共箱式封闭母线在三门峡水电站4号机组中的设计与应用

2016-10-13三门峡黄河明珠集团有限公司张哂昭

电子世界 2016年17期

关键词：箱式三门峡水电站

三门峡黄河明珠（集团）有限公司张哂昭刘谋

三门峡黄河明珠（集团）有限公司张哂昭刘谋

首先对三门峡水电站机压母线在实际运行中的现状进行了讨论，分析了现有输电设备的优缺点；文中介绍了三门峡水电站4号机组共箱式封闭母线的设计，主要包括母线的选型、载流核算、结构配置和功能，并简要分析了封闭母线的特型设计及制造安装工艺。

共箱封母；金具；扩大单元；高短路强度；稳态短路电流

0　引言

三门峡水电站现安装7台水轮发电机组，目前总装机容量为430MW，其中，4#、5#机采用扩大单元接线，原有主引出线采用裸槽型铝母线2X［125×55×6.5］，主变低压侧主母线采用2X［200×90×12］裸槽型铝母线。经计算复核，原有10.5kV母线的载流量已经不能满足要求。

依据三门峡水电站2～5号机组改造工程计划安排，在机组改造期间，对10.5KV母线进行更换。经多方深入调研，根据机组的容量和安装场地的实际情况，选择采用共箱式封闭母线。

1. 设备现状及载流计算

1.1机压母线现状介绍

三门峡水电站建有110kV、220kV开关站各一座，4号、5号发电机组采用扩大单元接线，机组10.5KV引出母线采用裸槽型铝母线，可靠性低，曾多次出现由于雨水渗入或坝体渗水造成接地故障。

1.2母线载流量核算

三门峡水电站4号、5号机组单机主引出线采用槽型铝母线，当1#～5#机组均增容至60MW，此时单机主引出线电流为Ig=3881A，根据《水电站机电设计手册》（电气一次）关于敞露式母线设计，考虑环境温度40℃，此处槽型铝母线长期允许载流量为Ixu=3742A，可见Ixu≤Ig，不满足载流量要求，同理机组扩大单元汇流母线处的长期允许载流量为Ixu=7128A，可见Ixu≤2×Ig，不满足载流量要求。

1.3短路电流计算

根据三门峡水电站接线，核算短路电流：220kV系统Sj=100MVA，则基准电流为：

220KV侧：Uj=230KV，Ij=0.251kA，10.5KV侧：Uj=10.5KV，Ij=5.50kA；

大方式下系统电抗：正序Xs.max=0.01266；零序Xso. max=0.03146；

小方式下系统电抗：正序Xs.min=0.16021；零序Xso. min=0.14952。

网络图：

1.3.1正序最大运行方式

1）K1点发生三相短路：

2）K2点发生三相短路：

1.3.2最小运行方式

1）K1点发生三相短路发电机侧：

两相短路折算到10.5kV：

系统侧：

三相短路：

两相短路：

K1点总的短路电流：

2）K2点发生三相短路

综上可知：可简化计算，认为发电机出口10.5kV母线对自用变低压侧短路为无穷大系统，

2. 母线及设备选型

根据三门峡水电站机组的容量和安装场地的实际情况，初步提出了两种母线形式，全绝缘铜管母线和共箱封闭母线。并专门组织人员对其它水电站的母线改造进行了调研。

2.1全绝缘铜管母线和共箱封闭母线的优缺点

全绝缘铜管母线的优点：具有载流量大、导电能力强、机械强度高、集肤效应低、功率损耗小、散热条件好、安装方便等优点。适合于电流较大的10-35KV电压等级变电站与发电机母线。

全绝缘铜管母线的缺点：该型母线在电力系统应用时间短，由于全绝缘铜管母线最早应用是2002年以后，在电力系统大量应用是2007年以后。暂时还没有专门的国家标准、行业标准，目前全绝缘铜管母线是参照原高压母线标准和高压电缆标准执行。全绝缘铜管母线的绝缘层一旦老化击穿，故障点查找很困难。

共箱封闭母线的优点：导体采用槽铜，结构紧凑、安装方便、运行维护工作量小，防护等级为IP54，可消除外界潮气灰尘以及外物引起的接地故障。已大量应用于电力行业，相应的国家、行业标准和规范比较完整，产品的质量有保证。

共箱封闭母线的缺点：对室内安装场地的高度和空间尺寸要求相对较大，特别是改造工程，土建设施、厂房的空间尺寸已经确定且不可更改。要采用共箱封闭母线，就要求设计单位对厂房、母线室进行更详细的测量。

2.2调研与现场测量

为了确保共箱封闭母线在三门峡水电站能改造成功，我们选择单机容量相同并已经将母线改造为共箱封闭母线的富春江水电站进行了调研。并通过对三门峡水电站厂房、母线室进行测量和电气计算，确定三门峡水电站母线改造中，发电机主引出线采用5000A共箱封闭母线，分支引出线采用1500A共箱封闭母线。

2.3母线的型式试验

2.3.1型式试验的参数确定

按照电力系统最新提供的系统阻抗，通过短路计算可知，在4#、5#机扩大单元的分支引线上（短路计算中为K2点）发生三相短路时，最大短路电流为81.84KA；在主母线上发生三相短路时，最大短路电流为68KA。

按照短路计算的结果，确定主母线（5000A）封闭母线热稳定电流（2s）（有效值）70kA，动稳定电流（峰值）为178kA ；分支引出线（1500A）热稳定电流（2s）（有效值）90kA，动稳定电流（峰值）为230kA 。额定电流大的主母线短路电流小，额定电流小的分支引线短路电流反而大。和制造厂家常规的设备参数不配套，无法直接选用。为保证共箱母线设备能安全可靠运行，需按照新的参数设计和制造，并重新进行封闭母线的型式试验。

2.3.2特殊母线结构改进

三门峡水电站4#、5#机采用扩大单元接线，经4#主变压器接入220kV开关站。按照电力系统最新提供的系统阻抗，通过短路计算可知，在4#、5#机扩大单元的10.5KV分支引出线（1500A）上发生三相短路时，最大稳态短路电流82KA；热稳定电流（2s）（有效值）90kA，动稳定电流（峰值）为230kA。GB/T8349-2000 中规定的标准母线的热稳定电流最大做到63KA，制造厂家常规的母线定型试验也只做到63KA，无法直接选用。

为保证共箱母线设备能在三门峡电站安全可靠运行，经与设计单位、制造厂家共同讨论分析，对母线设计进行了以下特殊设计：增大分支母线支持瓷瓶抗弯强度；减小瓷瓶档距；母线采用平方方式；增加母线截面积；增加箱体空间。在制造出样品后，进行封闭母线的型式试验，经国家电器产品质量监督检验中心对厂家提供的特型母线进行检验，得出结论，此次设计的特型母线符合相关标准及产品技术文件的规定，检验结果合格，可满足使用要求。

3. 项目实施

按公司的规划安排，三门峡水电站4#机组改造改造总工期为1年，共箱式封闭母线及机压配电设备改造工作在期间进行。

由于共箱封闭母线整体较长，在三门峡水电站三角母线室、284层母线室狭小空间安装运输带来不便，母线其在制造厂做若干分段，到现场后将各分段母线用螺栓连接起来，箱体的支持采用支撑和吊装，连接螺栓采用无磁材料。钢横梁则支持或吊装与工地预埋件钢架上。各段母线间或各段箱体间采用螺栓连接，在一定长度范围内，其能满足箱体在一定范围内的误差，母线导体与设备端子导电接触面镀银或搪锡，其间用带接头的铜编织线作为伸缩连接件。

4. 成果的先进性和创新点

1）共箱式封闭母线首次应用在扩大单元接线方式大短路电流的分支母线上，作为国内首例，可为其它电站母线的改造提供了参考。

国标（GB/T8349-2000）中常规的封闭母线热稳定电流也只做到63KA，动稳定电流（峰值）只能做到160KA，此次改造无法直接选用，为保证共箱母线设备安全，分支母线采用加强型绝缘子，母线导体采用平放方式，缩小绝缘子之间跨距，增大母线截面积；经型式试验，作为国内首例应用在扩大单元接线方式大短路电流的分支母线上。

2）针对三门峡水电站4号机组机压母线空间特点，做出特型设计与制造，与现场安装空间紧密配合，便于设备安装和后期维护，在保证运行可靠的同时，使设备现场更加简洁美观。在本次封母改造项目中，有针对性的设计，采用箱内T型设计，合理布局封闭母线箱体检修孔，在适宜位置预留短接板安装点、地线悬挂点，发电机出口端CT安装尽量靠近发电机出线与母线连接的可拆接口处发电机与母线连接处外壳四面可拆，中性点母线侧面、顶面设置可拆卸面板；

3）针对三门峡4号机段母线安装原设备位置固定、空间狭小的特殊情况，采用二次测量制作、单点起吊顺序轨道运输等新的安装工艺。

在封母安装过程中，考虑到三角母线室的空间布局，将单节5000A母线长度控制在4m以内，通过后期现场测量变更软连接长度或者预留封母拐角最后定位安装经来实现误差的修正。