百龙滩水电站大电流母线选型和布置
陈向东
广西电力工业勘察设计研究院，广西 南宁 530023
1 前言
百龙滩水电站共装设6台32 MW灯泡贯流式水轮发电机组，发电机额定电压10.5 kV，功率因数0.95(滞后)，额定电流1 852.2 A，年利用小时数5 770 h，周围环境温度+35℃。
本电站发电机电压侧采用两机一变扩大单元接线，结合机组型式和厂房结构特点，3组扩大单元的发电机电压开关柜分别布置在120.0 m层下游副厂房2号、4号、6号机组段内。3台主变压器垂直对应发电机电压开关柜布置于副厂房顶160.1 m高程，为露天敞开式布置。故发电机电压母线选择及布置包含两部分：由发电机出口到发电机电压开关柜间的发电机引出母线和由发电机电压开关柜汇流后到主变压器低压侧间汇流母线的选择及布置。
2 发电机引出母线选择与校验计算
由于采用灯泡贯流式水轮发电机组，且单机容量不大，回路最大持续工作电流为1 945 A，经技术经济比较，并考虑到厂家生产情况，选择安全可靠、布置紧凑、柔软性较好、维护安装方便的高压电缆作为发电机引出线，其基本要求如下：
(1)高压电缆的芯材可选用铜材和铝材，因输送功率大，但可靠性要求高且敷设电缆时需要强力牵引，故宜优先采用铜芯电缆。
(2)为了有利于防火，高压电缆的绝缘材料宜选用塑料绝缘材料，主要有交联聚乙烯和乙烯丙烯橡胶两种。
(3)高压电缆的护套材料应具有机械强度高、不延燃、耐油、耐酸、耐碱以及方便加工、成本低廉等特点。
(4)高压电缆的总截面，除按持续工作电流、经济电流密度选择外，尚需校验短路热稳定。
2.1 按持续工作电流选择
Ixu≥Ig/k0.k1
式中：Ixu——电缆在额定情况下的长期允许截流量，A；
Ig——回路持续工作电流(一般取额定电流的1.05倍)，A；
k0——环境温度修正系数，查得k0=0.92;
k1——不同敷设条件下的核正系数，查得k1=0.85。
计算得Ixu=2 487 A。
2.2 按经济电流密度选择
电缆承受负荷较大，且年利用小时数大于5 000 h，电缆长度远超过20 m，其截面应按经济电流密度选择，即：
S≥Sj=Ig/j
式中：Sj——电缆的经济截面，mm2；
j ——经济电流密度(选择铜芯电缆时，取j=2)，A/mm2。
计算得Sj=972 mm2。
2.3 选择结果
母线型式：10 kV三芯交联聚乙烯绝缘及护套铜芯电缆；
型 号：6×(YJV22-3×240)(6根并联)；
允许电流:2 976 A;
截面面积：1 440 mm2。
2.4 校验结果
按短路电流热稳定要求的母线最小截面按下式求出：
式中：Qd——短路电流热效应，kA2.s；
C ——热稳定系数。
计算得Smin≥157.4 mm2。
结果表明，选用6根YJV22-3×240电缆并联作为发电机引出母线满足短路热稳定条件。
3 发电机汇流引出母线选择与校验计算
2台发电机组成的扩大单元汇流后，由发电机电压开关柜至主变压器低压端回路最大持续工作电流为3 889.5 A。按照《导体和电器选择设计规定》SDGJ14-86中规定：20 kV及以下回路的正常工作电流在4 000 A及以下时，宜选用矩形导体，在4 000 A～8 000 A时，宜选用槽形导体。而百龙滩水电站汇流母线的选型处于矩形母线和槽形母线选择范围的交接点，因此，需对二者进行技术经济比较分析。
由于从120.0 m层发电机电压开关柜到160.1 m层主变压器低压端距离较长，为节省有色金属消耗量，除了在持续电流较大且出线狭窄的与变压器低压侧相连接部位采用铜母线外，其余均应优先采用价格便宜、原材料来源丰富的铝质材料。
矩形导体在工作电流接近4 000 A的回路中，由于其片数增多，集肤效应系数不断加大，单位截面的有效载流量下降，一般最多只用到4片。如果采用4(120×10)mm2矩形铝母线平放，集肤效应系数高达2.2，当铝母线允计工作温度为70 ℃，环境温度为35 ℃时，其最大容许持续电流仅3 765 A，不能满足要求。而双槽形导体的电流分布比较均匀，与同截面的矩形导体相比，优点是散热条件良好，机械强度高，电能损失少，安装检修也较方便，由于槽间垂直方向有间隙，有利于内表面的对流散热，使截流量比同截面的矩形导体大35%左右，相应其经济性也较优。
由以上分析，考虑到槽形母线曾早期运用于广西大化水电站，有较成熟的施工安装和运行维护经验，故选择槽形铝母线作为发电机汇流引出母线。
3.1 按持续工作电流选择
为了保证母线的长期安全运行，母线长期允许的最大持续电流应大于或等于回路的最大持续工作电流。即：
Ixu≥Igmax/(k1.k2.k3.k4)
式中：Ixu——导体的允许电流，A；
Igmax——回路最大持续工作电流，A；
k1——环境温度修正系数，查得k1=0.88；
k2——导体长期工作温度修正系数，设计导体长期工作温度为+70℃，取k2=1；
k3——导体布置方式校正系数，设计选用垂直放置，取k3=1；
k4——高海拔及日照影响修正系数，母线设计使用海拔高度小于1 000 m，且有一段母线在户外受日照影响，查表得k4=0.98。
计算得Ixu=4 510 A。
3.2 按经济电流密度选择
由于年运行小时数较高，大于5 000 h，考虑到母线长期运行的经济性，母线截面需按经济电流密度选择。即：
Se=Ie/j
式中：Se——母线经济截面积，mm2；
Ie——母线的额定持续工作电流，A；
j——经济电流密度(由于年利用小时数大于5 000 h，取j=0.9)，A/mm2。
计算得Se=4 322 mm2。
3.3 选择结果
母线型式及材料：敞开式双槽形铝母线；
截面尺寸：2×(175×80×8)；
截面面积：4 880 mm2；
允许电流：5 660 A(环境温度+35 ℃)；
集肤效应系数:1.103。
3.4 校验结果
3.4.1 短路热稳定核验
热稳定要求的导体最小截面：
式中：Qdt——短路电流4 s的热效应，kA2.s；
kf——集肤效应系数；
C——热效应系数。
计算得Smin≥990 mm2。
校验结果表明，选用2×(175×80×8)双槽形铝母线满足短路热稳定条件。
3.4.2 短路机械强度校验
经计算表明，绝缘子跨矩L≤1 610 mm时，可避开30-160 Hz共振区，考虑到一定安全系数，设计选用跨矩L≤1 300 mm，此时母线的机械应力为44.2 MPa，小于双槽形铝母线的最大允许应力，满足短路动稳定要求。
4 大电流母线的布置
4.1 发电机引出母线布置
发电机引出线端子箱布置于发电机进人竖井内，从端子箱到下游副厂房120.0 m层发电机电压开关柜间6根并联YJV22-3×240型10 kV电缆，由发电机进人竖井引出后，沿主厂房115.0 m层电缆沟敷设至下游副厂房电缆间，再经电缆间内电缆桥架穿过120.0 m层楼板电缆孔与发电机电压开关柜相连。由于发电机主引出电缆并联根数多、截面大、敷设路径长(约65 m)、转弯拐角多，因而在电缆布置设计时考虑了以下几个因素：
(1)电缆沟宽度及深度尺寸应满足电缆允许弯曲半径的要求；
(2)6根高压电缆分层布置于电缆架最上两层，与低压动力电缆、控制电缆分层排列敷设；
(3)电缆桥架的支架或吊架跨距应满足电缆及其附件荷重和安装维护的受力要求；
(4)电缆敷设应满足防火要求。所有电缆桥架层间全线铺设耐火隔板，电缆孔洞用耐火材料封堵。
4.2 发电机汇流母线布置
发电机电压开关柜与主变压器低压端之间采用2×(175×80×8)槽形铝母线连接。槽铝母线由下游副厂房120.0 m层发电机电压开关柜柜顶引出，沿母线竖井垂直敷设至164.85 m高程后，再水平敷设至主变压器低压侧。根据厂房结构特点和设备布置位置，采用支持式母线方式将槽形母线用母线固定金具固定于ZD-20F型支柱绝缘子顶部，并通过绝缘子将其固定在支持钢构架上。垂直段钢构架固定在下游副厂房内上游侧墙上，水平段钢构架由母线桥构成。槽形母线采用三相并排水平布置形式，这样有利于母线与设备连接，且可缩小母线竖井的横向尺寸。
母线竖井内槽铝母线沿井壁敷设，总垂直高差达42.4 m。在设计时，既要考虑槽铝母线的伸缩补偿，又要考虑母线的卡固，以防止母线下滑；另一方面不仅要考虑母线安装方便，还要考虑绝缘子是否能够承受母线重力与短路电动力的弯曲负荷。因此，我们在工程中采取了如下措施：
(1)将每相槽铝母线分为3段，每段长度不超过15 m，以便施工时焊接吊装，而且重量可控制在150 kg左右；
(2)在每段母线中间一档支持绝缘子采用每相双绝缘子支持，采用非标金具紧固母线，防止母线下滑。各段母线间采用伸缩节连接，作为母线伸缩补偿；
(3)绝缘子跨距控制在1.3 m以内，经校验可满足短路时的机械强度要求；
(4)下游副厂房125.6 m层及以下各层，均设有母线小间，以便母线安装及运行维护。
4.3 大电流母线布置设计时尚需注意的几个问题
4.3.1 母线相间距离的确定
(1)母线相间距离必须满足穿墙套管金属端部相间的净距不得小于不同相导体之间允许的最小距离要求，即与套管的外径有关。本电站选择的槽铝母线穿墙(楼板)套管型号CMWW-20，其外径为490 mm，故相间距离只有大于640 mm才能满足要求。
(2)母线相间距离受到绝缘子横梁钢构发热的制约。在相同绝缘子支持条件下，相间距离越大，钢构感应电流就越大，钢构中的有功损耗也越大，则钢构表面温升就越高。当母线相间距离取700 mm时，横梁钢构表面最高温升为58.3 ℃，小于钢构发热的最高允许温升；如果相间距离取1 000 mm，则最高温升将大于70 ℃，不能满足要求。因此，希望母线相间距离取偏小值较为有利。
(3)槽铝母线与支持绝缘子的允许应力对母线相间距离亦有一定影响。短路时，母线和绝缘子所受电动力与短路冲击电流的平方及母线跨距成正比，而与相间距离成反比。当相间距离取700 mm，母线跨距不大于1 300 mm，母线组装采用焊片实连时，母线短路时的应力约为44.2 MPa，小于母线最大允许应力。也就是说，在母线跨距及绝缘子高度确定的条件下，横梁钢构发热成为影响母线相间距离的主要因素。
(4)母线相间距离还与设备端子连接的条件有关。发电机电压开关柜出线端及槽铝母线回路上GN10-20型隔离开关相间距离均为700 mm，为便于母线与设备连接，二者相间距离应尽量一致。
综上所述，本电站设计母线相间距离采用700 mm。
4.3.2 空气中横梁钢构和混凝土中钢筋损耗发热
大电流母线附近存在强大的交变磁场，可在大电流母线的支持钢构、网状遮栏的钢框以及混凝土中钢筋产生感应电流，感应电流在交流电阻很大的铁磁材料回路中，能引起可观的功率损耗并使钢构发热，而且也增加了母线的附加电阻和电压降。在设计中，采取了如下措施来防止或减少钢构损耗发热：
(1)加大横越钢构与母线的距离，可降低钢构表面的磁场强度，减少损耗和发热。设计选择了尺寸高，抗弯能力较强的ZD-20F型绝缘子来支持母线。
(2)断开闭合回路，消除环流，可有效地减少损耗和发热。在穿楼板套管四周采用绝缘防火隔板，在穿墙套管固定钢板的预留孔之间开宽为10 mm的缝，防止形成闭合磁路。
(3)在母线竖井内加设强迫通风，风机房设在母线竖井顶部，以加强母线和钢构的散热，改善母线的运行环境，提高母线的安全运行。
采取上述措施后，经计算结果表明，母线竖井混凝土内钢筋表面最高温升为42.43 ℃，绝缘子横梁钢构表面最高温升为58.3 ℃，小于钢构最高允许温升，满足设计规范要求。
5 结语
百龙滩水电站第1台机组的大电流母线至今运行已4年多，其它几台机组也相继投入运行，运行情况一直良好。本文通过对百龙滩水电站大电流母线的选型原则和计算方法，以及母线布置方式和特点进行了总结，为我们今后的同类型水电站设计提供了一些有益的经验。
参考文献：
〔1〕 吴励坚.大电流母线的理论基础与设计〔M〕.北京：水利电力出版社，1985.
〔2〕 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册(电工一次)〔S〕.北京：水利电力出版社，1989.
〔3〕 孔庆东,罗敬安,林福本.大电流母线的设计制造及安装〔M〕.北京：水利电力出版社，1988.
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