发电机出口槽型母线支撑钢构过热原因分析与处理

王桂岭，王雨川

（1.水利部海委引滦工程管理局，河北 迁西 064309；2.中水北方勘测设计研究有限公司，天津 300222）

1 钢构过热的出现

潘家口水电站为1980年发电的老水电站，其中1号机组为容量150 MW的常规机组，发电机出口电压15.75 kV，定子额定电流达6 470 A。发电机出口母线采用的是铝制槽型母线，其支撑采用的是工字钢组成的钢构支撑。当1号机组满负荷发电运行时间较长后发现出口母线配电室的室温比较高，通过用无线测温仪仔细测量各个设备的温度后发现支撑槽型母线的钢构温度普遍达到100～120 ℃以上，温度最高的部位达到140 ℃。这说明室温高是由于钢构过热造成的。

2 钢构过热分布规律

槽型母线采用敞露式槽型铝母线，母线下部由工字钢组成的钢构支撑，这些钢结构材料距离通过大电流的槽型母线很近，处于强烈的交变电磁场中，在强烈的电磁场感应作用下会在钢构中产生涡流并最终在钢构形成的环路中形成环流，使得支撑钢构发热严重，不少支撑钢构温度达到120 ℃以上。在三相母线空间交叉磁场集中的某些部位温度高达140 ℃，其中的规律是母线稀疏的地方其支撑钢构的温度相对较低，母线越是交叉集中的位置支撑钢构的温度越高。这说明温度高低与钢构所处位置的磁场强度的高低有关。过高的温度超过了规程中规定的人不可触及的钢构不能超过100 ℃的规定，而且这会造成大量电能损失，同时还造成周围环境温度明显上升，使得整个配电室的温度升高明显，从而影响安装在配电室的发电机出口开关和励磁变压器等重要电气设备的散热，严重影响了这些设备正常安全运行，最终影响到整个水轮发电机组的安全经济稳定运行，必须想法解决这一安全隐患。

3 设计规程规定

《电气工程电气设计手册》电气一次部分中规定，发电机出口母线的截面积根据发电机容量和额定电压、额定电流的不同而不同，随着发电机容量的增加，发电机的额定电流越来越大，手册规定当母线工作电流大于1 500 A时就要考虑钢构发热问题，不应使每相导体支撑钢构及导体支撑夹板的零件构成闭合的磁路。

当工作电流大于4 000 A时，钢构损耗可能接近或者超过导体本身的电阻形成的损耗，从而在磁滞损耗和电阻损失的叠加作用下引起钢构过热，危及人身安全和电器的正常工作，影响机组的安全经济运行。因此对大电流母线附近的钢构过热应积极采取措施。

按照DL/T5222-2005《导体和电器的选择设计技术规定》，额定电流大于4 000 A的裸导体的附近钢构应避免构成闭合磁路或者装设短路环等措施来降低钢构中的涡流，从而减少环流，限制钢构温度升高的幅度。

表1 钢构允许温度表

从表1中可以看出人不可触及的钢构最高运行温度为100 ℃，而1号机组的母线支撑钢构已经严重超过了这个限值。

4 过热原因分析

由电磁场理论得知在大型发电机组槽型母线周围空间存在着强大的交变磁场，母线中的电流越大其产生的磁场越强，磁场随着离开母线的距离由近及远逐渐衰减。紧挨着母线的支撑钢铁构件处于这个交变强磁场中。母线周围的绝缘子的金具、支撑母线的钢梁、金属管路、防护遮拦的钢柱以及混凝土中的钢筋都会因这强大的交变磁场而形成磁滞损耗和涡流损耗从而造成钢铁材料的设备发热。如果钢构组成有闭合回路还会因磁场感应形成的环流而引起钢铁构件附加发热。钢构中的损耗和发热温度随着母线中电流的增加而急剧增高。钢构表面的温升和损耗成正比。

根据现场测量的具体温度数值分布和母线的交叉情况可以分析得出，母线越集中的部位其支撑钢构温度越高，三相母线交叉空间汇聚的地方温度最高。几个温度达到140 ℃的位置就是三相母线交叉最密集的地方，这可以用电磁场强度越强磁滞损耗越严重，涡流越大的电磁场理论来得到解释。

5 过热问题处理

发电厂电气部分教科书中给出的减少钢构损耗和发热的措施有如下4条：

（1）加大钢构和导体之间的距离，加大距离能使得钢构周围的磁场强度减弱，因而可以降低涡流和磁滞损耗。但对于已经进入运行期的水电站，这一条不好实施，因配电室已经形成已有空间，不允许再加大距离，即使空间足够，实施起来成本也会很高。

（2）断开钢构闭合回路，并加上绝缘垫就能消除环流。这一个办法对于已经发电运行的发电机也不容易实施，改造的部位太多，投资也大，

（3）采用电磁屏蔽，在磁场强度最大的部位套上短路环，利用短路环中感应电流的去磁作用降低导体的磁场。

（4）采用分相母线，每相母线分别用铝制外壳包住。外壳上的涡流和环流能起到双重屏蔽作用，壳内和壳外磁场均大大降低，从而附近钢构发热得到改善。现在的新建大型机组采用的离相封闭母线就是根据这条原理进行设计制造的，效果非常好，有效地解决了钢构发热问题。

我们早期投产的大型机组由于现场母线和钢构已经成型，采用离相封闭母线改造成本过高，于是我们在现场采用了比较经济实用的第3条措施，即采用电磁屏蔽，在几个磁场强度最大的部位加装铝板制做的矩形短路环来封闭磁场，达到减少磁滞损耗和涡流损耗的目的。

我们设计了由5 m厚度的铝板焊接成的矩形短路环将磁场比较集中的8处钢构用两头开口的矩型铝板封闭起来，原来温度很高的钢构被铝板给包裹起来，让原来母线中电流产生的磁力线路径被铝板挡住，只能沿铝板走更长的路经才能形成闭合回路，这样磁力线遇到的磁阻显著增加，原来温度高的部位的钢构中的磁场强度就明显减弱了，以前处于比较强烈交变磁场中的工字钢钢构辐射接受到的磁场强度就可以明显减弱，在钢构中的磁滞损失和涡流损耗明显减少，也就减少了该部位的涡流进而减少钢构中的环流，达到降低钢构发热程度的效果。具体封闭铝板的尺寸为：厚度5 mm，长度500 mm，宽度由工字钢的外形决定，做到贴紧包裹好工字钢就好。如图1所示。

图1 铝板包裹工字钢

6 处理后降温效果

经过用铝板对磁场集中的几个重点部位封闭后，在开机带满负荷150 MW几个小时后测温，发现降温效果非常明显，所有支撑钢构的温度都不同程度的有所降低，原来温度高达140 ℃的钢构部位经过铝板封闭后温度降至40 ℃左右，温度降幅达到100 ℃，没有被铝板包裹的部位原来120 ℃左右的温度也降低到了80 ℃左右。这使得钢构各处的温度均降低到符合规程规定，即人不可触及的钢构不超过100 ℃的规定，效果非常好。这既减少了大量的电能损耗，也降低了发电机出口配电室的环境温度，使得发电机出口开关和励磁用变压器工作在一个较低温度的环境，不会影响这些重要设备的正常运行，给安全稳定运行创造了良好的条件。

7 结论

现在新建的大型发电机多数采用离相封闭母线设计，完全避免了钢构发热的问题，但早期投产的发电机多数采用敞开式母线设计，如果现场温度确实达到甚至超过规程规定的温度，特别是当这样的温度严重影响到发电机出口配电室内其他重要设备的安全稳定运行时就可以采用这种办法来解决。通过局部用铝板封闭钢构减少磁场集中部位的磁场强度从而达到降低过高温度的效果，是解决此类问题的现实可行的办法。比方法投资很少，效果却非常明显，希望对同行有所启发和帮助。