發電機出口槽型母線支撐鋼構過熱原因分析與處理

王桂嶺，王雨川

（1.水利部海委引灤工程管理局，河北 遷西 064309；2.中水北方勘測設計研究有限公司，天津 300222）

1 鋼構過熱的出現

潘家口水電站為1980年發電的老水電站，其中1號機組為容量150 MW的常規機組，發電機出口電壓15.75 kV，定子額定電流達6 470 A。發電機出口母線采用的是鋁制槽型母線，其支撐采用的是工字鋼組成的鋼構支撐。當1號機組滿負荷發電運行時間較長后發現出口母線配電室的室溫比較高，通過用無線測溫儀仔細測量各個設備的溫度后發現支撐槽型母線的鋼構溫度普遍達到100～120 ℃以上，溫度最高的部位達到140 ℃。這說明室溫高是由于鋼構過熱造成的。

2 鋼構過熱分布規律

槽型母線采用敞露式槽型鋁母線，母線下部由工字鋼組成的鋼構支撐，這些鋼結構材料距離通過大電流的槽型母線很近，處于強烈的交變電磁場中，在強烈的電磁場感應作用下會在鋼構中產生渦流并最終在鋼構形成的環路中形成環流，使得支撐鋼構發熱嚴重，不少支撐鋼構溫度達到120 ℃以上。在三相母線空間交叉磁場集中的某些部位溫度高達140 ℃，其中的規律是母線稀疏的地方其支撐鋼構的溫度相對較低，母線越是交叉集中的位置支撐鋼構的溫度越高。這說明溫度高低與鋼構所處位置的磁場強度的高低有關。過高的溫度超過了規程中規定的人不可觸及的鋼構不能超過100 ℃的規定，而且這會造成大量電能損失，同時還造成周圍環境溫度明顯上升，使得整個配電室的溫度升高明顯，從而影響安裝在配電室的發電機出口開關和勵磁變壓器等重要電氣設備的散熱，嚴重影響了這些設備正常安全運行，最終影響到整個水輪發電機組的安全經濟穩定運行，必須想法解決這一安全隱患。

3 設計規程規定

《電氣工程電氣設計手冊》電氣一次部分中規定，發電機出口母線的截面積根據發電機容量和額定電壓、額定電流的不同而不同，隨著發電機容量的增加，發電機的額定電流越來越大，手冊規定當母線工作電流大于1 500 A時就要考慮鋼構發熱問題，不應使每相導體支撐鋼構及導體支撐夾板的零件構成閉合的磁路。

當工作電流大于4 000 A時，鋼構損耗可能接近或者超過導體本身的電阻形成的損耗，從而在磁滯損耗和電阻損失的疊加作用下引起鋼構過熱，危及人身安全和電器的正常工作，影響機組的安全經濟運行。因此對大電流母線附近的鋼構過熱應積極采取措施。

按照DL/T5222-2005《導體和電器的選擇設計技術規定》，額定電流大于4 000 A的裸導體的附近鋼構應避免構成閉合磁路或者裝設短路環等措施來降低鋼構中的渦流，從而減少環流，限制鋼構溫度升高的幅度。

表1 鋼構允許溫度表

從表1中可以看出人不可觸及的鋼構最高運行溫度為100 ℃，而1號機組的母線支撐鋼構已經嚴重超過了這個限值。

4 過熱原因分析

由電磁場理論得知在大型發電機組槽型母線周圍空間存在著強大的交變磁場，母線中的電流越大其產生的磁場越強，磁場隨著離開母線的距離由近及遠逐漸衰減。緊挨著母線的支撐鋼鐵構件處于這個交變強磁場中。母線周圍的絕緣子的金具、支撐母線的鋼梁、金屬管路、防護遮攔的鋼柱以及混凝土中的鋼筋都會因這強大的交變磁場而形成磁滯損耗和渦流損耗從而造成鋼鐵材料的設備發熱。如果鋼構組成有閉合回路還會因磁場感應形成的環流而引起鋼鐵構件附加發熱。鋼構中的損耗和發熱溫度隨著母線中電流的增加而急劇增高。鋼構表面的溫升和損耗成正比。

根據現場測量的具體溫度數值分布和母線的交叉情況可以分析得出，母線越集中的部位其支撐鋼構溫度越高，三相母線交叉空間匯聚的地方溫度最高。幾個溫度達到140 ℃的位置就是三相母線交叉最密集的地方，這可以用電磁場強度越強磁滯損耗越嚴重，渦流越大的電磁場理論來得到解釋。

5 過熱問題處理

發電廠電氣部分教科書中給出的減少鋼構損耗和發熱的措施有如下4條：

（1）加大鋼構和導體之間的距離，加大距離能使得鋼構周圍的磁場強度減弱，因而可以降低渦流和磁滯損耗。但對于已經進入運行期的水電站，這一條不好實施，因配電室已經形成已有空間，不允許再加大距離，即使空間足夠，實施起來成本也會很高。

（2）斷開鋼構閉合回路，并加上絕緣墊就能消除環流。這一個辦法對于已經發電運行的發電機也不容易實施，改造的部位太多，投資也大，

（3）采用電磁屏蔽，在磁場強度最大的部位套上短路環，利用短路環中感應電流的去磁作用降低導體的磁場。

（4）采用分相母線，每相母線分別用鋁制外殼包住。外殼上的渦流和環流能起到雙重屏蔽作用，殼內和殼外磁場均大大降低，從而附近鋼構發熱得到改善。現在的新建大型機組采用的離相封閉母線就是根據這條原理進行設計制造的，效果非常好，有效地解決了鋼構發熱問題。

我們早期投產的大型機組由于現場母線和鋼構已經成型，采用離相封閉母線改造成本過高，于是我們在現場采用了比較經濟實用的第3條措施，即采用電磁屏蔽，在幾個磁場強度最大的部位加裝鋁板制做的矩形短路環來封閉磁場，達到減少磁滯損耗和渦流損耗的目的。

我們設計了由5 m厚度的鋁板焊接成的矩形短路環將磁場比較集中的8處鋼構用兩頭開口的矩型鋁板封閉起來，原來溫度很高的鋼構被鋁板給包裹起來，讓原來母線中電流產生的磁力線路徑被鋁板擋住，只能沿鋁板走更長的路經才能形成閉合回路，這樣磁力線遇到的磁阻顯著增加，原來溫度高的部位的鋼構中的磁場強度就明顯減弱了，以前處于比較強烈交變磁場中的工字鋼鋼構輻射接受到的磁場強度就可以明顯減弱，在鋼構中的磁滯損失和渦流損耗明顯減少，也就減少了該部位的渦流進而減少鋼構中的環流，達到降低鋼構發熱程度的效果。具體封閉鋁板的尺寸為：厚度5 mm，長度500 mm，寬度由工字鋼的外形決定，做到貼緊包裹好工字鋼就好。如圖1所示。

圖1 鋁板包裹工字鋼

6 處理后降溫效果

經過用鋁板對磁場集中的幾個重點部位封閉后，在開機帶滿負荷150 MW幾個小時后測溫，發現降溫效果非常明顯，所有支撐鋼構的溫度都不同程度的有所降低，原來溫度高達140 ℃的鋼構部位經過鋁板封閉后溫度降至40 ℃左右，溫度降幅達到100 ℃，沒有被鋁板包裹的部位原來120 ℃左右的溫度也降低到了80 ℃左右。這使得鋼構各處的溫度均降低到符合規程規定，即人不可觸及的鋼構不超過100 ℃的規定，效果非常好。這既減少了大量的電能損耗，也降低了發電機出口配電室的環境溫度，使得發電機出口開關和勵磁用變壓器工作在一個較低溫度的環境，不會影響這些重要設備的正常運行，給安全穩定運行創造了良好的條件。

7 結論

現在新建的大型發電機多數采用離相封閉母線設計，完全避免了鋼構發熱的問題，但早期投產的發電機多數采用敞開式母線設計，如果現場溫度確實達到甚至超過規程規定的溫度，特別是當這樣的溫度嚴重影響到發電機出口配電室內其他重要設備的安全穩定運行時就可以采用這種辦法來解決。通過局部用鋁板封閉鋼構減少磁場集中部位的磁場強度從而達到降低過高溫度的效果，是解決此類問題的現實可行的辦法。比方法投資很少，效果卻非常明顯，希望對同行有所啟發和幫助。