基于汽轮发电机高位布置的离相封闭母线垂直段支持结构研究

李鸿路，杨 芳

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

随着汽轮发电机组初参数的提高，高温蒸汽管道系统的造价随之增加，其投资费用所占的比重随之上升；工程中提出将汽轮发电机组布置于除氧间或煤仓间上部的方式，该方案不仅可以显著减少高温管道长度，降低高温管道系统的造价，还可显著减少排气管道的长度，从而降低机组的背压，实现机组煤耗的降低；同时，相应减少汽机房的占地面积。

本文在基于上述汽轮发电机组高位布置的前提下，结合工程实际，对发电机出口长距离垂直段离相封闭母线的支持结构进行研究与探讨，对支持装置的结构设计、应力计算、位移计算等方面进行详细分析。

1 技术难点及路线

根据DL/T 5222—2005《导体和电器选择设计技术规定》[1]“7.4.6中对于较长垂直段的离相封闭母线应要求厂家进行热平衡计算，计算时应计及垂直段对温升的影响，且整个垂直段部分的最高温度点与最低温度点温度之差不得超过5 ℃”和“7.4.7中当离相封闭母线采用垂直布置方式时，应对导体和外壳支持强度进行详细的力学计算、校验，确定支架、支柱绝缘子、母线、外壳的强度。并应考虑热涨冷缩对固定方式的影响” 。

目前，国内外封闭母线长垂直段，都是应用于地下式水电站，即：发电机布置在地下岩洞内，主变压器布置在山顶，通过垂直竖井(部分为斜井)内的离相封闭母线将发电机和主变压器连接起来，这些竖井(斜井)的长度可达百米以上。

长距离垂直段离相封闭母线在火力发电工程中尚无投运业绩，其布置、安装、运行时的受力、位移、抗短路电动力的能力等与水电站不同，均需要特殊考虑。垂直段母线的温升、选型等在其它论文中已有详细论述，本文主要研究和探讨发电机组高位布置下的长距离垂直段离相封闭母线的支持结构设计、计算等。

本论文以北方某火力发电厂工程(2台660 MW超超临界直接空冷燃煤发电机组)为依托，借鉴国内外水电厂长距离垂直分布离相封闭母线的成功经验，依据电力行业相关规程规范，通过向母线制造厂调研及共同实施该项目，对发电机组高位布置的离相封闭母线设计进行系统深入的分析研究，以确定合理的支持结构。

2 离相封闭母线及相关电气设备布置

2.1 离相封闭母线的优点

国内外电厂中，200 MW及以上发电机引出线回路大多采用离相封闭母线接线和布置方式，其具有如下优点：①减少接地故障，避免相间短路，提高发电机运行的连续性；②封闭母线因有外壳屏蔽，可从根本上解决周围钢结构发热问题；③外壳基本处于等电位，接地方式大为简化；④母线采用微正压运行方式，防止绝缘子结露，可提高运行安全可靠性；⑤运行维护工作量小、施工安装简便。

离相封闭母线主要由母线导体、支持绝缘子和防护屏蔽外壳三部分组成。导体和外壳一般采用工业纯铝1060、铝管结构[2]。

2.2 工程条件

发电机组高位布置已在上述北方某火力发电厂工程中应用，该工程安装2台额定容量660 MW发电机，采用发电机—变压器组单元接线，高压厂用工作变压器、励磁变压器、PT/LA柜等从发电机与主变压器之间的主回路封闭母线“T”接。发电机高位布置，主回路离相封闭母线有一段较长的垂直安装段。每台机组设1台高压厂用分裂工作变压器，全厂设1台启动/备用分裂变压器。发电机主要技术数据如下：

额定容量： 733 MVA

额定功率：660 MW

最大连续出力：693 MW

额定功率因数：0.9 (滞后)

额定电压：20 kV

额定电流： 21 160 A

最大连续电流：23 340 A

额定频率：50 Hz

2.3 离相封闭母线整体结构及相关电气设备布置

某工程将汽轮发电机组放在除氧煤仓间上方，运转层标高65 m，发电机出线相关设备(包括励磁变、电压互感器/避雷器柜、中性点柜等)布置在运转层下的50.50 m层，励磁小室布置于61.15 m层，10 kV高压厂用配电装置布置在6.90 m层；主变压器布置于主厂房A排外空冷平台外侧零米地面。

从发电机出口到主变压器的离相封闭母线需从约65 m的高处引下至56 m，再水平转弯后、降到52 m高度(便于支撑受力)，随后沿A排墙内侧从52 m引下至距地面约9.0 m的主变低压端子，即长垂直段离相封闭母线长度大约50 m；较长垂直段的母线需要采取特殊的设计和措施[3]。

长垂直段离相封闭母线的断面布置如图1所示；母线的三维轴视图如图2所示。

图1 长垂直段离相封闭母线断面布置图

图2 离相封闭母线的三维轴视图(发电机出口及垂直段局部布置)

母线长距离垂直段由55.5 m标高到9 m标高，穿过5层楼板，分别为50.395 m层、37.5 m层、27.2 m层、20.0 m层、13.9 m层，以每个楼层为基础，每层设置1组垂直母线支持结构及相应的外壳辅助支撑，且每个楼层设置1组母线伸缩节，很好地解决母线因自重、温度变化等引起的位移。根据楼层间距不同，每个楼层通过1组垂直母线固定结构与常规三绝缘子母线焊接为一个整体，通过楼层上的1组绝缘子(由4只组成)和下部的2组(由6只组成)绝缘子共10只绝缘子来保证封闭母线导体和外壳的同心度；当短路情况发生时，这10只绝缘子共同承担短路电动力。

3 导体支持结构

为避免垂直段离相母线所用绝缘子受剪切力的作用，同时由于离相母线受到运输条件的制约，将垂直段离相母线设计为T接分支支持形式，每个母线单元为一个T接支持形式加一个常规三绝缘子布置形式，现场安装时再焊接为整体。垂直段母线导体采用支持绝缘子支撑和吊装，根据T接分支受力平衡性，每个垂直段的两边T接分支母线各有两个绝缘子支撑方案固定在每个楼层上。

3.1 常规工程母线导体支持结构

常规离相母线绝缘子支撑形式为在同一断面上用三个支持绝缘子支撑，每个绝缘子之间相差120°角，并成倒“Y”布置，如图3所示。

图3 常规离相母线绝缘子支持结构

导体向下的重力荷载，分布在底部两个绝缘子上。绝缘子与导体之间靠弹性块支撑，绝缘子固定在底板上，检修维护时，可以通过打开底板，将绝缘子抽出。并且当温度变化产生伸缩时，由于导体与绝缘子之间不是固定形式，导体为可滑动状态，很好地避免了绝缘子的剪切受力。

3.2 垂直段母线导体支持结构

长距离垂直段母线采用绝缘子垂直受力形式固定(即受压力或拉力)，避免绝缘子剪切受力。在垂直方向母线通过T接分支母线(型材横担支持)，其中导体为强度更好的四方铝合金型材，将母线重力均匀分担在两边T接分支母线的绝缘子支持结构上，如图4所示。

图4 垂直段离相母线绝缘子支持结构

外壳采用槽钢抱箍，通过横担钢梁与土建固定。绝缘子设置在母线内部，在确保质量的前提下，外观更为美观，更显得整体。

四个绝缘子同时受力(下部绝缘子受压力，上部绝缘子受拉力，均不受剪切力)，保证绝缘子受力均匀。

垂直段离相母线导体支持结构，每个单元为四个绝缘子固定，相辅相成，均匀受力。绝缘子材质为DMC，高度为275 mm，采用600 mm大爬距绝缘子，抗压强度为100 kN，抗拉强度为40 kN，1 min工频耐受电压为80 kV。固定点承受的导体最大总重量为10.058 kN(按最高楼层间距8.8 m计算)。经计算，导体所受应力2.574 MPa，远小于铝材1060允许应力80 MPa。

4 外壳支持结构

垂直段母线外壳在每一层楼板处设置一组固定支持，每个楼层在楼板开孔四周做预埋件，每个单元由两端T接分支母线外壳通过可滑动的槽钢抱箍度固定在封闭母线双槽钢背靠焊接的钢梁上。钢梁下部通过更加牢固的焊接方式与楼板预埋件固定，上部通过螺栓与离相封闭母线双槽钢背靠焊接的钢梁固定，起到很好的支撑作用，如图5所示。

图5 垂直母线外壳支持结构示意图

5 应力受力分析

经模拟受力分析(见图6)，从0 kN到80 kN(50 m母线最大受力为65 kN)，垂直段50 m通长母线设置一组支持结构就可满足母线承受重力；为确保安全，每楼层设置加一组垂直支持结构，受力完全满足需求。

图6 受力分布模拟

从图7可看出，垂直母线支持结构受力分布均匀，变形微小，在不受力状态下，支持结构位移变形1×10-30mm，微乎其微，基本不发生变形；在受力80 kN时，每个楼层母线长垂直支持结构位移变形1.448 mm，每个楼层间均按80 kN受力核算，母线整体变形为7.24 mm。50 m长距离垂直段母线的受力变形很小。

图7 受力80 kN状态(变形比例为174.24)

千斤顶施加压力到80 kN时，离相母线位移变形为6 mm，与模拟受力分析基本一致。每个楼层有一组垂直母线支持结构，且每个楼层设置一组母线伸缩节(见图8)，母线伸缩节轴向可伸缩量为±30 mm，完全可解决母线由此引起的位移变化。

图8 离相封闭母线伸缩节

6 温度变化引起的位移计算

某工程极端环境温度最低为-40℃，离相封闭母线运行最高温度为90 ℃，1060铝材的热膨胀系数为23.6E-6m/℃。极端情况下，每米所受温度变化位移量按如下公式计算为：

式中：L为每米所受温度变化位移量，mm。

长垂直距离离相母线高度差为50 m，从极端环境最低温度到母线运行最高温度计算，总位移量为L=50×3=150 mm。6层楼层间距分别为：6 m、7 m、7.7 m、8.8 m、6 m、7.3 m；极端温度情况下相应位移量分别为：18 mm、21 mm、23.1 mm、26.4 mm、18 mm、21.9 mm。在每个楼层都设置一组垂直支撑结构跟一组母线伸缩节，母线伸缩节轴向可伸缩量为±30 mm，完全可满足母线因温度引起的位移变化。

7 结论

本论文基于汽轮发电机组高位布置，对发电机出口长距离垂直段离相封闭母线的支持结构进行了研究与探讨，对支持装置的结构设计、应力计算、位移计算等方面进行了详细分析。火电发电机组的长距离垂直段母线布置和支持结构与常规火电厂水平布置的封闭母线、水电厂长垂直封闭母线布置均有较大差异。通过分析和论述，可得出以下主要结论：

1)垂直段母线将传统的剪切力支撑改为垂直支撑，每层设置一组垂直母线支持结构及相应的外壳辅助支撑，垂直段母线及其支持结构受力分布均匀，变形微小，且每个楼层设置一组母线伸缩节，很好地解决母线因自重、温度变化等引起的位移。

2)离相封闭母线垂直段的运输、安装和检修均安全可靠，火电厂垂直段母线路径上的楼层较多，便于安装、检修。

3)火力发电厂发电机出口离相封闭母线的长垂直段布置方式是可行的，制造厂有设计、制造经验，且已在工程中实施。