共箱式封閉母線在三門峽水電站4號(hào)機(jī)組中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司 張哂昭 劉 謀

共箱式封閉母線在三門峽水電站4號(hào)機(jī)組中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

三門峽黃河明珠（集團(tuán)）有限公司 張哂昭 劉 謀

首先對(duì)三門峽水電站機(jī)壓母線在實(shí)際運(yùn)行中的現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，分析了現(xiàn)有輸電設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)；文中介紹了三門峽水電站4號(hào)機(jī)組共箱式封閉母線的設(shè)計(jì)，主要包括母線的選型、載流核算、結(jié)構(gòu)配置和功能，并簡(jiǎn)要分析了封閉母線的特型設(shè)計(jì)及制造安裝工藝。

共箱封母；金具；擴(kuò)大單元；高短路強(qiáng)度；穩(wěn)態(tài)短路電流

0　引言

三門峽水電站現(xiàn)安裝7臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，目前總裝機(jī)容量為430MW，其中，4#、5#機(jī)采用擴(kuò)大單元接線，原有主引出線采用裸槽型鋁母線2X［125×55×6.5］，主變低壓側(cè)主母線采用2X［200×90×12］裸槽型鋁母線。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，原有10.5kV母線的載流量已經(jīng)不能滿足要求。

依據(jù)三門峽水電站2～5號(hào)機(jī)組改造工程計(jì)劃安排，在機(jī)組改造期間，對(duì)10.5KV母線進(jìn)行更換。經(jīng)多方深入調(diào)研，根據(jù)機(jī)組的容量和安裝場(chǎng)地的實(shí)際情況，選擇采用共箱式封閉母線。

1. 設(shè)備現(xiàn)狀及載流計(jì)算

1.1機(jī)壓母線現(xiàn)狀介紹

三門峽水電站建有110kV、220kV開關(guān)站各一座，4號(hào)、5號(hào)發(fā)電機(jī)組采用擴(kuò)大單元接線，機(jī)組10.5KV引出母線采用裸槽型鋁母線，可靠性低，曾多次出現(xiàn)由于雨水滲入或壩體滲水造成接地故障。

1.2母線載流量核算

三門峽水電站4號(hào)、5號(hào)機(jī)組單機(jī)主引出線采用槽型鋁母線，當(dāng)1#～5#機(jī)組均增容至60MW，此時(shí)單機(jī)主引出線電流為Ig=3881A，根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》（電氣一次）關(guān)于敞露式母線設(shè)計(jì)，考慮環(huán)境溫度40℃，此處槽型鋁母線長(zhǎng)期允許載流量為Ixu=3742A，可見Ixu≤Ig，不滿足載流量要求，同理機(jī)組擴(kuò)大單元匯流母線處的長(zhǎng)期允許載流量為Ixu=7128A，可見Ixu≤2×Ig，不滿足載流量要求。

1.3短路電流計(jì)算

根據(jù)三門峽水電站接線，核算短路電流：220kV系統(tǒng)Sj=100MVA，則基準(zhǔn)電流為：

220KV側(cè)：Uj=230KV，Ij=0.251kA，10.5KV側(cè)：Uj=10.5KV，Ij=5.50kA；

大方式下系統(tǒng)電抗：正序Xs.max=0.01266；零序Xso. max=0.03146；

小方式下系統(tǒng)電抗：正序Xs.min=0.16021；零序Xso. min=0.14952。

網(wǎng)絡(luò)圖：

1.3.1正序最大運(yùn)行方式

1）K1點(diǎn)發(fā)生三相短路：

2）K2點(diǎn)發(fā)生三相短路：

1.3.2最小運(yùn)行方式

1）K1點(diǎn)發(fā)生三相短路發(fā)電機(jī)側(cè)：

兩相短路折算到10.5kV：

系統(tǒng)側(cè)：

三相短路：

兩相短路：

K1點(diǎn)總的短路電流：

2）K2點(diǎn)發(fā)生三相短路

綜上可知：可簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為發(fā)電機(jī)出口10.5kV母線對(duì)自用變低壓側(cè)短路為無(wú)窮大系統(tǒng)，

2. 母線及設(shè)備選型

根據(jù)三門峽水電站機(jī)組的容量和安裝場(chǎng)地的實(shí)際情況，初步提出了兩種母線形式，全絕緣銅管母線和共箱封閉母線。并專門組織人員對(duì)其它水電站的母線改造進(jìn)行了調(diào)研。

2.1全絕緣銅管母線和共箱封閉母線的優(yōu)缺點(diǎn)

全絕緣銅管母線的優(yōu)點(diǎn)：具有載流量大、導(dǎo)電能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、集膚效應(yīng)低、功率損耗小、散熱條件好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。適合于電流較大的10-35KV電壓等級(jí)變電站與發(fā)電機(jī)母線。

全絕緣銅管母線的缺點(diǎn)：該型母線在電力系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)間短，由于全絕緣銅管母線最早應(yīng)用是2002年以后，在電力系統(tǒng)大量應(yīng)用是2007年以后。暫時(shí)還沒有專門的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前全絕緣銅管母線是參照原高壓母線標(biāo)準(zhǔn)和高壓電纜標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。全絕緣銅管母線的絕緣層一旦老化擊穿，故障點(diǎn)查找很困難。

共箱封閉母線的優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)體采用槽銅，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、運(yùn)行維護(hù)工作量小，防護(hù)等級(jí)為IP54，可消除外界潮氣灰塵以及外物引起的接地故障。已大量應(yīng)用于電力行業(yè)，相應(yīng)的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范比較完整，產(chǎn)品的質(zhì)量有保證。

共箱封閉母線的缺點(diǎn)：對(duì)室內(nèi)安裝場(chǎng)地的高度和空間尺寸要求相對(duì)較大，特別是改造工程，土建設(shè)施、廠房的空間尺寸已經(jīng)確定且不可更改。要采用共箱封閉母線，就要求設(shè)計(jì)單位對(duì)廠房、母線室進(jìn)行更詳細(xì)的測(cè)量。

2.2調(diào)研與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

為了確保共箱封閉母線在三門峽水電站能改造成功，我們選擇單機(jī)容量相同并已經(jīng)將母線改造為共箱封閉母線的富春江水電站進(jìn)行了調(diào)研。并通過對(duì)三門峽水電站廠房、母線室進(jìn)行測(cè)量和電氣計(jì)算，確定三門峽水電站母線改造中，發(fā)電機(jī)主引出線采用5000A共箱封閉母線，分支引出線采用1500A共箱封閉母線。

2.3母線的型式試驗(yàn)

2.3.1型式試驗(yàn)的參數(shù)確定

按照電力系統(tǒng)最新提供的系統(tǒng)阻抗，通過短路計(jì)算可知，在4#、5#機(jī)擴(kuò)大單元的分支引線上（短路計(jì)算中為K2點(diǎn)）發(fā)生三相短路時(shí)，最大短路電流為81.84KA；在主母線上發(fā)生三相短路時(shí)，最大短路電流為68KA。

按照短路計(jì)算的結(jié)果，確定主母線（5000A）封閉母線熱穩(wěn)定電流（2s）（有效值）70kA，動(dòng)穩(wěn)定電流（峰值）為178kA ；分支引出線（1500A）熱穩(wěn)定電流（2s）（有效值）90kA，動(dòng)穩(wěn)定電流（峰值）為230kA 。額定電流大的主母線短路電流小，額定電流小的分支引線短路電流反而大。和制造廠家常規(guī)的設(shè)備參數(shù)不配套，無(wú)法直接選用。為保證共箱母線設(shè)備能安全可靠運(yùn)行，需按照新的參數(shù)設(shè)計(jì)和制造，并重新進(jìn)行封閉母線的型式試驗(yàn)。

2.3.2特殊母線結(jié)構(gòu)改進(jìn)

三門峽水電站4#、5#機(jī)采用擴(kuò)大單元接線，經(jīng)4#主變壓器接入220kV開關(guān)站。按照電力系統(tǒng)最新提供的系統(tǒng)阻抗，通過短路計(jì)算可知，在4#、5#機(jī)擴(kuò)大單元的10.5KV分支引出線（1500A）上發(fā)生三相短路時(shí)，最大穩(wěn)態(tài)短路電流82KA；熱穩(wěn)定電流（2s）（有效值）90kA，動(dòng)穩(wěn)定電流（峰值）為230kA。GB/T8349-2000 中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)母線的熱穩(wěn)定電流最大做到63KA，制造廠家常規(guī)的母線定型試驗(yàn)也只做到63KA，無(wú)法直接選用。

為保證共箱母線設(shè)備能在三門峽電站安全可靠運(yùn)行，經(jīng)與設(shè)計(jì)單位、制造廠家共同討論分析，對(duì)母線設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下特殊設(shè)計(jì)：增大分支母線支持瓷瓶抗彎強(qiáng)度；減小瓷瓶檔距；母線采用平方方式；增加母線截面積；增加箱體空間。在制造出樣品后，進(jìn)行封閉母線的型式試驗(yàn)，經(jīng)國(guó)家電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)廠家提供的特型母線進(jìn)行檢驗(yàn)，得出結(jié)論，此次設(shè)計(jì)的特型母線符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定，檢驗(yàn)結(jié)果合格，可滿足使用要求。

3. 項(xiàng)目實(shí)施

按公司的規(guī)劃安排，三門峽水電站4#機(jī)組改造改造總工期為1年，共箱式封閉母線及機(jī)壓配電設(shè)備改造工作在期間進(jìn)行。

由于共箱封閉母線整體較長(zhǎng)，在三門峽水電站三角母線室、284層母線室狹小空間安裝運(yùn)輸帶來(lái)不便，母線其在制造廠做若干分段，到現(xiàn)場(chǎng)后將各分段母線用螺栓連接起來(lái)，箱體的支持采用支撐和吊裝，連接螺栓采用無(wú)磁材料。鋼橫梁則支持或吊裝與工地預(yù)埋件鋼架上。各段母線間或各段箱體間采用螺栓連接，在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其能滿足箱體在一定范圍內(nèi)的誤差，母線導(dǎo)體與設(shè)備端子導(dǎo)電接觸面鍍銀或搪錫，其間用帶接頭的銅編織線作為伸縮連接件。

4. 成果的先進(jìn)性和創(chuàng)新點(diǎn)

1）共箱式封閉母線首次應(yīng)用在擴(kuò)大單元接線方式大短路電流的分支母線上，作為國(guó)內(nèi)首例，可為其它電站母線的改造提供了參考。

國(guó)標(biāo)（GB/T8349-2000）中常規(guī)的封閉母線熱穩(wěn)定電流也只做到63KA，動(dòng)穩(wěn)定電流（峰值）只能做到160KA，此次改造無(wú)法直接選用，為保證共箱母線設(shè)備安全，分支母線采用加強(qiáng)型絕緣子，母線導(dǎo)體采用平放方式，縮小絕緣子之間跨距，增大母線截面積；經(jīng)型式試驗(yàn)，作為國(guó)內(nèi)首例應(yīng)用在擴(kuò)大單元接線方式大短路電流的分支母線上。

2）針對(duì)三門峽水電站4號(hào)機(jī)組機(jī)壓母線空間特點(diǎn)，做出特型設(shè)計(jì)與制造，與現(xiàn)場(chǎng)安裝空間緊密配合，便于設(shè)備安裝和后期維護(hù)，在保證運(yùn)行可靠的同時(shí)，使設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)更加簡(jiǎn)潔美觀。在本次封母改造項(xiàng)目中，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，采用箱內(nèi)T型設(shè)計(jì)，合理布局封閉母線箱體檢修孔，在適宜位置預(yù)留短接板安裝點(diǎn)、地線懸掛點(diǎn)，發(fā)電機(jī)出口端CT安裝盡量靠近發(fā)電機(jī)出線與母線連接的可拆接口處發(fā)電機(jī)與母線連接處外殼四面可拆，中性點(diǎn)母線側(cè)面、頂面設(shè)置可拆卸面板；

3）針對(duì)三門峽4號(hào)機(jī)段母線安裝原設(shè)備位置固定、空間狹小的特殊情況，采用二次測(cè)量制作、單點(diǎn)起吊順序軌道運(yùn)輸?shù)刃碌陌惭b工藝。

在封母安裝過程中，考慮到三角母線室的空間布局，將單節(jié)5000A母線長(zhǎng)度控制在4m以內(nèi)，通過后期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變更軟連接長(zhǎng)度或者預(yù)留封母拐角最后定位安裝經(jīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差的修正。

5. 結(jié)語(yǔ)

目前，三門峽水電站4號(hào)機(jī)組經(jīng)增容改造后，共箱式封閉母線已正式投入運(yùn)行接近兩年。實(shí)際運(yùn)行證明，該改造項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，為三門峽水電站的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)手段。

［1］GB156 標(biāo)準(zhǔn)電壓.

［2］GB311.1 高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合.

［3］GB/T8349-2000 金屬封閉母線.

［4］GB11032 交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器.

［5］GB2706 交流高壓電器動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)方法.

［6］GB11021 電氣絕緣的耐熱性評(píng)定和分級(jí).

［7］GB763 交流高壓電器在長(zhǎng)期工作時(shí)的發(fā)熱.

［8］GB11022 高壓開關(guān)設(shè)備通用技術(shù)條件.

張哂昭，男，工程師，主要從事水電廠電氣自動(dòng)化及運(yùn)行管理方面的工作。

劉謀，男，工程師，主要從事水電廠電氣自動(dòng)化及運(yùn)行管理方面的工作。