共箱式封閉母線在三門峽水電站4號機組中的設(shè)計與應用

三門峽黃河明珠（集團）有限公司 張哂昭 劉 謀

共箱式封閉母線在三門峽水電站4號機組中的設(shè)計與應用

三門峽黃河明珠（集團）有限公司 張哂昭 劉 謀

首先對三門峽水電站機壓母線在實際運行中的現(xiàn)狀進行了討論，分析了現(xiàn)有輸電設(shè)備的優(yōu)缺點；文中介紹了三門峽水電站4號機組共箱式封閉母線的設(shè)計，主要包括母線的選型、載流核算、結(jié)構(gòu)配置和功能，并簡要分析了封閉母線的特型設(shè)計及制造安裝工藝。

共箱封母；金具；擴大單元；高短路強度；穩(wěn)態(tài)短路電流

0　引言

三門峽水電站現(xiàn)安裝7臺水輪發(fā)電機組，目前總裝機容量為430MW，其中，4#、5#機采用擴大單元接線，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)計算復核，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號機組改造工程計劃安排，在機組改造期間，對10.5KV母線進行更換。經(jīng)多方深入調(diào)研，根據(jù)機組的容量和安裝場地的實際情況，選擇采用共箱式封閉母線。

1. 設(shè)備現(xiàn)狀及載流計算

1.1機壓母線現(xiàn)狀介紹

三門峽水電站建有110kV、220kV開關(guān)站各一座，4號、5號發(fā)電機組采用擴大單元接線，機組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、5號機組單機主引出線采用槽型鋁母線，當1#～5#機組均增容至60MW，此時單機主引出線電流為Ig=3881A，根據(jù)《水電站機電設(shè)計手冊》（電氣一次）關(guān)于敞露式母線設(shè)計，考慮環(huán)境溫度40℃，此處槽型鋁母線長期允許載流量為Ixu=3742A，可見Ixu≤Ig，不滿足載流量要求，同理機組擴大單元匯流母線處的長期允許載流量為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)絡圖：

1.3.1正序最大運行方式

1）K1點發(fā)生三相短路：

2）K2點發(fā)生三相短路：

1.3.2最小運行方式

1）K1點發(fā)生三相短路發(fā)電機側(cè)：

兩相短路折算到10.5kV：

系統(tǒng)側(cè)：

三相短路：

兩相短路：

K1點總的短路電流：

2）K2點發(fā)生三相短路

綜上可知：可簡化計算，認為發(fā)電機出口10.5kV母線對自用變低壓側(cè)短路為無窮大系統(tǒng)，

2. 母線及設(shè)備選型

根據(jù)三門峽水電站機組的容量和安裝場地的實際情況，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。并專門組織人員對其它水電站的母線改造進行了調(diào)研。

2.1全絕緣銅管母線和共箱封閉母線的優(yōu)缺點

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

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

共箱封閉母線的優(yōu)點：導體采用槽銅，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、運行維護工作量小，防護等級為IP54，可消除外界潮氣灰塵以及外物引起的接地故障。已大量應用于電力行業(yè)，相應的國家、行業(yè)標準和規(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：對室內(nèi)安裝場地的高度和空間尺寸要求相對較大，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)計單位對廠房、母線室進行更詳細的測量。

2.2調(diào)研與現(xiàn)場測量

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行了調(diào)研。并通過對三門峽水電站廠房、母線室進行測量和電氣計算，確定三門峽水電站母線改造中，發(fā)電機主引出線采用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

2.3.1型式試驗的參數(shù)確定

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

按照短路計算的結(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，無法直接選用。為保證共箱母線設(shè)備能安全可靠運行，需按照新的參數(shù)設(shè)計和制造，并重新進行封閉母線的型式試驗。

2.3.2特殊母線結(jié)構(gòu)改進

三門峽水電站4#、5#機采用擴大單元接線，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，通過短路計算可知，在4#、5#機擴大單元的10.5KV分支引出線（1500A）上發(fā)生三相短路時，最大穩(wěn)態(tài)短路電流82KA；熱穩(wěn)定電流（2s）（有效值）90kA，動穩(wěn)定電流（峰值）為230kA。GB/T8349-2000 中規(guī)定的標準母線的熱穩(wěn)定電流最大做到63KA，制造廠家常規(guī)的母線定型試驗也只做到63KA，無法直接選用。

為保證共箱母線設(shè)備能在三門峽電站安全可靠運行，經(jīng)與設(shè)計單位、制造廠家共同討論分析，對母線設(shè)計進行了以下特殊設(shè)計：增大分支母線支持瓷瓶抗彎強度；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，進行封閉母線的型式試驗，經(jīng)國家電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對廠家提供的特型母線進行檢驗，得出結(jié)論，此次設(shè)計的特型母線符合相關(guān)標準及產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定，檢驗結(jié)果合格，可滿足使用要求。

3. 項目實施

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

由于共箱封閉母線整體較長，在三門峽水電站三角母線室、284層母線室狹小空間安裝運輸帶來不便，母線其在制造廠做若干分段，到現(xiàn)場后將各分段母線用螺栓連接起來，箱體的支持采用支撐和吊裝，連接螺栓采用無磁材料。鋼橫梁則支持或吊裝與工地預埋件鋼架上。各段母線間或各段箱體間采用螺栓連接，在一定長度范圍內(nèi)，其能滿足箱體在一定范圍內(nèi)的誤差，母線導體與設(shè)備端子導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. 成果的先進性和創(chuàng)新點

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

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

2）針對三門峽水電站4號機組機壓母線空間特點，做出特型設(shè)計與制造，與現(xiàn)場安裝空間緊密配合，便于設(shè)備安裝和后期維護，在保證運行可靠的同時，使設(shè)備現(xiàn)場更加簡潔美觀。在本次封母改造項目中，有針對性的設(shè)計，采用箱內(nèi)T型設(shè)計，合理布局封閉母線箱體檢修孔，在適宜位置預留短接板安裝點、地線懸掛點，發(fā)電機出口端CT安裝盡量靠近發(fā)電機出線與母線連接的可拆接口處發(fā)電機與母線連接處外殼四面可拆，中性點母線側(cè)面、頂面設(shè)置可拆卸面板；

3）針對三門峽4號機段母線安裝原設(shè)備位置固定、空間狹小的特殊情況，采用二次測量制作、單點起吊順序軌道運輸?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母線長度控制在4m以內(nèi)，通過后期現(xiàn)場測量變更軟連接長度或者預留封母拐角最后定位安裝經(jīng)來實現(xiàn)誤差的修正。

5. 結(jié)語

目前，三門峽水電站4號機組經(jīng)增容改造后，共箱式封閉母線已正式投入運行接近兩年。實際運行證明，該改造項目規(guī)劃和設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，為三門峽水電站的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)手段。

［1］GB156 標準電壓.

［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 交流無間隙金屬氧化物避雷器.

［5］GB2706 交流高壓電器動熱穩(wěn)定試驗方法.

［6］GB11021 電氣絕緣的耐熱性評定和分級.

［7］GB763 交流高壓電器在長期工作時的發(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化及運行管理方面的工作。

劉謀，男，工程師，主要從事水電廠電氣自動化及運行管理方面的工作。