分相绝缘铜管母线在中小型水轮发电机出线回路的应用

2015-06-13陈丹燕邹晓春

小水电 2015年4期

关键词：水轮铜管出线

陈丹燕，王勇，邹晓春

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州?贵阳?550081)

分相绝缘铜管母线在中小型水轮发电机出线回路的应用

陈丹燕，王勇，邹晓春

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州?贵阳?550081)

结合石垭子水电站工程简要介绍了各型母线以及分相绝缘铜管母线的结构特点，通过比选将分相绝缘铜管母线应用于水轮发电机组发电机电压回路，为中小型水电机组发电机电压母线的选型提供了借鉴和参考。图5幅，表1个。

中小型水电站；水轮发电机；分相绝缘铜管母线；出线回路

1 工程概况

石垭子电站位于贵州省务川县，属于中型水电站，装机容量为2×70 MW，保证出力为26.1 MW，多年平均发电量为4.782亿kW·h，年利用小时数为3 416 h，具有季调节能力。电站以220 kV出线电压等级接入系统，发电机变压器组采用单元接线，220 kV侧为单母线接线。

电站为地下式厂房，其洞室结构主要由主厂房和左、右副厂房组成。主机间长30 m，宽度21.2 m，布置有2台机组，其间距为14.5 m；安装间长20.15 m，宽度21.2 m；右副厂房长29.4 m，左副厂房长12.4 m。主厂房分为尾水管层(EL404.4 m)、蜗壳层(EL408.6 m)、水轮机层(EL412.8 m)、出线层(EL416.5 m)、发电机层(EL420.8 m)。主变压器室布置在与安装间同高程(EL420.8 m)的厂房进口处洞内，其上EL432.9 m为220 kV GIS室，出线平台位于厂房左侧EL475.64 m出线窑洞内。

2 水轮发电机组出线回路母线的选择

中小型水轮发电机组出线回路母线可选择共箱母线、浇注式绝缘母线、母排、分相绝缘铜管母线、电力电缆等。石垭子水电站水轮发电机额定功率为70 MW，发电机出口额定电压为10.5 kV，额定电流为4 528 A，发电机出线回路额定电流较大。若选用电缆，需采用多根电缆并联，敷设、安装、维护等较困难；若采用矩形母线，需采用多根母排并联，集肤效应系数较大，电流分布不匀，引起的附加损耗较大，造成其载流能力下降，在技术、结构上较难满足母线发热及电动力的要求；若采用槽型母线，母线支持、悬吊钢构架及母线附近混凝土柱、楼板、基础内的钢筋在交变磁场中感应涡流会引起发热，且槽型母线没有外壳屏蔽层，母线周围钢构发热及故障时，母线间的短路电动力大，很难满足要求；而浇注式绝缘母线导体电流较大时，需设置屏蔽外壳，造价较高，布置安装空间较大，不适用于本电站。因此，本工程推荐选用分相绝缘铜管母线，其优点如下：

(1)分相绝缘铜管母线为空心导体，表面积大，导体表面电流密度分布均匀，单位截面载流量较矩形母线大。本工程采用分相绝缘铜管母线，是规格为φ100×10 mm、截面积为2 827 mm2的铜管导体；若采用矩形母线，需采用3片规格为120×10、截面积为3 600 mm2的铜排，且矩形母线温升已超过50 K。故分相绝缘铜管母线更适用于工作电流较大的中小型水轮发电机出线回路。

(2)分相绝缘铜管母线为圆形表面，电荷依几何形状呈均匀分布，集肤效应系数小于1，交流电阻小，母线的能损较小。矩形母线由于存在棱角，其棱角处表面容易聚集电荷，从而形成高场强区并引起母线局部发热。若使用多片矩形导体并联，片数越多，集肤效应系数越大，单位截面积的有效载流量越小；由于电磁场的作用，会导致片与片之间电流分布不均匀，且附加损耗增大，母线温升提高，材料的利用率降低，能损增加以及母线运行寿命缩短。

(3)分相绝缘铜管母线外层结构采用多重绝缘材料，屏蔽材料相互交替形成绝缘层，电位从里到外径向方向逐层降低，最外表层电位为零。多重屏蔽层保证了每层绝缘层表面的电荷分布均匀，避免了局部放电及其他相母线电磁场的影响。主绝缘材料使用聚四氟乙烯，具有良好的电气绝缘性能和化学稳定性，介质损耗小、阻燃、耐老化、使用寿命长；可耐受2 000 V电压，且耐高、低温(±250 ℃)。

(4)分相绝缘铜管母线由于其几何形状的特点，可承受的短路电动力远大于矩形母线。最大跨距能达到9 m，若采用加固钢架结构支撑，最大跨距能达到14 m，减少了矩形母线所需的支撑绝缘子、母线金具及钢结构支架。

(5)分相绝缘铜管母线终端连接头及中间接头均采用了模压成型平面连接技术，受力均匀，接触表面积大于导体截面的10倍，确保母线连接可靠、安全运行。采用在工厂加工成型可保证各部件的加工质量和精度，简化了现场组装的工作量，从而亦可保证母线的安全可靠运行。

3 技术参数

本工程采用的分相绝缘铜管母线主要技术参数如下所示(见表1)。

表1 分相绝缘铜管母线主要技术参数

4 分相绝缘铜管母线的结构特点

分相绝缘铜管母线为圆柱形电容结构形式，从内到外依次为：导电铜管、半导电层、主绝缘层、半导电层、屏蔽层、热缩绝缘管、绝缘护套管。

分相绝缘铜管母线工作电流较大，需采用纯度为99.99%的T2无缝冷拉铜管，母线可承受的载流量大、动热稳定电流高。当温升达到80 K时，母线仍能稳定运行。屏蔽层使用非金属半导电材料，韧性超强、质地柔软，不会形成尖端放电，不受热胀冷缩影响；而且包绕紧密，不会在绝缘层形成过多气泡，局放极小，为母线的长期安全运行提供了可靠保证。主绝缘原材料采用聚四氟乙烯，电气绝缘性能好，化学性质稳定，介质损耗小，阻燃，耐老化，可在-250～+250 ℃环境中工作，使用寿命可达40 a。屏蔽层的绝缘外护层采用热缩绝缘管和绝缘护套管共2层，可防止水和潮气的侵入。

5 分相绝缘铜管母线的布置

发电机出线回路母线从发电机风罩引出、经出线层、通过右副厂房，穿过副厂房楼板，再经竖井引至主变压器低压侧。主变压器布置在与安装间同高程的厂房进口处洞内。220 kV高压配电装置采用GIS设备，布置于主变压器室上部，出线采用220 kV干式电缆经电缆竖井引至出线窑洞内，再经架空线引出与电力网联接。

若发电机电压母线采用共箱母线(见图1～图3)，则外形尺寸为1.2 m×0.6 m(宽×高)。受进厂交通洞及水轮发电机组的限制，主厂房宽度为19.2 m，水轮机层为EL411.7 m，出线层为EL416.5 m，发电机层为EL420.8 m。

由图1～图3可看出：出线层高不够，发电机断路器柜需布置在水轮机层，共箱母线与发电机断路器柜、主变低压侧连接需两次穿出线层楼板，在主变室下部需开挖共箱母线夹层。

图1 机组中心纵剖面示意

图2 出线层平面示意

图3 水轮机层平面示意

电站采用了分相绝缘铜管母线，发电机出线层净高3.05 m，发电机断路器柜柜高2.65 m，管型母线外径φ120 mm，中心对地距离2.87 m，相间距离0.3 m。主引出线从发电机风罩-X方向引出，至EL416.5 m高程右副厂房发电机断路器柜顶部，延伸至柜内与母线连接，经发电机出线隔离柜柜顶到主变低压侧。在竖井段及1号主变段采用两层布置，层间距离0.3 m。主厂房宽度调整为17.2 m，取消了主变室下部共箱母线夹层(见图4、图5)。

由图4和图5可看出，采用分相绝缘铜管母线布置安装所需空间较小，发电机到主变压器间的母线距离缩短，可节约土建投资。

6 结语

中小型水轮发电机组大电流出线回路母线采用分相绝缘铜管型母线，可节省母线导体铜材，载流量大、集肤效应小、温升低、机械强度高、电气绝缘性能好、抗震性强、抗环境干扰强。母线架构与夹具为工厂制造、生产的成型件，可保证各部件的加工质量和精度，简化了现场组装的工作量，从而亦可保证母线的安全可靠运行，可适用于布置空间狭小的厂房。