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摘要: 随着我国抽水蓄能电站的发展,抽水蓄能机组将由国内厂家自主研发。依据蒲石河抽水蓄能电站18kV发电电动机电压母线及相关设备技术规范中的技术条件及电站实际布置结构形式,论述离相封闭母线发、散热及动、热稳定计算,确定离相封闭母线的具体结构设计形式并做以总结,促进抽水蓄能电站发电电动机电压母线的国产化设计。
关键词: 抽水蓄能;发电电动机组;离相;封闭母线;结构
中图分类号:TV7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0510051-01
0 引言
近些年,随着国内电力的发展和系统电能结构的变化,充分利用能源及保障系统的稳定性和可靠性问题,倍受国家关注。抽水蓄能机组以其独有的特性,可以有效地改进电力系统的能源结构和提高供电质量;能迅速承担电力系统调峰和调谷任务,使电力系统中火电机组稳定负荷运行,锅炉及汽轮机不需强迫在低出力运转,以提高效率,降低煤耗;防洪、灌溉专用水库与发电蓄水在用水上的矛盾较好解决,可增大以下梯级电站的装机容量和年发电量;调频性能好,具有高度的灵活性和可靠性,能适应急骤的负荷变化,维持电力系统的周波稳定;调相运行,在距离负荷中心近的抽水蓄能电站可多带无功负荷,调整电力系统电压。
1 电站布置形式
电站发电电动机与主变压器接成4组发电电动机变压器单元,在发电电动机和主变压器之间接有换相开关和发电电动机断路器。发电电动机工况转换时的换相和机组并入系统的同期均在主变18kV侧进行,即在离相封闭母线回路进行。连接发电电动机和主变压器的主回路离相封闭母线及其分支离相封闭母线、电流互感器、电压互感器柜、发电电动机断路器、换相隔离开关、电制动开关柜、励磁变压器柜、起动回路隔离开关等布置在母线洞内;主变压器和变频起动装置及其附属设备布置在主变洞内。
2 发电电动机电压母线的技术条件
发电电动机电压母线采用全连自冷离相封闭母线,额定电压 20kV;额定电流 14kA;绝缘水平工频(有效值)68kV;冲击(峰值) 125kV;动稳定电流300kA;热稳定电流100kA(3S);环境温度40℃。
3 设计过程计算
1)母线的发、散热通过程序计算,母线电能损耗Pm=343W/m;母线辐射散热Qmf=277W/m;母线对流散热Qmd=69 W/m,定性温度:t=75.5 ℃;母线辐射、对流总散热量Qmfd=Qmf + Qmd = 346 W/m大于发热量,符合设计要求。
2)外壳的发、散热通过程序计算,外壳电能损耗Pk=260W/m;外壳辐射散热Qkf=398 W/m;外壳对流散热Qkd=256W/m;外壳辐射、对流总散热量Qkfd=Qkf + Qkd = 654 W/m 大于发热量,符合设计要求。
母线、外壳总发热量Pmk=Pm + Pk = 603W/m;外壳总散热量Qkfd=Qkf + Qkd = 654W/m;总散热大于总发热,满足散热要求!
3)避开共振区域跨距计算。由于电动力系同向均布,短路时发生响应的主要是主频率,故计算时仅考虑主频率共振,共振频率按避开3070Hz
计算。检验仅选择双跨或单跨外伸两种情况,跨距应小于5.521886m或大于8.43482m 。根据母线分段情况选择3米。母线最大相间电动力(按敞露母线电动力的 0.33 计算) Fmax = 373.3715 Kg/m,通过母线的动态应力计算允许母线最大跨距为20.08857m 。由于母线采用三支持结构,绝缘子受压力。而绝缘子的抗压一般比抗弯大5倍以上,故完全可以满足要求,因此决定母线跨距的不是母线和绝缘子的允许应力,而取决于避开共振区。
3.4 热稳定计算。短路时,由于短路电流大于计算工作电流许多倍,而且时间很短,导体来不及散热,因而导体温度突然上升达到很高的数值,有可能影响安全运行,因此需要进行热稳定校验。热稳定计算一般按绝热过程考虑Am= 21375.38满足热稳定计算要求。
4 结构布置
4.1 与发电电动机连接结构。根据发电工况计算额定电流Ie = 12499A;电动工况计算额定电流Ie = 11066A;每相若采用18根铜编织线,每个铜编织线载流量为624A,考虑裕度后,应选In =630A铜编织线。根据接触面积σ= 0.11A/mm2;S∑ =Ie/σ=12499/0.11=113627.2mm2,主、中引出每相为3片160×16铜排,故每片应达到接触面积37875.7mm2,选取每根铜编织线为60×120 mm2,则有效接触面积为6S=40477.6>37875.7,满足设计要求。
4.2 与发电机出口断路器连接结构。根据发电机出口断路器情况,离相母线采用十方金具20根铜编织线,外壳采用橡胶伸缩节实现快速可拆装置,并用导电连接板跨接形成全部电气连接。导体连接处设置铜编织线支撑环,以减少强磁场产生的力对铜编织线长期运行造成的损坏。在起动开关与起动母线连接处同样设置快速可拆形式,用以实现起动回路的换相需要。
此结构设计四处可拆连接结构既能完成复杂的设备连接,又能解决离相母线导体、外壳的热胀冷缩问题,用此部分的变形来吸收由于温度变化、土建误差等引起的变形,很好地满足运行要求,并为以后的检修提供方便。
4.3 与发电机中性点的连接结构。本套工程发电机中性点采用每相三线形式,装配四组发电机测量、保护用CT,并在分三组分别封星后安装两台发电机恒差保护用CT。差动保护主要用来保护发电机绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障,同时也可以用来保护匝间短路故障,即纵差和横差保护保护。从理论上讲,正常运行时差动回路电流为零,实际上由于两侧电流互感器的特性不可能完全一致等原因,在正常运行和外部短路时,差动回路中仍有不平衡点流过,此时要求不平衡点流应尽量的小,以确保发电机正常运行。
离相封闭母线设计成差动保护形式的接线方式,在设计及制造中还属首例,根据长期的工作经验,计算出最小绝缘距离下的弧形导体外形尺寸,满足有效电流面积,采用绝缘子通过压块与螺栓紧固的形式来完成导体接线方式,很好地解决实际应用问题,通过各项试验均满足设计要求。
5 结论
本文通过针对抽水蓄能工程的计算,完成理论到实践的转化,并在实际中得以应用。本着简化设计、降低成本、节约消耗的宗旨,在实际各个结构设计中做到满足各项技术参数要求合理布局有利于实际生产制造,理论与实践相结合,促进抽水蓄能电站的国内自主设计、生产。
参考文献:
[1]梅祖彦,《抽水蓄能技术》[M].北京: 清华大学出版社,1988.
[2]潘家铮、何璟,《中国抽水蓄能电站建设》[M].北京:中国电力出版社,2000.
[3]吴励坚,《大电流母线的理论基础与设计》[M].北京:水力电力出版社,1995.
[4]范锡普,《发电厂电气部分》[M].北京:水力电力出版社,1987.
[5]蒲石河抽水蓄能电站技术规范书.
关键词: 抽水蓄能;发电电动机组;离相;封闭母线;结构
中图分类号:TV7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0510051-01
0 引言
近些年,随着国内电力的发展和系统电能结构的变化,充分利用能源及保障系统的稳定性和可靠性问题,倍受国家关注。抽水蓄能机组以其独有的特性,可以有效地改进电力系统的能源结构和提高供电质量;能迅速承担电力系统调峰和调谷任务,使电力系统中火电机组稳定负荷运行,锅炉及汽轮机不需强迫在低出力运转,以提高效率,降低煤耗;防洪、灌溉专用水库与发电蓄水在用水上的矛盾较好解决,可增大以下梯级电站的装机容量和年发电量;调频性能好,具有高度的灵活性和可靠性,能适应急骤的负荷变化,维持电力系统的周波稳定;调相运行,在距离负荷中心近的抽水蓄能电站可多带无功负荷,调整电力系统电压。
1 电站布置形式
电站发电电动机与主变压器接成4组发电电动机变压器单元,在发电电动机和主变压器之间接有换相开关和发电电动机断路器。发电电动机工况转换时的换相和机组并入系统的同期均在主变18kV侧进行,即在离相封闭母线回路进行。连接发电电动机和主变压器的主回路离相封闭母线及其分支离相封闭母线、电流互感器、电压互感器柜、发电电动机断路器、换相隔离开关、电制动开关柜、励磁变压器柜、起动回路隔离开关等布置在母线洞内;主变压器和变频起动装置及其附属设备布置在主变洞内。
2 发电电动机电压母线的技术条件
发电电动机电压母线采用全连自冷离相封闭母线,额定电压 20kV;额定电流 14kA;绝缘水平工频(有效值)68kV;冲击(峰值) 125kV;动稳定电流300kA;热稳定电流100kA(3S);环境温度40℃。
3 设计过程计算
1)母线的发、散热通过程序计算,母线电能损耗Pm=343W/m;母线辐射散热Qmf=277W/m;母线对流散热Qmd=69 W/m,定性温度:t=75.5 ℃;母线辐射、对流总散热量Qmfd=Qmf + Qmd = 346 W/m大于发热量,符合设计要求。
2)外壳的发、散热通过程序计算,外壳电能损耗Pk=260W/m;外壳辐射散热Qkf=398 W/m;外壳对流散热Qkd=256W/m;外壳辐射、对流总散热量Qkfd=Qkf + Qkd = 654 W/m 大于发热量,符合设计要求。
母线、外壳总发热量Pmk=Pm + Pk = 603W/m;外壳总散热量Qkfd=Qkf + Qkd = 654W/m;总散热大于总发热,满足散热要求!
3)避开共振区域跨距计算。由于电动力系同向均布,短路时发生响应的主要是主频率,故计算时仅考虑主频率共振,共振频率按避开3070Hz
计算。检验仅选择双跨或单跨外伸两种情况,跨距应小于5.521886m或大于8.43482m 。根据母线分段情况选择3米。母线最大相间电动力(按敞露母线电动力的 0.33 计算) Fmax = 373.3715 Kg/m,通过母线的动态应力计算允许母线最大跨距为20.08857m 。由于母线采用三支持结构,绝缘子受压力。而绝缘子的抗压一般比抗弯大5倍以上,故完全可以满足要求,因此决定母线跨距的不是母线和绝缘子的允许应力,而取决于避开共振区。
3.4 热稳定计算。短路时,由于短路电流大于计算工作电流许多倍,而且时间很短,导体来不及散热,因而导体温度突然上升达到很高的数值,有可能影响安全运行,因此需要进行热稳定校验。热稳定计算一般按绝热过程考虑Am= 21375.38满足热稳定计算要求。
4 结构布置
4.1 与发电电动机连接结构。根据发电工况计算额定电流Ie = 12499A;电动工况计算额定电流Ie = 11066A;每相若采用18根铜编织线,每个铜编织线载流量为624A,考虑裕度后,应选In =630A铜编织线。根据接触面积σ= 0.11A/mm2;S∑ =Ie/σ=12499/0.11=113627.2mm2,主、中引出每相为3片160×16铜排,故每片应达到接触面积37875.7mm2,选取每根铜编织线为60×120 mm2,则有效接触面积为6S=40477.6>37875.7,满足设计要求。
4.2 与发电机出口断路器连接结构。根据发电机出口断路器情况,离相母线采用十方金具20根铜编织线,外壳采用橡胶伸缩节实现快速可拆装置,并用导电连接板跨接形成全部电气连接。导体连接处设置铜编织线支撑环,以减少强磁场产生的力对铜编织线长期运行造成的损坏。在起动开关与起动母线连接处同样设置快速可拆形式,用以实现起动回路的换相需要。
此结构设计四处可拆连接结构既能完成复杂的设备连接,又能解决离相母线导体、外壳的热胀冷缩问题,用此部分的变形来吸收由于温度变化、土建误差等引起的变形,很好地满足运行要求,并为以后的检修提供方便。
4.3 与发电机中性点的连接结构。本套工程发电机中性点采用每相三线形式,装配四组发电机测量、保护用CT,并在分三组分别封星后安装两台发电机恒差保护用CT。差动保护主要用来保护发电机绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障,同时也可以用来保护匝间短路故障,即纵差和横差保护保护。从理论上讲,正常运行时差动回路电流为零,实际上由于两侧电流互感器的特性不可能完全一致等原因,在正常运行和外部短路时,差动回路中仍有不平衡点流过,此时要求不平衡点流应尽量的小,以确保发电机正常运行。
离相封闭母线设计成差动保护形式的接线方式,在设计及制造中还属首例,根据长期的工作经验,计算出最小绝缘距离下的弧形导体外形尺寸,满足有效电流面积,采用绝缘子通过压块与螺栓紧固的形式来完成导体接线方式,很好地解决实际应用问题,通过各项试验均满足设计要求。
5 结论
本文通过针对抽水蓄能工程的计算,完成理论到实践的转化,并在实际中得以应用。本着简化设计、降低成本、节约消耗的宗旨,在实际各个结构设计中做到满足各项技术参数要求合理布局有利于实际生产制造,理论与实践相结合,促进抽水蓄能电站的国内自主设计、生产。
参考文献:
[1]梅祖彦,《抽水蓄能技术》[M].北京: 清华大学出版社,1988.
[2]潘家铮、何璟,《中国抽水蓄能电站建设》[M].北京:中国电力出版社,2000.
[3]吴励坚,《大电流母线的理论基础与设计》[M].北京:水力电力出版社,1995.
[4]范锡普,《发电厂电气部分》[M].北京:水力电力出版社,1987.
[5]蒲石河抽水蓄能电站技术规范书.