华能太平驿水电站发电机浇注母线缺陷分析

唐小焰 赵栋栋

（四川华能太平驿水电有限责任公司，成都 610000）

1 研究背景

太平驿电站原发电机出口至主变低压侧电压母线采用敞开式槽型铝母线，1994年安全投入使用。该类型母线存在3大缺陷：第一，安装空间大；第二，受地下厂房山体渗水的影响，容易造成母线接地故障；第三，直接对空气散热，容易造成母线廊道温度高、支持绝缘子等绝缘材料的绝缘性能降低等问题[1-3]。为消除上述缺陷，提升设备安全运行的可靠性，太平驿公司于2017年对该母线进行改造，新改造设备为新型三相一体式浇注绝缘母线。改造期间，在机组满负荷（电流值约4 000 A）时测得发电机出口段母线最高点温度为28.9 ℃，主变低压侧段最高点温度为54 ℃，环境温度为26 ℃。在72 h试运行期间，母线主变低压侧段B相最高温度达到了163 ℃，A、C两相达到了156 ℃，发电机出口段最高点温度达到了115 ℃，环境温度为20 ℃，运行温升95 K，远远超过了合同技术条件规定的65 K。经过现场分析认为，造成温度升高的原因疑似为母线金属屏蔽外壳将散热孔堵塞。

2 温升异常的诱因分析

2.1 外壳设计不合理造成涡流

太平驿1号机组母线试运行初期母线温升偏高，主要原因为外壳的涡流环流损耗和热阻效应。经分析，本工程设计时考虑母线体积结构紧凑，缩小了母线外壳与母线本体的间距（小于30 cm）。间距过小造成了感应涡流的急剧增大，从而提升了母线外壳的运行温度[4-5]。另外，外壳的散热孔过流面积设置偏小、偏少，而母线运行现场的部分空间空气对流条件差，进一步影响了母线外壳的散热速度。在导体与近距离外壳双重热源的影响下，母线导体的运行温升明显升高。

因此，制造厂对金属外壳的结构、材质、形状以及安装尺寸进行了技术调整。调整后，金属外壳采用4 mm厚度的纯铝材质，金属外壳与母线绝缘外侧间距设定为150 mm，金属外壳与三相绝缘母线本体采用预制绝缘支架固定，绝缘支架间距为167 mm。同时，金属外壳通体布置685 mm×600 mm对流散热孔，散热孔面积占金属外壳总面积的42%。母线金属外壳经过上述调整后，经国家权威机构型式试验，5 000 A额定电流下，母线本体温升低于48 K，母线外壳温升低于20 K，母线总体温升情况良好，达到了设计要求。

2.2 套管间隙设计不合理

在实际生产中，无论如何调制绝缘配方，都无法实现在任何温度下母线导体的线膨胀系数与绝缘材料保持一致[6-7]。在长期运行过程中，因温度偏差会造成导体变形移位，进而引发界面剥离和局部放电。因此，制造厂出于对母线膨胀变形的考虑，产品设计时导体与绝缘之间留有0.5 mm的间距，从而导致传导散热损失。为了消除这一缺陷，制造厂在母线上述间隙的处理方式上进行了工艺调整，采用柔性环氧树脂（断裂伸长率＞150%）填充导体与绝缘套管间的伸缩缝隙，即采用填充树脂的韧性吸收取代之前的位移吸收，从而解决母线导体与树脂膨胀率的差异问题。这种方式从根本上杜绝了微小间隙引起的散热参数损失。

2.3 导体焊接不符合要求

铜母线焊接质量不良会引起局部温度偏高[8]。制造厂在浇注母线生产时，需要对弯头和端部接头导体进行焊接，且在焊接后要经过超声探伤和单节回路电阻检测，测试合格后方能进行环氧浇注处理。

2.4 环境温度过高

母线运行时直接通过空气散热，造成了整个母线廊道环境温度较高。由于廊道通风条件较差，加之母线廊道外部空间环境温度及空气对流能力较差，导致母线各段的运行温升也会存在一定的差异[9]。

3 新母线制造工艺改进

鉴于浇注母线温升异常、产品工艺较差等情况，经过分析后对新母线进行了改进。首先，本体绝缘结构改进，即导体与绝缘之间的空气间隙采用高压挤注换热材料，如图1所示。其次，优化散热孔设计，即增大直线段散热孔孔径，减小环氧树脂浇注厚度。优化后，质量由原来的215 kg减至160 kg，且弯头增加了散热孔，加大了散热面积。再次，在母线上加装绝缘支撑块，加大与金属屏蔽外壳间的散热空间，如图2所示。最后，外观改进，即新母线外观采用环氧树脂本色。改进后，产品的形状规则，表面平整光洁，棱角光滑。最终新母线带金属屏蔽外壳效果如图3所示。

4 新母线型式试验

通过温升试验、加速老化试验等型式试验，新母线能够保证性能参数满足合同要求。新母线温升试验现场和实验报告分别如图4～图6所示。同时，通过对母线安装廊道温度场进行计算，新母线改进设计方案能够满足现场运行条件。母线安装廊道温度场计算如图7所示。

从计算结果看，在20 ℃和40 ℃的环境温度下，母线载流量在5 000 A的额定流量时，导体最高温度分别为68 ℃和88 ℃；母线外壳最高温度分别为48 ℃和72 ℃。现有母线本体及安装附件设计均能够满足合同需求。实际运行时，考虑到自然对流以及廊道通风设备的影响，以及母线导体及其他各部件的运行温升，预计将比极端条件下计算的温升低10～15 K，母线的运行状态将得到显著改善。

5 改进后母线运行情况

经改进后母线最大温升为48 K，能够满足合同技术要求，改进后的运行温度曲线如图8所示。同时，改进后的母线安装效果在形象外观上得到了大幅提升，如图9所示。

6 结语

通过分析母线温升异常的诱因可知，外壳设计不合理造成涡流、套管间隙设计不合理、导体焊接不符合要求以及环境温度过高等都会造成母线温升异常。经过对新母线进行改进，新母线能够保证性能参数满足合同要求且能够满足现场运行条件，为同类型水电站的改造工作提供了一定的参考。