；而澆注式絕緣母線導(dǎo)體電流較大時(shí)，需設(shè)置屏蔽外殼，造價(jià)較高，布置安裝空間較大，不適用于本電站。因此，本工程推薦選用分相絕緣銅管母線，其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)分相絕緣銅管母線為空心導(dǎo)體，表面積大，導(dǎo)體表面電流密度分布均勻，單位截面載流量較矩形母線大。本工程采用分相絕緣銅管母線，是規(guī)格為φ100×10 mm、截面積為2 827 mm2的銅管導(dǎo)體；若采用矩形母線，需采用3片規(guī)格為120×10、截面積為3 600 mm2的銅排，且矩形母線溫升已超過50 K。故分相絕緣銅管母線更適用于工作電流較大的中小型水輪發(fā)電機(jī)出線回路。

(2)分相絕緣銅管母線為圓形表面，電荷依幾何形狀呈均勻分布，集膚效應(yīng)系數(shù)小于1，交流電阻小，母線的能損較小。矩形母線由于存在棱角，其棱角處表面容易聚集電荷，從而形成高場強(qiáng)區(qū)并引起母線局部發(fā)熱。若使用多片矩形導(dǎo)體并聯(lián)，片數(shù)越多，集膚效應(yīng)系數(shù)越大，單位截面積的有效載流量越小；由于電磁場的作用，會導(dǎo)致片與片之間電流分布不均勻，且附加損耗增大，母線溫升提高，材料的利用率降低，能損增加以及母線運(yùn)行壽命縮短。

(3)分相絕緣銅管母線外層結(jié)構(gòu)采用多重絕緣材料，屏蔽材料相互交替形成絕緣層，電位從里到外徑向方向逐層降低，最外表層電位為零。多重屏蔽層保證了每層絕緣層表面的電荷分布均勻，避免了局部放電及其他相母線電磁場的影響。主絕緣材料使用聚四氟乙烯，具有良好的電氣絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，介質(zhì)損耗小、阻燃、耐老化、使用壽命長；可耐受2 000 V電壓，且耐高、低溫(±250 ℃)。

(4)分相絕緣銅管母線由于其幾何形狀的特點(diǎn)，可承受的短路電動(dòng)力遠(yuǎn)大于矩形母線。最大跨距能達(dá)到9 m，若采用加固鋼架結(jié)構(gòu)支撐，最大跨距能達(dá)到14 m，減少了矩形母線所需的支撐絕緣子、母線金具及鋼結(jié)構(gòu)支架。

(5)分相絕緣銅管母線終端連接頭及中間接頭均采用了模壓成型平面連接技術(shù)，受力均勻，接觸表面積大于導(dǎo)體截面的10倍，確保母線連接可靠、安全運(yùn)行。采用在工廠加工成型可保證各部件的加工質(zhì)量和精度，簡化了現(xiàn)場組裝的工作量，從而亦可保證母線的安全可靠運(yùn)行。

3 技術(shù)參數(shù)

本工程采用的分相絕緣銅管母線主要技術(shù)參數(shù)如下所示(見表1)。

表1 分相絕緣銅管母線主要技術(shù)參數(shù)

4 分相絕緣銅管母線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

分相絕緣銅管母線為圓柱形電容結(jié)構(gòu)形式，從內(nèi)到外依次為：導(dǎo)電銅管、半導(dǎo)電層、主絕緣層、半導(dǎo)電層、屏蔽層、熱縮絕緣管、絕緣護(hù)套管。

分相絕緣銅管母線工作電流較大，需采用純度為99.99%的T2無縫冷拉銅管，母線可承受的載流量大、動(dòng)熱穩(wěn)定電流高。當(dāng)溫升達(dá)到80 K時(shí)，母線仍能穩(wěn)定運(yùn)行。屏蔽層使用非金屬半導(dǎo)電材料，韌性超強(qiáng)、質(zhì)地柔軟，不會形成尖端放電，不受熱脹冷縮影響；而且包繞緊密，不會在絕緣層形成過多氣泡，局放極小，為母線的長期安全運(yùn)行提供了可靠保證。主絕緣原材料采用聚四氟乙烯，電氣絕緣性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，介質(zhì)損耗小，阻燃，耐老化，可在-250～+250 ℃環(huán)境中工作，使用壽命可達(dá)40 a。屏蔽層的絕緣外護(hù)層采用熱縮絕緣管和絕緣護(hù)套管共2層，可防止水和潮氣的侵入。

5 分相絕緣銅管母線的布置

發(fā)電機(jī)出線回路母線從發(fā)電機(jī)風(fēng)罩引出、經(jīng)出線層、通過右副廠房，穿過副廠房樓板，再經(jīng)豎井引至主變壓器低壓側(cè)。主變壓器布置在與安裝間同高程的廠房進(jìn)口處洞內(nèi)。220 kV高壓配電裝置采用GIS設(shè)備，布置于主變壓器室上部，出線采用220 kV干式電纜經(jīng)電纜豎井引至出線窯洞內(nèi)，再經(jīng)架空線引出與電力網(wǎng)聯(lián)接。

若發(fā)電機(jī)電壓母線采用共箱母線(見圖1～圖3)，則外形尺寸為1.2 m×0.6 m(寬×高)。受進(jìn)廠交通洞及水輪發(fā)電機(jī)組的限制，主廠房寬度為19.2 m，水輪機(jī)層為EL411.7 m，出線層為EL416.5 m，發(fā)電機(jī)層為EL420.8 m。

由圖1～圖3可看出：出線層高不夠，發(fā)電機(jī)斷路器柜需布置在水輪機(jī)層，共箱母線與發(fā)電機(jī)斷路器柜、主變低壓側(cè)連接需兩次穿出線層樓板，在主變室下部需開挖共箱母線夾層。

圖1 機(jī)組中心縱剖面示意

圖2 出線層平面示意

圖3 水輪機(jī)層平面示意

電站采用了分相絕緣銅管母線，發(fā)電機(jī)出線層凈高3.05 m，發(fā)電機(jī)斷路器柜柜高2.65 m，管型母線外徑φ120 mm，中心對地距離2.87 m，相間距離0.3 m。主引出線從發(fā)電機(jī)風(fēng)罩-X方向引出，至EL416.5 m高程右副廠房發(fā)電機(jī)斷路器柜頂部，延伸至柜內(nèi)與母線連接，經(jīng)發(fā)電機(jī)出線隔離柜柜頂?shù)街髯兊蛪簜?cè)。在豎井段及1號主變段采用兩層布置，層間距離0.3 m。主廠房寬度調(diào)整為17.2 m，取消了主變室下部共箱母線夾層(見圖4、圖5)。

由圖4和圖5可看出，采用分相絕緣銅管母線布置安裝所需空間較小，發(fā)電機(jī)到主變壓器間的母線距離縮短，可節(jié)約土建投資。

6 結(jié) 語

中小型水輪發(fā)電機(jī)組大電流出線回路母線采用分相絕緣銅管型母線，可節(jié)省母線導(dǎo)體銅材，載流量大、集膚效應(yīng)小、溫升低、機(jī)械強(qiáng)度高、電氣絕緣性能好、抗震性強(qiáng)、抗環(huán)境干擾強(qiáng)。母線架構(gòu)與夾具為工廠制造、生產(chǎn)的成型件，可保證各部件的加工質(zhì)量和精度，簡化了現(xiàn)場組裝的工作量，從而亦可保證母線的安全可靠運(yùn)行，可適用于布置空間狹小的廠房。

圖4 優(yōu)化后機(jī)組中心縱剖面示意

圖5 優(yōu)化后出線層平面示意

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊：電氣一次[M].北京:水利電力出版社, 1982.

[2] DL/T 5222—2005，導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[3] 譚美燕.大容量主變低壓側(cè)母線的選擇——優(yōu)選絕緣銅管母線[J].沿海企業(yè)與科技,2010(10):122_125.

責(zé)任編輯 吳 昊

2015-03-20

陳丹燕(1981-)，女，工程師，主要從事水電站電氣設(shè)計(jì)工作。E_mail:cdygxdx@126.com