唐小焰 趙棟棟

（四川華能太平驛水電有限責(zé)任公司，成都 610000）

1 研究背景

太平驛電站原發(fā)電機(jī)出口至主變低壓側(cè)電壓母線采用敞開式槽型鋁母線，1994年安全投入使用。該類型母線存在3大缺陷：第一，安裝空間大；第二，受地下廠房山體滲水的影響，容易造成母線接地故障；第三，直接對空氣散熱，容易造成母線廊道溫度高、支持絕緣子等絕緣材料的絕緣性能降低等問題[1-3]。為消除上述缺陷，提升設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，太平驛公司于2017年對該母線進(jìn)行改造，新改造設(shè)備為新型三相一體式澆注絕緣母線。改造期間，在機(jī)組滿負(fù)荷（電流值約4 000 A）時測得發(fā)電機(jī)出口段母線最高點(diǎn)溫度為28.9 ℃，主變低壓側(cè)段最高點(diǎn)溫度為54 ℃，環(huán)境溫度為26 ℃。在72 h試運(yùn)行期間，母線主變低壓側(cè)段B相最高溫度達(dá)到了163 ℃，A、C兩相達(dá)到了156 ℃，發(fā)電機(jī)出口段最高點(diǎn)溫度達(dá)到了115 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，運(yùn)行溫升95 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了合同技術(shù)條件規(guī)定的65 K。經(jīng)過現(xiàn)場分析認(rèn)為，造成溫度升高的原因疑似為母線金屬屏蔽外殼將散熱孔堵塞。

2 溫升異常的誘因分析

2.1 外殼設(shè)計不合理造成渦流

太平驛1號機(jī)組母線試運(yùn)行初期母線溫升偏高，主要原因?yàn)橥鈿さ臏u流環(huán)流損耗和熱阻效應(yīng)。經(jīng)分析，本工程設(shè)計時考慮母線體積結(jié)構(gòu)緊湊，縮小了母線外殼與母線本體的間距（小于30 cm）。間距過小造成了感應(yīng)渦流的急劇增大，從而提升了母線外殼的運(yùn)行溫度[4-5]。另外，外殼的散熱孔過流面積設(shè)置偏小、偏少，而母線運(yùn)行現(xiàn)場的部分空間空氣對流條件差，進(jìn)一步影響了母線外殼的散熱速度。在導(dǎo)體與近距離外殼雙重?zé)嵩吹挠绊懴?，母線導(dǎo)體的運(yùn)行溫升明顯升高。

因此，制造廠對金屬外殼的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、形狀以及安裝尺寸進(jìn)行了技術(shù)調(diào)整。調(diào)整后，金屬外殼采用4 mm厚度的純鋁材質(zhì)，金屬外殼與母線絕緣外側(cè)間距設(shè)定為150 mm，金屬外殼與三相絕緣母線本體采用預(yù)制絕緣支架固定，絕緣支架間距為167 mm。同時，金屬外殼通體布置685 mm×600 mm對流散熱孔，散熱孔面積占金屬外殼總面積的42%。母線金屬外殼經(jīng)過上述調(diào)整后，經(jīng)國家權(quán)威機(jī)構(gòu)型式試驗(yàn)，5 000 A額定電流下，母線本體溫升低于48 K，母線外殼溫升低于20 K，母線總體溫升情況良好，達(dá)到了設(shè)計要求。

2.2 套管間隙設(shè)計不合理

在實(shí)際生產(chǎn)中，無論如何調(diào)制絕緣配方，都無法實(shí)現(xiàn)在任何溫度下母線導(dǎo)體的線膨脹系數(shù)與絕緣材料保持一致[6-7]。在長期運(yùn)行過程中，因溫度偏差會造成導(dǎo)體變形移位，進(jìn)而引發(fā)界面剝離和局部放電。因此，制造廠出于對母線膨脹變形的考慮，產(chǎn)品設(shè)計時導(dǎo)體與絕緣之間留有0.5 mm的間距，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)散熱損失。為了消除這一缺陷，制造廠在母線上述間隙的處理方式上進(jìn)行了工藝調(diào)整，采用柔性環(huán)氧樹脂（斷裂伸長率＞150%）填充導(dǎo)體與絕緣套管間的伸縮縫隙，即采用填充樹脂的韌性吸收取代之前的位移吸收，從而解決母線導(dǎo)體與樹脂膨脹率的差異問題。這種方式從根本上杜絕了微小間隙引起的散熱參數(shù)損失。

2.3 導(dǎo)體焊接不符合要求

銅母線焊接質(zhì)量不良會引起局部溫度偏高[8]。制造廠在澆注母線生產(chǎn)時，需要對彎頭和端部接頭導(dǎo)體進(jìn)行焊接，且在焊接后要經(jīng)過超聲探傷和單節(jié)回路電阻檢測，測試合格后方能進(jìn)行環(huán)氧澆注處理。

2.4 環(huán)境溫度過高

母線運(yùn)行時直接通過空氣散熱，造成了整個母線廊道環(huán)境溫度較高。由于廊道通風(fēng)條件較差，加之母線廊道外部空間環(huán)境溫度及空氣對流能力較差，導(dǎo)致母線各段的運(yùn)行溫升也會存在一定的差異[9]。

3 新母線制造工藝改進(jìn)

鑒于澆注母線溫升異常、產(chǎn)品工藝較差等情況，經(jīng)過分析后對新母線進(jìn)行了改進(jìn)。首先，本體絕緣結(jié)構(gòu)改進(jìn)，即導(dǎo)體與絕緣之間的空氣間隙采用高壓擠注換熱材料，如圖1所示。其次，優(yōu)化散熱孔設(shè)計，即增大直線段散熱孔孔徑，減小環(huán)氧樹脂澆注厚度。優(yōu)化后，質(zhì)量由原來的215 kg減至160 kg，且彎頭增加了散熱孔，加大了散熱面積。再次，在母線上加裝絕緣支撐塊，加大與金屬屏蔽外殼間的散熱空間，如圖2所示。最后，外觀改進(jìn)，即新母線外觀采用環(huán)氧樹脂本色。改進(jìn)后，產(chǎn)品的形狀規(guī)則，表面平整光潔，棱角光滑。最終新母線帶金屬屏蔽外殼效果如圖3所示。

4 新母線型式試驗(yàn)

通過溫升試驗(yàn)、加速老化試驗(yàn)等型式試驗(yàn)，新母線能夠保證性能參數(shù)滿足合同要求。新母線溫升試驗(yàn)現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)報告分別如圖4～圖6所示。同時，通過對母線安裝廊道溫度場進(jìn)行計算，新母線改進(jìn)設(shè)計方案能夠滿足現(xiàn)場運(yùn)行條件。母線安裝廊道溫度場計算如圖7所示。

從計算結(jié)果看，在20 ℃和40 ℃的環(huán)境溫度下，母線載流量在5 000 A的額定流量時，導(dǎo)體最高溫度分別為68 ℃和88 ℃；母線外殼最高溫度分別為48 ℃和72 ℃?，F(xiàn)有母線本體及安裝附件設(shè)計均能夠滿足合同需求。實(shí)際運(yùn)行時，考慮到自然對流以及廊道通風(fēng)設(shè)備的影響，以及母線導(dǎo)體及其他各部件的運(yùn)行溫升，預(yù)計將比極端條件下計算的溫升低10～15 K，母線的運(yùn)行狀態(tài)將得到顯著改善。

5 改進(jìn)后母線運(yùn)行情況

經(jīng)改進(jìn)后母線最大溫升為48 K，能夠滿足合同技術(shù)要求，改進(jìn)后的運(yùn)行溫度曲線如圖8所示。同時，改進(jìn)后的母線安裝效果在形象外觀上得到了大幅提升，如圖9所示。

6 結(jié)語

通過分析母線溫升異常的誘因可知，外殼設(shè)計不合理造成渦流、套管間隙設(shè)計不合理、導(dǎo)體焊接不符合要求以及環(huán)境溫度過高等都會造成母線溫升異常。經(jīng)過對新母線進(jìn)行改進(jìn)，新母線能夠保證性能參數(shù)滿足合同要求且能夠滿足現(xiàn)場運(yùn)行條件，為同類型水電站的改造工作提供了一定的參考。