三門峽黃河明珠（集團）有限公司 張哂昭 劉 謀

共箱式封閉母線在三門峽水電站4號機組中的設(shè)計與應(yīng)用

三門峽黃河明珠（集團）有限公司 張哂昭 劉 謀

首先對三門峽水電站機壓母線在實際運行中的現(xiàn)狀進行了討論，分析了現(xiàn)有輸電設(shè)備的優(yōu)缺點；文中介紹了三門峽水電站4號機組共箱式封閉母線的設(shè)計，主要包括母線的選型、載流核算、結(jié)構(gòu)配置和功能，并簡要分析了封閉母線的特型設(shè)計及制造安裝工藝。

共箱封母；金具；擴大單元；高短路強度；穩(wěn)態(tài)短路電流

0　引言

三門峽水電站現(xiàn)安裝7臺水輪發(fā)電機組，目前總裝機容量為430MW，其中，4#、5#機采用擴大單元接線，原有主引出線采用裸槽型鋁母線2X［125×55×6.5］，主變低壓側(cè)主母線采用2X［200×90×12］裸槽型鋁母線。經(jīng)計算復(fù)核，原有10.5kV母線的載流量已經(jīng)不能滿足要求。

依據(jù)三門峽水電站2～5號機組改造工程計劃安排，在機組改造期間，對10.5KV母線進行更換。經(jīng)多方深入調(diào)研，根據(jù)機組的容量和安裝場地的實際情況，選擇采用共箱式封閉母線。

1. 設(shè)備現(xiàn)狀及載流計算

1.1機壓母線現(xiàn)狀介紹

三門峽水電站建有110kV、220kV開關(guān)站各一座，4號、5號發(fā)電機組采用擴大單元接線，機組10.5KV引出母線采用裸槽型鋁母線，可靠性低，曾多次出現(xiàn)由于雨水滲入或壩體滲水造成接地故障。

1.2母線載流量核算

三門峽水電站4號、5號機組單機主引出線采用槽型鋁母線，當1#～5#機組均增容至60MW，此時單機主引出線電流為Ig=3881A，根據(jù)《水電站機電設(shè)計手冊》（電氣一次）關(guān)于敞露式母線設(shè)計，考慮環(huán)境溫度40℃，此處槽型鋁母線長期允許載流量為Ixu=3742A，可見Ixu≤Ig，不滿足載流量要求，同理機組擴大單元匯流母線處的長期允許載流量為Ixu=7128A，可見Ixu≤2×Ig，不滿足載流量要求。

1.3短路電流計算

根據(jù)三門峽水電站接線，核算短路電流：220kV系統(tǒng)Sj=100MVA，則基準電流為：

220KV側(cè)：Uj=230KV，Ij=0.251kA，10.5KV側(cè)：Uj=10.5KV，Ij=5.50kA；

大方式下系統(tǒng)電抗：正序Xs.max=0.01266；零序Xso. max=0.03146；

小方式下系統(tǒng)電抗：正序Xs.min=0.16021；零序Xso. min=0.14952。

網(wǎng)絡(luò)圖：

1.3.1正序最大運行方式

1）K1點發(fā)生三相短路：

2）K2點發(fā)生三相短路：

1.3.2最小運行方式

1）K1點發(fā)生三相短路發(fā)電機側(cè)：

兩相短路折算到10.5kV：

系統(tǒng)側(cè)：

三相短路：

兩相短路：

K1點總的短路電流：

2）K2點發(fā)生三相短路

綜上可知：可簡化計算，認為發(fā)電機出口10.5kV母線對自用變低壓側(cè)短路為無窮大系統(tǒng)，

2. 母線及設(shè)備選型

根據(jù)三門峽水電站機組的容量和安裝場地的實際情況，初步提出了兩種母線形式，全絕緣銅管母線和共箱封閉母線。并專門組織人員對其它水電站的母線改造進行了調(diào)研。

2.1全絕緣銅管母線和共箱封閉母線的優(yōu)缺點

全絕緣銅管母線的優(yōu)點：具有載流量大、導(dǎo)電能力強、機械強度高、集膚效應(yīng)低、功率損耗小、散熱條件好、安裝方便等優(yōu)點。適合于電流較大的10-35KV電壓等級變電站與發(fā)電機母線。

全絕緣銅管母線的缺點：該型母線在電力系統(tǒng)應(yīng)用時間短，由于全絕緣銅管母線最早應(yīng)用是2002年以后，在電力系統(tǒng)大量應(yīng)用是2007年以后。暫時還沒有專門的國家標準、行業(yè)標準，目前全絕緣銅管母線是參照原高壓母線標準和高壓電纜標準執(zhí)行。全絕緣銅管母線的絕緣層一旦老化擊穿，故障點查找很困難。

共箱封閉母線的優(yōu)點：導(dǎo)體采用槽銅，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、運行維護工作量小，防護等級為IP54，可消除外界潮氣灰塵以及外物引起的接地故障。已大量應(yīng)用于電力行業(yè)，相應(yīng)的國家、行業(yè)標準和規(guī)范比較完整，產(chǎn)品的質(zhì)量有保證。

共箱封閉母線的缺點：對室內(nèi)安裝場地的高度和空間尺寸要求相對較大，特別是改造工程，土建設(shè)施、廠房的空間尺寸已經(jīng)確定且不可更改。要采用共箱封閉母線，就要求設(shè)計單位對廠房、母線室進行更詳細的測量。

2.2調(diào)研與現(xiàn)場測量

為了確保共箱封閉母線在三門峽水電站能改造成功，我們選擇單機容量相同并已經(jīng)將母線改造為共箱封閉母線的富春江水電站進行了調(diào)研。并通過對三門峽水電站廠房、母線室進行測量和電氣計算，確定三門峽水電站母線改造中，發(fā)電機主引出線采用5000A共箱封閉母線，分支引出線采用1500A共箱封閉母線。

2.3母線的型式試驗

2.3.1型式試驗的參數(shù)確定

按照電力系統(tǒng)最新提供的系統(tǒng)阻抗，通過短路計算可知，在4#、5#機擴大單元的分支引線上（短路計算中為K2點）發(fā)生三相短路時，最大短路電流為81.84KA；在主母線上發(fā)生三相短路時，最大短路電流為68KA。

按照短路計算的結(jié)果，確定主母線（5000A）封閉母線熱穩(wěn)定電流（2s）（有效值）70kA，動穩(wěn)定電流（峰值）為178kA ；分支引出線（1500A）熱穩(wěn)定電流（2s）（有效值）90kA，動穩(wěn)定電流（峰值）為230kA 。額定電流大的主母線短路電流小，額定電流小的分支引線短路電流反而大。和制造廠家常規(guī)的設(shè)備參數(shù)不配套，無法直接選用。為保證共箱母線設(shè)備能安全可靠運行，需按照新的參數(shù)設(shè)計和制造，并重新進行封閉母線的型式試驗。

2.3.2特殊母線結(jié)構(gòu)改進

三門峽水電站4#、5#機采用擴大單元接線，經(jīng)4#主變壓器接入220kV開關(guān)站。按照電力系統(tǒng)最新提供的系統(tǒng)阻抗，通過短路計算可知，在4#、5#機擴大單元的10.5KV分支引出線（1500A）上發(fā)生三相短路時，最大穩(wěn)態(tài)短路電流82KA；熱穩(wěn)定電流（2s）（有效值）90kA，動穩(wěn)定電流（峰值）為230kA。GB/T8349-2000 中規(guī)定的標準母線的熱穩(wěn)定電流最大做到63KA，制造廠家常規(guī)的母線定型試驗也只做到63KA，無法直接選用。

為保證共箱母線設(shè)備能在三門峽電站安全可靠運行，經(jīng)與設(shè)計單位、制造廠家共同討論分析，對母線設(shè)計進行了以下特殊設(shè)計：增大分支母線支持瓷瓶抗彎強度；減小瓷瓶檔距；母線采用平方方式；增加母線截面積；增加箱體空間。在制造出樣品后，進行封閉母線的型式試驗，經(jīng)國家電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對廠家提供的特型母線進行檢驗，得出結(jié)論，此次設(shè)計的特型母線符合相關(guān)標準及產(chǎn)品技術(shù)文件的規(guī)定，檢驗結(jié)果合格，可滿足使用要求。

3. 項目實施

按公司的規(guī)劃安排，三門峽水電站4#機組改造改造總工期為1年，共箱式封閉母線及機壓配電設(shè)備改造工作在期間進行。

由于共箱封閉母線整體較長，在三門峽水電站三角母線室、284層母線室狹小空間安裝運輸帶來不便，母線其在制造廠做若干分段，到現(xiàn)場后將各分段母線用螺栓連接起來，箱體的支持采用支撐和吊裝，連接螺栓采用無磁材料。鋼橫梁則支持或吊裝與工地預(yù)埋件鋼架上。各段母線間或各段箱體間采用螺栓連接，在一定長度范圍內(nèi)，其能滿足箱體在一定范圍內(nèi)的誤差，母線導(dǎo)體與設(shè)備端子導(dǎo)電接觸面鍍銀或搪錫，其間用帶接頭的銅編織線作為伸縮連接件。

4. 成果的先進性和創(chuàng)新點

1）共箱式封閉母線首次應(yīng)用在擴大單元接線方式大短路電流的分支母線上，作為國內(nèi)首例，可為其它電站母線的改造提供了參考。

國標（GB/T8349-2000）中常規(guī)的封閉母線熱穩(wěn)定電流也只做到63KA，動穩(wěn)定電流（峰值）只能做到160KA，此次改造無法直接選用，為保證共箱母線設(shè)備安全，分支母線采用加強型絕緣子，母線導(dǎo)體采用平放方式，縮小絕緣子之間跨距，增大母線截面積；經(jīng)型式試驗，作為國內(nèi)首例應(yīng)用在擴大單元接線方式大短路電流的分支母線上。

2）針對三門峽水電站4號機組機壓母線空間特點，做出特型設(shè)計與制造，與現(xiàn)場安裝空間緊密配合，便于設(shè)備安裝和后期維護，在保證運行可靠的同時，使設(shè)備現(xiàn)場更加簡潔美觀。在本次封母改造項目中，有針對性的設(shè)計，采用箱內(nèi)T型設(shè)計，合理布局封閉母線箱體檢修孔，在適宜位置預(yù)留短接板安裝點、地線懸掛點，發(fā)電機出口端CT安裝盡量靠近發(fā)電機出線與母線連接的可拆接口處發(fā)電機與母線連接處外殼四面可拆，中性點母線側(cè)面、頂面設(shè)置可拆卸面板；

3）針對三門峽4號機段母線安裝原設(shè)備位置固定、空間狹小的特殊情況，采用二次測量制作、單點起吊順序軌道運輸?shù)刃碌陌惭b工藝。

在封母安裝過程中，考慮到三角母線室的空間布局，將單節(jié)5000A母線長度控制在4m以內(nèi)，通過后期現(xiàn)場測量變更軟連接長度或者預(yù)留封母拐角最后定位安裝經(jīng)來實現(xiàn)誤差的修正。

5. 結(jié)語

目前，三門峽水電站4號機組經(jīng)增容改造后，共箱式封閉母線已正式投入運行接近兩年。實際運行證明，該改造項目規(guī)劃和設(shè)計合理，運行穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，為三門峽水電站的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)手段。

［1］GB156 標準電壓.

［2］GB311.1 高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合.

［3］GB/T8349-2000 金屬封閉母線.

［4］GB11032 交流無間隙金屬氧化物避雷器.

［5］GB2706 交流高壓電器動熱穩(wěn)定試驗方法.

［6］GB11021 電氣絕緣的耐熱性評定和分級.

［7］GB763 交流高壓電器在長期工作時的發(fā)熱.

［8］GB11022 高壓開關(guān)設(shè)備通用技術(shù)條件.

張哂昭，男，工程師，主要從事水電廠電氣自動化及運行管理方面的工作。

劉謀，男，工程師，主要從事水電廠電氣自動化及運行管理方面的工作。