李鴻路，楊 芳

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

隨著汽輪發(fā)電機(jī)組初參數(shù)的提高，高溫蒸汽管道系統(tǒng)的造價(jià)隨之增加，其投資費(fèi)用所占的比重隨之上升；工程中提出將汽輪發(fā)電機(jī)組布置于除氧間或煤倉(cāng)間上部的方式，該方案不僅可以顯著減少高溫管道長(zhǎng)度，降低高溫管道系統(tǒng)的造價(jià)，還可顯著減少排氣管道的長(zhǎng)度，從而降低機(jī)組的背壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)組煤耗的降低；同時(shí)，相應(yīng)減少汽機(jī)房的占地面積。

本文在基于上述汽輪發(fā)電機(jī)組高位布置的前提下，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)發(fā)電機(jī)出口長(zhǎng)距離垂直段離相封閉母線的支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與探討，對(duì)支持裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力計(jì)算、位移計(jì)算等方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 技術(shù)難點(diǎn)及路線

根據(jù)DL/T 5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[1]“7.4.6中對(duì)于較長(zhǎng)垂直段的離相封閉母線應(yīng)要求廠家進(jìn)行熱平衡計(jì)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)計(jì)及垂直段對(duì)溫升的影響，且整個(gè)垂直段部分的最高溫度點(diǎn)與最低溫度點(diǎn)溫度之差不得超過5 ℃”和“7.4.7中當(dāng)離相封閉母線采用垂直布置方式時(shí)，應(yīng)對(duì)導(dǎo)體和外殼支持強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)計(jì)算、校驗(yàn)，確定支架、支柱絕緣子、母線、外殼的強(qiáng)度。并應(yīng)考慮熱漲冷縮對(duì)固定方式的影響” 。

目前，國(guó)內(nèi)外封閉母線長(zhǎng)垂直段，都是應(yīng)用于地下式水電站，即：發(fā)電機(jī)布置在地下巖洞內(nèi)，主變壓器布置在山頂，通過垂直豎井(部分為斜井)內(nèi)的離相封閉母線將發(fā)電機(jī)和主變壓器連接起來，這些豎井(斜井)的長(zhǎng)度可達(dá)百米以上。

長(zhǎng)距離垂直段離相封閉母線在火力發(fā)電工程中尚無投運(yùn)業(yè)績(jī)，其布置、安裝、運(yùn)行時(shí)的受力、位移、抗短路電動(dòng)力的能力等與水電站不同，均需要特殊考慮。垂直段母線的溫升、選型等在其它論文中已有詳細(xì)論述，本文主要研究和探討發(fā)電機(jī)組高位布置下的長(zhǎng)距離垂直段離相封閉母線的支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算等。

本論文以北方某火力發(fā)電廠工程(2臺(tái)660 MW超超臨界直接空冷燃煤發(fā)電機(jī)組)為依托，借鑒國(guó)內(nèi)外水電廠長(zhǎng)距離垂直分布離相封閉母線的成功經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)電力行業(yè)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，通過向母線制造廠調(diào)研及共同實(shí)施該項(xiàng)目，對(duì)發(fā)電機(jī)組高位布置的離相封閉母線設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)深入的分析研究，以確定合理的支持結(jié)構(gòu)。

2 離相封閉母線及相關(guān)電氣設(shè)備布置

2.1 離相封閉母線的優(yōu)點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外電廠中，200 MW及以上發(fā)電機(jī)引出線回路大多采用離相封閉母線接線和布置方式，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：①減少接地故障，避免相間短路，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行的連續(xù)性；②封閉母線因有外殼屏蔽，可從根本上解決周圍鋼結(jié)構(gòu)發(fā)熱問題；③外殼基本處于等電位，接地方式大為簡(jiǎn)化；④母線采用微正壓運(yùn)行方式，防止絕緣子結(jié)露，可提高運(yùn)行安全可靠性；⑤運(yùn)行維護(hù)工作量小、施工安裝簡(jiǎn)便。

離相封閉母線主要由母線導(dǎo)體、支持絕緣子和防護(hù)屏蔽外殼三部分組成。導(dǎo)體和外殼一般采用工業(yè)純鋁1060、鋁管結(jié)構(gòu)[2]。

2.2 工程條件

發(fā)電機(jī)組高位布置已在上述北方某火力發(fā)電廠工程中應(yīng)用，該工程安裝2臺(tái)額定容量660 MW發(fā)電機(jī)，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、PT/LA柜等從發(fā)電機(jī)與主變壓器之間的主回路封閉母線“T”接。發(fā)電機(jī)高位布置，主回路離相封閉母線有一段較長(zhǎng)的垂直安裝段。每臺(tái)機(jī)組設(shè)1臺(tái)高壓廠用分裂工作變壓器，全廠設(shè)1臺(tái)啟動(dòng)/備用分裂變壓器。發(fā)電機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

額定容量： 733 MVA

額定功率：660 MW

最大連續(xù)出力：693 MW

額定功率因數(shù)：0.9 (滯后)

額定電壓：20 kV

額定電流： 21 160 A

最大連續(xù)電流：23 340 A

額定頻率：50 Hz

2.3 離相封閉母線整體結(jié)構(gòu)及相關(guān)電氣設(shè)備布置

某工程將汽輪發(fā)電機(jī)組放在除氧煤倉(cāng)間上方，運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高65 m，發(fā)電機(jī)出線相關(guān)設(shè)備(包括勵(lì)磁變、電壓互感器/避雷器柜、中性點(diǎn)柜等)布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層下的50.50 m層，勵(lì)磁小室布置于61.15 m層，10 kV高壓廠用配電裝置布置在6.90 m層；主變壓器布置于主廠房A排外空冷平臺(tái)外側(cè)零米地面。

從發(fā)電機(jī)出口到主變壓器的離相封閉母線需從約65 m的高處引下至56 m，再水平轉(zhuǎn)彎后、降到52 m高度(便于支撐受力)，隨后沿A排墻內(nèi)側(cè)從52 m引下至距地面約9.0 m的主變低壓端子，即長(zhǎng)垂直段離相封閉母線長(zhǎng)度大約50 m；較長(zhǎng)垂直段的母線需要采取特殊的設(shè)計(jì)和措施[3]。

長(zhǎng)垂直段離相封閉母線的斷面布置如圖1所示；母線的三維軸視圖如圖2所示。

圖1 長(zhǎng)垂直段離相封閉母線斷面布置圖

圖2 離相封閉母線的三維軸視圖(發(fā)電機(jī)出口及垂直段局部布置)

母線長(zhǎng)距離垂直段由55.5 m標(biāo)高到9 m標(biāo)高，穿過5層樓板，分別為50.395 m層、37.5 m層、27.2 m層、20.0 m層、13.9 m層，以每個(gè)樓層為基礎(chǔ)，每層設(shè)置1組垂直母線支持結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的外殼輔助支撐，且每個(gè)樓層設(shè)置1組母線伸縮節(jié)，很好地解決母線因自重、溫度變化等引起的位移。根據(jù)樓層間距不同，每個(gè)樓層通過1組垂直母線固定結(jié)構(gòu)與常規(guī)三絕緣子母線焊接為一個(gè)整體，通過樓層上的1組絕緣子(由4只組成)和下部的2組(由6只組成)絕緣子共10只絕緣子來保證封閉母線導(dǎo)體和外殼的同心度；當(dāng)短路情況發(fā)生時(shí)，這10只絕緣子共同承擔(dān)短路電動(dòng)力。

3 導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)

為避免垂直段離相母線所用絕緣子受剪切力的作用，同時(shí)由于離相母線受到運(yùn)輸條件的制約，將垂直段離相母線設(shè)計(jì)為T接分支支持形式，每個(gè)母線單元為一個(gè)T接支持形式加一個(gè)常規(guī)三絕緣子布置形式，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)再焊接為整體。垂直段母線導(dǎo)體采用支持絕緣子支撐和吊裝，根據(jù)T接分支受力平衡性，每個(gè)垂直段的兩邊T接分支母線各有兩個(gè)絕緣子支撐方案固定在每個(gè)樓層上。

3.1 常規(guī)工程母線導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)

常規(guī)離相母線絕緣子支撐形式為在同一斷面上用三個(gè)支持絕緣子支撐，每個(gè)絕緣子之間相差120°角，并成倒“Y”布置，如圖3所示。

圖3 常規(guī)離相母線絕緣子支持結(jié)構(gòu)

導(dǎo)體向下的重力荷載，分布在底部?jī)蓚€(gè)絕緣子上。絕緣子與導(dǎo)體之間靠彈性塊支撐，絕緣子固定在底板上，檢修維護(hù)時(shí)，可以通過打開底板，將絕緣子抽出。并且當(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)體為可滑動(dòng)狀態(tài)，很好地避免了絕緣子的剪切受力。

3.2 垂直段母線導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)距離垂直段母線采用絕緣子垂直受力形式固定(即受壓力或拉力)，避免絕緣子剪切受力。在垂直方向母線通過T接分支母線(型材橫擔(dān)支持)，其中導(dǎo)體為強(qiáng)度更好的四方鋁合金型材，將母線重力均勻分擔(dān)在兩邊T接分支母線的絕緣子支持結(jié)構(gòu)上，如圖4所示。

圖4 垂直段離相母線絕緣子支持結(jié)構(gòu)

外殼采用槽鋼抱箍，通過橫擔(dān)鋼梁與土建固定。絕緣子設(shè)置在母線內(nèi)部，在確保質(zhì)量的前提下，外觀更為美觀，更顯得整體。

四個(gè)絕緣子同時(shí)受力(下部絕緣子受壓力，上部絕緣子受拉力，均不受剪切力)，保證絕緣子受力均勻。

垂直段離相母線導(dǎo)體支持結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元為四個(gè)絕緣子固定，相輔相成，均勻受力。絕緣子材質(zhì)為DMC，高度為275 mm，采用600 mm大爬距絕緣子，抗壓強(qiáng)度為100 kN，抗拉強(qiáng)度為40 kN，1 min工頻耐受電壓為80 kV。固定點(diǎn)承受的導(dǎo)體最大總重量為10.058 kN(按最高樓層間距8.8 m計(jì)算)。經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)體所受應(yīng)力2.574 MPa，遠(yuǎn)小于鋁材1060允許應(yīng)力80 MPa。

4 外殼支持結(jié)構(gòu)

垂直段母線外殼在每一層樓板處設(shè)置一組固定支持，每個(gè)樓層在樓板開孔四周做預(yù)埋件，每個(gè)單元由兩端T接分支母線外殼通過可滑動(dòng)的槽鋼抱箍度固定在封閉母線雙槽鋼背靠焊接的鋼梁上。鋼梁下部通過更加牢固的焊接方式與樓板預(yù)埋件固定，上部通過螺栓與離相封閉母線雙槽鋼背靠焊接的鋼梁固定，起到很好的支撐作用，如圖5所示。

圖5 垂直母線外殼支持結(jié)構(gòu)示意圖

5 應(yīng)力受力分析

經(jīng)模擬受力分析(見圖6)，從0 kN到80 kN(50 m母線最大受力為65 kN)，垂直段50 m通長(zhǎng)母線設(shè)置一組支持結(jié)構(gòu)就可滿足母線承受重力；為確保安全，每樓層設(shè)置加一組垂直支持結(jié)構(gòu)，受力完全滿足需求。

圖6 受力分布模擬

從圖7可看出，垂直母線支持結(jié)構(gòu)受力分布均勻，變形微小，在不受力狀態(tài)下，支持結(jié)構(gòu)位移變形1×10-30mm，微乎其微，基本不發(fā)生變形；在受力80 kN時(shí)，每個(gè)樓層母線長(zhǎng)垂直支持結(jié)構(gòu)位移變形1.448 mm，每個(gè)樓層間均按80 kN受力核算，母線整體變形為7.24 mm。50 m長(zhǎng)距離垂直段母線的受力變形很小。

圖7 受力80 kN狀態(tài)(變形比例為174.24)

千斤頂施加壓力到80 kN時(shí)，離相母線位移變形為6 mm，與模擬受力分析基本一致。每個(gè)樓層有一組垂直母線支持結(jié)構(gòu)，且每個(gè)樓層設(shè)置一組母線伸縮節(jié)(見圖8)，母線伸縮節(jié)軸向可伸縮量為±30 mm，完全可解決母線由此引起的位移變化。

圖8 離相封閉母線伸縮節(jié)

6 溫度變化引起的位移計(jì)算

某工程極端環(huán)境溫度最低為-40℃，離相封閉母線運(yùn)行最高溫度為90 ℃，1060鋁材的熱膨脹系數(shù)為23.6E-6m/℃。極端情況下，每米所受溫度變化位移量按如下公式計(jì)算為：

式中：L為每米所受溫度變化位移量，mm。

長(zhǎng)垂直距離離相母線高度差為50 m，從極端環(huán)境最低溫度到母線運(yùn)行最高溫度計(jì)算，總位移量為L(zhǎng)=50×3=150 mm。6層樓層間距分別為：6 m、7 m、7.7 m、8.8 m、6 m、7.3 m；極端溫度情況下相應(yīng)位移量分別為：18 mm、21 mm、23.1 mm、26.4 mm、18 mm、21.9 mm。在每個(gè)樓層都設(shè)置一組垂直支撐結(jié)構(gòu)跟一組母線伸縮節(jié)，母線伸縮節(jié)軸向可伸縮量為±30 mm，完全可滿足母線因溫度引起的位移變化。

7 結(jié)論

本論文基于汽輪發(fā)電機(jī)組高位布置，對(duì)發(fā)電機(jī)出口長(zhǎng)距離垂直段離相封閉母線的支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與探討，對(duì)支持裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力計(jì)算、位移計(jì)算等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析?；痣姲l(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)距離垂直段母線布置和支持結(jié)構(gòu)與常規(guī)火電廠水平布置的封閉母線、水電廠長(zhǎng)垂直封閉母線布置均有較大差異。通過分析和論述，可得出以下主要結(jié)論：

1)垂直段母線將傳統(tǒng)的剪切力支撐改為垂直支撐，每層設(shè)置一組垂直母線支持結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的外殼輔助支撐，垂直段母線及其支持結(jié)構(gòu)受力分布均勻，變形微小，且每個(gè)樓層設(shè)置一組母線伸縮節(jié)，很好地解決母線因自重、溫度變化等引起的位移。

2)離相封閉母線垂直段的運(yùn)輸、安裝和檢修均安全可靠，火電廠垂直段母線路徑上的樓層較多，便于安裝、檢修。

3)火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線的長(zhǎng)垂直段布置方式是可行的，制造廠有設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，且已在工程中實(shí)施。