東西關(guān)電站技改增容母線選型及其屏蔽措施

朱 紅， 賈 欣

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

東西關(guān)水電站是嘉陵江干流上開發(fā)的中型電站。電站原裝機4×45 MW，技改增容為4×52.5 MW，2011年秋季開始每年改造1臺機組，至今已改造完成三臺機組。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工程改造順利實施、保證廠房和機組安全運行至關(guān)重要。

1 東西關(guān)電站母線現(xiàn)狀

東西關(guān)電站發(fā)電機與變壓器組合采用擴大單元接線，發(fā)電機出口電壓10 kV，電站以110 kV一級電壓接入系統(tǒng)，110 kV出線共6回。機組擴容后單機容量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，開關(guān)站位于地面。技改增容后擴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，單相母線總長約154 m。母線通過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關(guān)站。母線分水平、垂直、傾斜三種方式布置，其中母線豎井斷面凈空尺寸為長×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℃進行母線設(shè)計。

本工程改造項目是在原有土建結(jié)構(gòu)上實施，土建結(jié)構(gòu)尺寸(包括樓板高程、樓板和墻上開孔)、發(fā)電機母線出線方向均不變。安裝工期短，在一個冬季拆除并改造完成一臺機組，包括母線、隔離開關(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：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)計的，空間小無法布置離相母線。

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

-40 ℃～+70 ℃環(huán)境溫度下運行。這些優(yōu)點特別適合東西關(guān)電站使用，是設(shè)計首選方案,但因當時中壓全澆注封閉母線是剛出現(xiàn)的新型產(chǎn)品，價格較貴，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，其特點是：結(jié)構(gòu)緊湊、防護等級較高、無觸電危險、安全性高、運行維護工作量較少、價格適中，但散熱較差。

裸母線母線體積小，只有導(dǎo)體、絕緣子和金具。價格便宜。導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量直接向周圍空氣輻射散發(fā)和自然對流散熱，母線散熱好。但防護等級低、現(xiàn)場母線安裝復(fù)雜、運行維護工作量較大。

結(jié)合東西關(guān)電站實情：采用裸母線能最大限度維持工程原狀，變動范圍最小，對電站固有結(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)最高溫度已超過了40 ℃，通風(fēng)系統(tǒng)不改造，機組容量增大后共箱母線散熱問題就不好解決，母線廊道溫度長期過高將會產(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)置保護網(wǎng)，施工簡單的優(yōu)勢在本技改工程中體現(xiàn)不出來：若采用共箱母線不僅原來的母線支持結(jié)構(gòu)和保護網(wǎng)沒有利用價值，還需要專門花錢花時間來拆除。據(jù)東西關(guān)電站業(yè)主運行經(jīng)驗，盡管防護等級較低，裸母線運行中故障率其實不比共箱母線更高，運行是安全可靠的。綜合多種因素比選結(jié)果：機組增容后發(fā)電機單元出口和擴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)

當母線電流大于3 000 A時，鋼構(gòu)發(fā)熱已不容忽視。標準規(guī)定鋼構(gòu)發(fā)熱的最高允許溫度：人可觸及的鋼構(gòu)<70 ℃，人不會觸及的鋼構(gòu)<100 ℃，混凝土中的鋼筋<80 ℃。

東西關(guān)電站擴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)電站技改增容后擴大單元母線實際電流達6 928 A，如此大電流產(chǎn)生的強大交變磁場會使其附近鋼構(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，嚴重地發(fā)熱會讓材料產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形，使機械強度下降，鋼構(gòu)接觸連接損壞?；炷林械匿摻钸^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。

電磁場是隨著深度呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢，屏蔽體越厚屏蔽效果越好投資也越貴。綜合性價比，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)加鋁短路板和絕緣墊斷開鋼構(gòu)回路，消除環(huán)流；

(2)水平母線廊道屋頂和保護網(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)母線斜井周圍沒有其它廠房和設(shè)備，一側(cè)出口通地面，斜井通風(fēng)散熱良好，故僅在(2個)斜井中間隔墻#1、2機組段一側(cè)的保護網(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，板板焊接時一側(cè)的焊點數(shù)量

2～3個，跨接時用銅跨接線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)鋁合金板就近多點與電站主接地網(wǎng)連接。

以上屏蔽措施是針對東西關(guān)電站實情和裸母線布置特點量身定制的：鋁合金屏蔽板貼在母線周圍墻壁或樓板上，豎井屏蔽板設(shè)計為封閉式，水平廊道和斜井屏蔽板設(shè)計為敞開式；母線屏蔽板整體電氣全連式并從雙側(cè)墻壁引下多點接地；鋁合金板板之間呈點狀螺栓連接(現(xiàn)場無法在有限時間內(nèi)完成大量滿焊連接工作量)；屏蔽板距母線較遠，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熱現(xiàn)象

2012年初首臺機組#2機的技改工作完成，#1、#2母線廊道加裝了屏蔽鋁板，#3、#4母線廊道尚未加裝。機組帶負荷運行后出現(xiàn)鋁合金屏蔽板個別引下接地線過熱，導(dǎo)線和螺栓燒黑問題，在最嚴重的局部過熱點測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量表(℃)(地點：#1、#2機組母線廊道)

測溫數(shù)據(jù)還顯示母線保護網(wǎng)的平均溫度高于母線平均溫度，而母線橫擔平均溫度低于母線平均溫度，個別橫擔溫度高于母線溫度。大多數(shù)鋁板間跨接線(包括螺栓)溫度不超過60 ℃，母線橫擔最高溫度達63.9 ℃，保護網(wǎng)最高溫度61.1 ℃。數(shù)據(jù)表明盡管接地引下線存在發(fā)熱問題，但是鋁合金板對降低鋼構(gòu)發(fā)熱是有效果的，只是多點接地引下線存在設(shè)計缺陷還需要優(yōu)化完善。

根據(jù)以胩情況分析：在屏蔽鋁板與接地構(gòu)架之間因磁場感應(yīng)產(chǎn)生了電位差，通過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造成發(fā)熱。由此可見，在鋁合金屏蔽板裝配過程中采用的接地方式和搭接方法都會直接影響屏蔽效果。

5 屏蔽措施優(yōu)化

2012年底在第2臺機組#3機的技改工作時進行母線屏蔽體優(yōu)化設(shè)計，具體措施有：

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

在母線下保護網(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，每個焊點的焊縫長度不小于50 mm，焊點中心間距為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丁的方式進行滿焊連接形成完整的電氣通路，每側(cè)的滿焊焊縫總長度應(yīng)不小于50 mm。

(3)改良多點接地方式、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網(wǎng)之上，鍍鋅扁鋼與保護網(wǎng)上敷設(shè)的每塊200 mm寬鋁合金板進行螺接，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)場情況將該接地扁鋼多點引下接地。

如此形成了一個電氣連通性較好、分流均勻、散熱好、間隔4 m左右一個局部封閉環(huán)連式(水平母線廊道段)+封閉式(豎井段)+敞開式(斜井段)、電氣全連式多點接地母線屏蔽體。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臺機組的技改工作，2014年夏季三伏天4臺機組滿發(fā)時測溫數(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)架及保護網(wǎng)最高溫度60 ℃。溫度實測結(jié)果表明東西關(guān)電站鋼構(gòu)發(fā)熱最高溫度遠低于標準規(guī)定允許值，屏蔽措施取得了較滿意的效果。

6 結(jié) 語

東西關(guān)電站技改增容工程因機組容量增大直接導(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)計本著技術(shù)經(jīng)濟合理、切合電站實際因地制宜設(shè)計原則，對長達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)電氣全連式多點接地屏蔽體的方式，邊設(shè)計邊實踐邊總結(jié)邊優(yōu)化，最終取得了令人滿意的屏蔽效果。在這里對東西關(guān)電站技改增容工程母線屏蔽措施進行分析探討，期望對類似工程能起到一定的借鑒參考作用。

作者簡介:

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)專業(yè)本科畢業(yè)，高級工程師，現(xiàn)于成都勘測設(shè)計研究院有限公司從事水電站電氣一次專業(yè)設(shè)計工作；

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

(責(zé)任編輯：卓政昌)

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