基于汽輪發(fā)電機高位布置的離相封閉母線垂直段支持結(jié)構(gòu)研究

李鴻路，楊 芳

(中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

隨著汽輪發(fā)電機組初參數(shù)的提高，高溫蒸汽管道系統(tǒng)的造價隨之增加，其投資費用所占的比重隨之上升；工程中提出將汽輪發(fā)電機組布置于除氧間或煤倉間上部的方式，該方案不僅可以顯著減少高溫管道長度，降低高溫管道系統(tǒng)的造價，還可顯著減少排氣管道的長度，從而降低機組的背壓，實現(xiàn)機組煤耗的降低；同時，相應(yīng)減少汽機房的占地面積。

本文在基于上述汽輪發(fā)電機組高位布置的前提下，結(jié)合工程實際，對發(fā)電機出口長距離垂直段離相封閉母線的支持結(jié)構(gòu)進行研究與探討，對支持裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)力計算、位移計算等方面進行詳細分析。

1 技術(shù)難點及路線

根據(jù)DL/T 5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[1]“7.4.6中對于較長垂直段的離相封閉母線應(yīng)要求廠家進行熱平衡計算，計算時應(yīng)計及垂直段對溫升的影響，且整個垂直段部分的最高溫度點與最低溫度點溫度之差不得超過5 ℃”和“7.4.7中當離相封閉母線采用垂直布置方式時，應(yīng)對導(dǎo)體和外殼支持強度進行詳細的力學(xué)計算、校驗，確定支架、支柱絕緣子、母線、外殼的強度。并應(yīng)考慮熱漲冷縮對固定方式的影響” 。

目前，國內(nèi)外封閉母線長垂直段，都是應(yīng)用于地下式水電站，即：發(fā)電機布置在地下巖洞內(nèi)，主變壓器布置在山頂，通過垂直豎井(部分為斜井)內(nèi)的離相封閉母線將發(fā)電機和主變壓器連接起來，這些豎井(斜井)的長度可達百米以上。

長距離垂直段離相封閉母線在火力發(fā)電工程中尚無投運業(yè)績，其布置、安裝、運行時的受力、位移、抗短路電動力的能力等與水電站不同，均需要特殊考慮。垂直段母線的溫升、選型等在其它論文中已有詳細論述，本文主要研究和探討發(fā)電機組高位布置下的長距離垂直段離相封閉母線的支持結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算等。

本論文以北方某火力發(fā)電廠工程(2臺660 MW超超臨界直接空冷燃煤發(fā)電機組)為依托，借鑒國內(nèi)外水電廠長距離垂直分布離相封閉母線的成功經(jīng)驗，依據(jù)電力行業(yè)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，通過向母線制造廠調(diào)研及共同實施該項目，對發(fā)電機組高位布置的離相封閉母線設(shè)計進行系統(tǒng)深入的分析研究，以確定合理的支持結(jié)構(gòu)。

2 離相封閉母線及相關(guān)電氣設(shè)備布置

2.1 離相封閉母線的優(yōu)點

國內(nèi)外電廠中，200 MW及以上發(fā)電機引出線回路大多采用離相封閉母線接線和布置方式，其具有如下優(yōu)點：①減少接地故障，避免相間短路，提高發(fā)電機運行的連續(xù)性；②封閉母線因有外殼屏蔽，可從根本上解決周圍鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱問題；③外殼基本處于等電位，接地方式大為簡化；④母線采用微正壓運行方式，防止絕緣子結(jié)露，可提高運行安全可靠性；⑤運行維護工作量小、施工安裝簡便。

離相封閉母線主要由母線導(dǎo)體、支持絕緣子和防護屏蔽外殼三部分組成。導(dǎo)體和外殼一般采用工業(yè)純鋁1060、鋁管結(jié)構(gòu)[2]。

2.2 工程條件

發(fā)電機組高位布置已在上述北方某火力發(fā)電廠工程中應(yīng)用，該工程安裝2臺額定容量660 MW發(fā)電機，采用發(fā)電機—變壓器組單元接線，高壓廠用工作變壓器、勵磁變壓器、PT/LA柜等從發(fā)電機與主變壓器之間的主回路封閉母線“T”接。發(fā)電機高位布置，主回路離相封閉母線有一段較長的垂直安裝段。每臺機組設(shè)1臺高壓廠用分裂工作變壓器，全廠設(shè)1臺啟動/備用分裂變壓器。發(fā)電機主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

額定容量： 733 MVA

額定功率：660 MW

最大連續(xù)出力：693 MW

額定功率因數(shù)：0.9 (滯后)

額定電壓：20 kV

額定電流： 21 160 A

最大連續(xù)電流：23 340 A

額定頻率：50 Hz

2.3 離相封閉母線整體結(jié)構(gòu)及相關(guān)電氣設(shè)備布置

某工程將汽輪發(fā)電機組放在除氧煤倉間上方，運轉(zhuǎn)層標高65 m，發(fā)電機出線相關(guān)設(shè)備(包括勵磁變、電壓互感器/避雷器柜、中性點柜等)布置在運轉(zhuǎn)層下的50.50 m層，勵磁小室布置于61.15 m層，10 kV高壓廠用配電裝置布置在6.90 m層；主變壓器布置于主廠房A排外空冷平臺外側(cè)零米地面。

從發(fā)電機出口到主變壓器的離相封閉母線需從約65 m的高處引下至56 m，再水平轉(zhuǎn)彎后、降到52 m高度(便于支撐受力)，隨后沿A排墻內(nèi)側(cè)從52 m引下至距地面約9.0 m的主變低壓端子，即長垂直段離相封閉母線長度大約50 m；較長垂直段的母線需要采取特殊的設(shè)計和措施[3]。

長垂直段離相封閉母線的斷面布置如圖1所示；母線的三維軸視圖如圖2所示。

圖1 長垂直段離相封閉母線斷面布置圖

圖2 離相封閉母線的三維軸視圖(發(fā)電機出口及垂直段局部布置)

母線長距離垂直段由55.5 m標高到9 m標高，穿過5層樓板，分別為50.395 m層、37.5 m層、27.2 m層、20.0 m層、13.9 m層，以每個樓層為基礎(chǔ)，每層設(shè)置1組垂直母線支持結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的外殼輔助支撐，且每個樓層設(shè)置1組母線伸縮節(jié)，很好地解決母線因自重、溫度變化等引起的位移。根據(jù)樓層間距不同，每個樓層通過1組垂直母線固定結(jié)構(gòu)與常規(guī)三絕緣子母線焊接為一個整體，通過樓層上的1組絕緣子(由4只組成)和下部的2組(由6只組成)絕緣子共10只絕緣子來保證封閉母線導(dǎo)體和外殼的同心度；當短路情況發(fā)生時，這10只絕緣子共同承擔短路電動力。

3 導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)

為避免垂直段離相母線所用絕緣子受剪切力的作用，同時由于離相母線受到運輸條件的制約，將垂直段離相母線設(shè)計為T接分支支持形式，每個母線單元為一個T接支持形式加一個常規(guī)三絕緣子布置形式，現(xiàn)場安裝時再焊接為整體。垂直段母線導(dǎo)體采用支持絕緣子支撐和吊裝，根據(jù)T接分支受力平衡性，每個垂直段的兩邊T接分支母線各有兩個絕緣子支撐方案固定在每個樓層上。

3.1 常規(guī)工程母線導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)

常規(guī)離相母線絕緣子支撐形式為在同一斷面上用三個支持絕緣子支撐，每個絕緣子之間相差120°角，并成倒“Y”布置，如圖3所示。

圖3 常規(guī)離相母線絕緣子支持結(jié)構(gòu)

導(dǎo)體向下的重力荷載，分布在底部兩個絕緣子上。絕緣子與導(dǎo)體之間靠彈性塊支撐，絕緣子固定在底板上，檢修維護時，可以通過打開底板，將絕緣子抽出。并且當溫度變化產(chǎn)生伸縮時，由于導(dǎo)體與絕緣子之間不是固定形式，導(dǎo)體為可滑動狀態(tài)，很好地避免了絕緣子的剪切受力。

3.2 垂直段母線導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)

長距離垂直段母線采用絕緣子垂直受力形式固定(即受壓力或拉力)，避免絕緣子剪切受力。在垂直方向母線通過T接分支母線(型材橫擔支持)，其中導(dǎo)體為強度更好的四方鋁合金型材，將母線重力均勻分擔在兩邊T接分支母線的絕緣子支持結(jié)構(gòu)上，如圖4所示。

圖4 垂直段離相母線絕緣子支持結(jié)構(gòu)

外殼采用槽鋼抱箍，通過橫擔鋼梁與土建固定。絕緣子設(shè)置在母線內(nèi)部，在確保質(zhì)量的前提下，外觀更為美觀，更顯得整體。

四個絕緣子同時受力(下部絕緣子受壓力，上部絕緣子受拉力，均不受剪切力)，保證絕緣子受力均勻。

垂直段離相母線導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)，每個單元為四個絕緣子固定，相輔相成，均勻受力。絕緣子材質(zhì)為DMC，高度為275 mm，采用600 mm大爬距絕緣子，抗壓強度為100 kN，抗拉強度為40 kN，1 min工頻耐受電壓為80 kV。固定點承受的導(dǎo)體最大總重量為10.058 kN(按最高樓層間距8.8 m計算)。經(jīng)計算，導(dǎo)體所受應(yīng)力2.574 MPa，遠小于鋁材1060允許應(yīng)力80 MPa。

4 外殼支持結(jié)構(gòu)

垂直段母線外殼在每一層樓板處設(shè)置一組固定支持，每個樓層在樓板開孔四周做預(yù)埋件，每個單元由兩端T接分支母線外殼通過可滑動的槽鋼抱箍度固定在封閉母線雙槽鋼背靠焊接的鋼梁上。鋼梁下部通過更加牢固的焊接方式與樓板預(yù)埋件固定，上部通過螺栓與離相封閉母線雙槽鋼背靠焊接的鋼梁固定，起到很好的支撐作用，如圖5所示。

圖5 垂直母線外殼支持結(jié)構(gòu)示意圖

5 應(yīng)力受力分析

經(jīng)模擬受力分析(見圖6)，從0 kN到80 kN(50 m母線最大受力為65 kN)，垂直段50 m通長母線設(shè)置一組支持結(jié)構(gòu)就可滿足母線承受重力；為確保安全，每樓層設(shè)置加一組垂直支持結(jié)構(gòu)，受力完全滿足需求。

圖6 受力分布模擬

從圖7可看出，垂直母線支持結(jié)構(gòu)受力分布均勻，變形微小，在不受力狀態(tài)下，支持結(jié)構(gòu)位移變形1×10-30mm，微乎其微，基本不發(fā)生變形；在受力80 kN時，每個樓層母線長垂直支持結(jié)構(gòu)位移變形1.448 mm，每個樓層間均按80 kN受力核算，母線整體變形為7.24 mm。50 m長距離垂直段母線的受力變形很小。

圖7 受力80 kN狀態(tài)(變形比例為174.24)

千斤頂施加壓力到80 kN時，離相母線位移變形為6 mm，與模擬受力分析基本一致。每個樓層有一組垂直母線支持結(jié)構(gòu)，且每個樓層設(shè)置一組母線伸縮節(jié)(見圖8)，母線伸縮節(jié)軸向可伸縮量為±30 mm，完全可解決母線由此引起的位移變化。

圖8 離相封閉母線伸縮節(jié)

6 溫度變化引起的位移計算

某工程極端環(huán)境溫度最低為-40℃，離相封閉母線運行最高溫度為90 ℃，1060鋁材的熱膨脹系數(shù)為23.6E-6m/℃。極端情況下，每米所受溫度變化位移量按如下公式計算為：

式中：L為每米所受溫度變化位移量，mm。

長垂直距離離相母線高度差為50 m，從極端環(huán)境最低溫度到母線運行最高溫度計算，總位移量為L=50×3=150 mm。6層樓層間距分別為：6 m、7 m、7.7 m、8.8 m、6 m、7.3 m；極端溫度情況下相應(yīng)位移量分別為：18 mm、21 mm、23.1 mm、26.4 mm、18 mm、21.9 mm。在每個樓層都設(shè)置一組垂直支撐結(jié)構(gòu)跟一組母線伸縮節(jié)，母線伸縮節(jié)軸向可伸縮量為±30 mm，完全可滿足母線因溫度引起的位移變化。

7 結(jié)論

本論文基于汽輪發(fā)電機組高位布置，對發(fā)電機出口長距離垂直段離相封閉母線的支持結(jié)構(gòu)進行了研究與探討，對支持裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)力計算、位移計算等方面進行了詳細分析。火電發(fā)電機組的長距離垂直段母線布置和支持結(jié)構(gòu)與常規(guī)火電廠水平布置的封閉母線、水電廠長垂直封閉母線布置均有較大差異。通過分析和論述，可得出以下主要結(jié)論：

1)垂直段母線將傳統(tǒng)的剪切力支撐改為垂直支撐，每層設(shè)置一組垂直母線支持結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的外殼輔助支撐，垂直段母線及其支持結(jié)構(gòu)受力分布均勻，變形微小，且每個樓層設(shè)置一組母線伸縮節(jié)，很好地解決母線因自重、溫度變化等引起的位移。

2)離相封閉母線垂直段的運輸、安裝和檢修均安全可靠，火電廠垂直段母線路徑上的樓層較多，便于安裝、檢修。

3)火力發(fā)電廠發(fā)電機出口離相封閉母線的長垂直段布置方式是可行的，制造廠有設(shè)計、制造經(jīng)驗，且已在工程中實施。