高位布置汽輪機(jī)組離相封閉母線薄弱點(diǎn)分析

趙明遠(yuǎn)，李延兵

（陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719319）

1 概述

陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司（簡稱“錦界電廠”）三期工程安裝2 臺660 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，為國內(nèi)首套高位布置汽輪發(fā)電機(jī)組，工程采用發(fā)電機(jī)-變壓器組單元接線，高壓廠用工作變壓器、勵(lì)磁變壓器、發(fā)電機(jī)出口TV 柜等從發(fā)電機(jī)與主變壓器之間的主回路封閉母線上T 接。錦界電廠發(fā)電機(jī)出口至主變壓器采用了高垂度、長距離離相封閉母線，母線從發(fā)電機(jī)引出形成一段較高垂直段離相封閉母線，再經(jīng)A 列墻引出戶外，經(jīng)過長距離水平布置離相封閉母線連接到主變壓器低壓側(cè)。離相封閉母線為全連式、自然冷卻、微正壓充氣離相封閉母線，額定電壓20 k V，額定電流25 k A，動穩(wěn)定電流400 k A，2 s熱穩(wěn)定電流160 k A，泄漏比距≥31.8 mm/k V，外殼直徑及厚度?1 450 mm×11 mm，導(dǎo)體形式:?900 mm×16 mm，導(dǎo)體及外殼材質(zhì)均為鋁。

鑒于長距離高垂直度離相封閉母線在國內(nèi)火力發(fā)電機(jī)組尚屬首次應(yīng)用，由此帶來的封閉母線輻射散熱、應(yīng)力受力等諸多領(lǐng)域的技術(shù)問題需在設(shè)計(jì)安裝階段進(jìn)行分析研究[1]，找出影響此類布置后設(shè)備安全運(yùn)行的薄弱點(diǎn)，制定應(yīng)對措施，避免產(chǎn)生設(shè)備異常。

2 高垂度長距離離相母線結(jié)構(gòu)

離相封閉母線自高65 m 汽輪機(jī)房的發(fā)電機(jī)引出后，通過水平布置經(jīng)勵(lì)磁變壓器、TV 及避雷器柜，再向下通過落差達(dá)到50 m 高度的垂直離相封閉母線經(jīng)A 列墻引出戶外與主變壓器低壓側(cè)相連。主回路離相封閉母線垂直安裝段較高，整段離相封閉母線長度達(dá)181 m。為避免垂直段離相母線所用絕緣子不受剪切力的作用，將垂直離相母線設(shè)計(jì)為T 接分支支撐形式，每個(gè)母線單元為1個(gè)T 接支撐形式加1個(gè)常規(guī)三支柱絕緣子布置形式，現(xiàn)場安裝時(shí)再焊接為整體。

錦界電廠三期常規(guī)離相母線絕緣子水平段母線導(dǎo)體支撐形式為在同一斷面上用3個(gè)支撐絕緣子支撐，每個(gè)絕緣子之間相差120°角（如圖1 所示）。導(dǎo)體向下的重力荷載分布在底部2個(gè)絕緣子上，單個(gè)絕緣子抗彎強(qiáng)度滿足受力要求。絕緣子與導(dǎo)體之間靠彈性塊支撐，絕緣子固定在底板上。當(dāng)溫度變化產(chǎn)生伸縮時(shí)，由于導(dǎo)體與絕緣子之間不是固定形式，導(dǎo)體可自由滑動。

圖1 水平段離相母線絕緣子支撐結(jié)構(gòu)

3 薄弱點(diǎn)分析及應(yīng)對措施

3.1 垂直段絕緣子受剪切力易發(fā)生斷裂

3.1.1 應(yīng)力受力

常規(guī)的600 MW 機(jī)組配套的離相封閉母線均采用三支柱絕緣子支撐方案，3個(gè)絕緣子在空間以彼此相差120°角，并成水平“Y”字形布置。根據(jù)力的分解可知，支撐絕緣子受導(dǎo)體向下的垂直力，支撐絕緣子底座受向上的反作用力，2個(gè)力大小相等、方向相反，這種布置方式會造成垂直段絕緣子支撐座長期受到剪切力的作用，長期作用下會造成底座螺栓斷裂失效，最終導(dǎo)致導(dǎo)體下垂事故的發(fā)生。

3.1.2 應(yīng)對措施

對長距離垂直離相母線采用絕緣子垂直受力形式固定，避免絕緣子剪切受力。在垂直方向，將母線重力均勻分擔(dān)在兩邊T 接分支母線的絕緣子支撐結(jié)構(gòu)上；外殼采用槽鋼抱箍通過橫擔(dān)鋼梁與土建固定。經(jīng)模擬受力分析，導(dǎo)體中間開孔安裝橫擔(dān)鋼梁，鋼梁垂直壓在兩側(cè)布置絕緣子的水泥基礎(chǔ)上（見圖2），此結(jié)構(gòu)可滿足母線承受重力，4個(gè)絕緣子同時(shí)受力，保證絕緣子受力均勻。為確保安全，每個(gè)樓層加一組垂直支撐結(jié)構(gòu)。絕緣子選用材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)DMC，高度為275 mm，采用爬電距離為600 mm 的大爬距絕緣子，抗彎強(qiáng)度為10 k N，1 min工頻耐受壓力為85 k N。

圖2 垂直段離相母線絕緣子支撐結(jié)構(gòu)

3.2 高垂直段導(dǎo)體散熱不佳

3.2.1 熱力分析

全連式離相母線導(dǎo)體通電時(shí)，外殼上將產(chǎn)生一個(gè)方向相反，幾乎與母線導(dǎo)體上流過電流相等的感應(yīng)電流。由于鋁制的導(dǎo)體和外殼存在電阻，母線通過電流將產(chǎn)生電能損耗而引起發(fā)熱。在錦界電廠三期項(xiàng)目中，垂直段封閉母線達(dá)50 m，導(dǎo)體散熱不佳，易產(chǎn)生煙囪效應(yīng)[2]，若不采取應(yīng)對措施，封閉母線底部的熱量易與頂部產(chǎn)生對流效應(yīng)，造成封閉母線垂直段頂部熱量集中，封閉母線內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生凝露，對設(shè)備絕緣帶來隱患。

3.2.2 應(yīng)對措施

對母線導(dǎo)體外表面和外殼內(nèi)表面的黑度進(jìn)行處理，增大其散熱輻射面積，導(dǎo)體對外殼的對流散熱按封閉夾層的自然對流散熱。經(jīng)過實(shí)際比例模型驗(yàn)證，長距離垂直封閉母線導(dǎo)體與外殼之間散熱主要取決于輻射散熱，各部分外殼的溫度基本維持不變，不會發(fā)生形變。同時(shí)母線產(chǎn)生的熱量通過輻射和自然對流散熱傳遞給周圍環(huán)境，最終在某個(gè)溫度時(shí)達(dá)到熱平衡。

在垂直段底部和頂部各安裝一套封閉母線微正壓裝置，保證垂直段封閉母線底部和頂部壓力一致，消除煙囪效應(yīng)[3- 4]。

4 運(yùn)行效果分析

4.1 受力結(jié)果分析

采用絕緣子垂直受力形式固定，固定點(diǎn)承受的導(dǎo)體總重力為7.056 k N。導(dǎo)體所受拉應(yīng)力δ導(dǎo)體＝7.056 k N/44 412.2 mm2＝0.016 N/mm2＜δ鋁允許＝50 N/mm2?；贏DAMS軟件進(jìn)行模擬受力分析，見圖3。

從圖3可以看出，錦界電廠三期工程垂直母線支撐結(jié)構(gòu)受力分布均勻，變形微小，在不受力狀態(tài)下，經(jīng)模擬分析50 m 母線最大受力為65 k N，此結(jié)構(gòu)可滿足母線承受重力。母線長垂直支撐結(jié)構(gòu)位移變形只有1×10-30mm，變形微小，可能忽略不計(jì)。

4.2 母線運(yùn)行溫度

母線損耗[5]

式中:RM為母線直流電阻；IM為母線運(yùn)行電流；PM為母線損耗。

母線導(dǎo)體對外殼的傳導(dǎo)散熱[6]

式中:εn為系統(tǒng)黑度，因其表面都涂有無光澤黑漆的緣故。

母線導(dǎo)體對外殼的對流散熱

式中:NμM為母線導(dǎo)體與外殼間空氣傳熱的努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)；λM為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。

主回路導(dǎo)體直徑DM＝900 mm，主回路導(dǎo)體厚度CM＝16 mm，主回路外殼直徑DK＝1 450 mm，主回路外殼厚度CK＝11 mm，主回路額定電流IM＝25 k A，相間距離S＝1 800 mm。

將以上參數(shù)帶入公式（1）—（3）得PM＝605.3 W/m，QMF＝504.7 W/m，QMD＝100.8 W/m。

PM＜QMF＋QMD

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度40 ℃、導(dǎo)體通過母線額定電流25 k A 和導(dǎo)體通過發(fā)電機(jī)額定電流21 170 A 時(shí)，垂直段每相單位長度外殼和導(dǎo)體的功率損耗、運(yùn)行溫度均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求[7- 8]。

經(jīng)過對項(xiàng)目離相封閉母線模型驗(yàn)證，外殼的溫度是在底部隨著高度的增加而逐漸上升，到達(dá)一定高度后，外殼的溫度基本維持不變；導(dǎo)體溫度隨高度的增加而逐漸上升，但整體溫度變化不大，不超過2～5 ℃。

錦界電廠三期工程投運(yùn)1 年來運(yùn)行工況穩(wěn)定，離相封閉母線外殼無明顯受力變形現(xiàn)象，無漏氣、漏水現(xiàn)象，外殼運(yùn)行平均溫度40 ℃，低于國家標(biāo)準(zhǔn)70 ℃的要求，運(yùn)行良好。

5 結(jié)論與建議

國內(nèi)首次應(yīng)用汽輪機(jī)高位布置結(jié)構(gòu)，沒有經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。垂直離相封閉母線采用T 接分支，導(dǎo)體中間開孔安裝橫擔(dān)鋼梁，鋼梁垂直壓在兩側(cè)水泥基礎(chǔ)的絕緣子上，可滿足母線承受重力，絕緣子受力形式及受力效果良好，鋁導(dǎo)體及外殼抗拉強(qiáng)度、焊縫強(qiáng)度均滿足要求，符合標(biāo)準(zhǔn)。封閉母線垂直高度50 m 左右的自冷式離相封閉母線，在垂直段底部和頂部各安裝一套微正壓裝置，可保證垂直段封閉母線底部和頂部壓力一致，消除煙囪效應(yīng)。

在后期汽輪機(jī)高位布置垂直母線工程中，建議采用以下措施消除薄弱點(diǎn)。

（1）垂直段母線安裝在主廠房內(nèi)，應(yīng)根據(jù)不同高度的樓層，將各層的母線分段運(yùn)到不同的樓層，從不同的樓層按從上而下的順序安裝，沿垂直母線設(shè)置檢修爬梯，方便檢修。

（2）離相封閉母線按照先戶內(nèi)后戶外安裝順序原則安裝，戶內(nèi)為先里后外，即按照母線總裝配圖安裝就位，并進(jìn)行尺寸調(diào)整，最后進(jìn)行斷口處連接[2]。

（3）外殼加強(qiáng)環(huán)及托板在廠內(nèi)完成焊接，現(xiàn)場直接安裝，減少現(xiàn)場安裝的工作量。