高位布置汽轮机组离相封闭母线薄弱点分析

赵明远，李延兵

（陕西国华锦界能源有限责任公司，陕西 榆林 719319）

1 概述

陕西国华锦界能源有限责任公司（简称“锦界电厂”）三期工程安装2 台660 MW 汽轮发电机组，为国内首套高位布置汽轮发电机组，工程采用发电机-变压器组单元接线，高压厂用工作变压器、励磁变压器、发电机出口TV 柜等从发电机与主变压器之间的主回路封闭母线上T 接。锦界电厂发电机出口至主变压器采用了高垂度、长距离离相封闭母线，母线从发电机引出形成一段较高垂直段离相封闭母线，再经A 列墙引出户外，经过长距离水平布置离相封闭母线连接到主变压器低压侧。离相封闭母线为全连式、自然冷却、微正压充气离相封闭母线，额定电压20 k V，额定电流25 k A，动稳定电流400 k A，2 s热稳定电流160 k A，泄漏比距≥31.8 mm/k V，外壳直径及厚度ϕ1 450 mm×11 mm，导体形式:ϕ900 mm×16 mm，导体及外壳材质均为铝。

鉴于长距离高垂直度离相封闭母线在国内火力发电机组尚属首次应用，由此带来的封闭母线辐射散热、应力受力等诸多领域的技术问题需在设计安装阶段进行分析研究[1]，找出影响此类布置后设备安全运行的薄弱点，制定应对措施，避免产生设备异常。

2 高垂度长距离离相母线结构

离相封闭母线自高65 m 汽轮机房的发电机引出后，通过水平布置经励磁变压器、TV 及避雷器柜，再向下通过落差达到50 m 高度的垂直离相封闭母线经A 列墙引出户外与主变压器低压侧相连。主回路离相封闭母线垂直安装段较高，整段离相封闭母线长度达181 m。为避免垂直段离相母线所用绝缘子不受剪切力的作用，将垂直离相母线设计为T 接分支支撑形式，每个母线单元为1个T 接支撑形式加1个常规三支柱绝缘子布置形式，现场安装时再焊接为整体。

锦界电厂三期常规离相母线绝缘子水平段母线导体支撑形式为在同一断面上用3个支撑绝缘子支撑，每个绝缘子之间相差120°角（如图1 所示）。导体向下的重力荷载分布在底部2个绝缘子上，单个绝缘子抗弯强度满足受力要求。绝缘子与导体之间靠弹性块支撑，绝缘子固定在底板上。当温度变化产生伸缩时，由于导体与绝缘子之间不是固定形式，导体可自由滑动。

图1 水平段离相母线绝缘子支撑结构

3 薄弱点分析及应对措施

3.1 垂直段绝缘子受剪切力易发生断裂

3.1.1 应力受力

常规的600 MW 机组配套的离相封闭母线均采用三支柱绝缘子支撑方案，3个绝缘子在空间以彼此相差120°角，并成水平“Y”字形布置。根据力的分解可知，支撑绝缘子受导体向下的垂直力，支撑绝缘子底座受向上的反作用力，2个力大小相等、方向相反，这种布置方式会造成垂直段绝缘子支撑座长期受到剪切力的作用，长期作用下会造成底座螺栓断裂失效，最终导致导体下垂事故的发生。

3.1.2 应对措施

对长距离垂直离相母线采用绝缘子垂直受力形式固定，避免绝缘子剪切受力。在垂直方向，将母线重力均匀分担在两边T 接分支母线的绝缘子支撑结构上；外壳采用槽钢抱箍通过横担钢梁与土建固定。经模拟受力分析，导体中间开孔安装横担钢梁，钢梁垂直压在两侧布置绝缘子的水泥基础上（见图2），此结构可满足母线承受重力，4个绝缘子同时受力，保证绝缘子受力均匀。为确保安全，每个楼层加一组垂直支撑结构。绝缘子选用材质为优质DMC，高度为275 mm，采用爬电距离为600 mm 的大爬距绝缘子，抗弯强度为10 k N，1 min工频耐受压力为85 k N。

图2 垂直段离相母线绝缘子支撑结构

3.2 高垂直段导体散热不佳

3.2.1 热力分析

全连式离相母线导体通电时，外壳上将产生一个方向相反，几乎与母线导体上流过电流相等的感应电流。由于铝制的导体和外壳存在电阻，母线通过电流将产生电能损耗而引起发热。在锦界电厂三期项目中，垂直段封闭母线达50 m，导体散热不佳，易产生烟囱效应[2]，若不采取应对措施，封闭母线底部的热量易与顶部产生对流效应，造成封闭母线垂直段顶部热量集中，封闭母线内外温差过大产生凝露，对设备绝缘带来隐患。

3.2.2 应对措施

对母线导体外表面和外壳内表面的黑度进行处理，增大其散热辐射面积，导体对外壳的对流散热按封闭夹层的自然对流散热。经过实际比例模型验证，长距离垂直封闭母线导体与外壳之间散热主要取决于辐射散热，各部分外壳的温度基本维持不变，不会发生形变。同时母线产生的热量通过辐射和自然对流散热传递给周围环境，最终在某个温度时达到热平衡。

在垂直段底部和顶部各安装一套封闭母线微正压装置，保证垂直段封闭母线底部和顶部压力一致，消除烟囱效应[3- 4]。

4 运行效果分析

4.1 受力结果分析

采用绝缘子垂直受力形式固定，固定点承受的导体总重力为7.056 k N。导体所受拉应力δ导体＝7.056 k N/44 412.2 mm2＝0.016 N/mm2＜δ铝允许＝50 N/mm2。基于ADAMS软件进行模拟受力分析，见图3。

从图3可以看出，锦界电厂三期工程垂直母线支撑结构受力分布均匀，变形微小，在不受力状态下，经模拟分析50 m 母线最大受力为65 k N，此结构可满足母线承受重力。母线长垂直支撑结构位移变形只有1×10-30mm，变形微小，可能忽略不计。

4.2 母线运行温度

母线损耗[5]

式中:RM为母线直流电阻；IM为母线运行电流；PM为母线损耗。

母线导体对外壳的传导散热[6]

式中:εn为系统黑度，因其表面都涂有无光泽黑漆的缘故。

母线导体对外壳的对流散热

式中:NμM为母线导体与外壳间空气传热的努谢尔特准则数；λM为介质的导热系数。

主回路导体直径DM＝900 mm，主回路导体厚度CM＝16 mm，主回路外壳直径DK＝1 450 mm，主回路外壳厚度CK＝11 mm，主回路额定电流IM＝25 k A，相间距离S＝1 800 mm。

将以上参数带入公式（1）—（3）得PM＝605.3 W/m，QMF＝504.7 W/m，QMD＝100.8 W/m。

PM＜QMF＋QMD

根据计算结果，当环境温度40 ℃、导体通过母线额定电流25 k A 和导体通过发电机额定电流21 170 A 时，垂直段每相单位长度外壳和导体的功率损耗、运行温度均满足国家标准要求[7- 8]。

经过对项目离相封闭母线模型验证，外壳的温度是在底部随着高度的增加而逐渐上升，到达一定高度后，外壳的温度基本维持不变；导体温度随高度的增加而逐渐上升，但整体温度变化不大，不超过2～5 ℃。

锦界电厂三期工程投运1 年来运行工况稳定，离相封闭母线外壳无明显受力变形现象，无漏气、漏水现象，外壳运行平均温度40 ℃，低于国家标准70 ℃的要求，运行良好。

5 结论与建议

国内首次应用汽轮机高位布置结构，没有经验可供借鉴。垂直离相封闭母线采用T 接分支，导体中间开孔安装横担钢梁，钢梁垂直压在两侧水泥基础的绝缘子上，可满足母线承受重力，绝缘子受力形式及受力效果良好，铝导体及外壳抗拉强度、焊缝强度均满足要求，符合标准。封闭母线垂直高度50 m 左右的自冷式离相封闭母线，在垂直段底部和顶部各安装一套微正压装置，可保证垂直段封闭母线底部和顶部压力一致，消除烟囱效应。

在后期汽轮机高位布置垂直母线工程中，建议采用以下措施消除薄弱点。

（1）垂直段母线安装在主厂房内，应根据不同高度的楼层，将各层的母线分段运到不同的楼层，从不同的楼层按从上而下的顺序安装，沿垂直母线设置检修爬梯，方便检修。

（2）离相封闭母线按照先户内后户外安装顺序原则安装，户内为先里后外，即按照母线总装配图安装就位，并进行尺寸调整，最后进行断口处连接[2]。

（3）外壳加强环及托板在厂内完成焊接，现场直接安装，减少现场安装的工作量。