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1、 1 6 1 概述 概述 50 年以前 在洪水泛滥的 San Joaquin 河及其支 流上修建了一系列复杂的坝 隧洞和水库 使该流域 得到了综合治理 在上述河流上修建的水电站向南加 州爱迪生公司负责的加州中部 南部地区供电 此外 使该流域地区在 70 年代初经济得到发展 1987 年已 成为经济发达的地区 早在 1880 年 John S Eastwood 工程师对这一地区进行了勘测并展望了未来发展潜 力 因此 为纪念这位工程师 该地区以该工程师名 字命名 这个工程位于塞拉国家森林区 塞拉内华达山脉 西坡高地 距东北 Fresno 城 88 公里 毗邻风景如画 的修面湖山区 因为这个工程位于
2、环境保护敏感地带 要求对周边的森林造成的影响最小 所以这个电站设 计为地下式 完全建造在山体内 电站装设一台发电 机组 主变压器布置在地下洞内 电力通过布置在坚 硬花岗岩垂直竖井中的 SF6 管道母线送到地面 并通 过常规的架空输电线路送至7公里以外的大溪1 电站 的 220kV 开关站 2 母线设计 母线设计 首先考虑的是 如何将 200MW 的电力通过一个直 径 6 1m 高 305m 的竖井送到地面 并且这个竖井内 要布置电梯 步梯 加之动 力电缆 控制电缆和通 信电缆也要敷设在竖 井内 在列入可选的导体方案中有 13 8kV 发电机电 压母线 242kV 裸导体 242kV 充油 管道
3、式电缆 242kV 干式电缆 242kV SF6 柔性母线 242kV SF6 管道母线及它们之 间的组 合 考虑到竖井的高度 竖井内面积及空间的限制 技术 经济和安全等综合因素 经比较最终选定了 242kV SF6 管道母线和一小段 242kV 裸导体方案 SF6 管道母线安装在 305 米世界上最高的垂直竖井中 SF6 管道母线安装在 305 米世界上最高的垂直竖井中 Charles L Hand 高级工程师 Keith Tieszen 高级工程师 美国南加州爱迪生电力公司 图 1 垂直母线安装现场山顶鸟瞰 图 2 地下厂房内景 南加州爱迪生公司对 SF6 组合电器装置比较熟 悉 早在 1
4、960 年就率先使用了 SF6 绝缘断路器 1973 年在一个 242kV 开关站中使用了 GIS 开关装置 见 T D 杂志 1974 年 4 月 其中就有 30 米高垂直 SF6 管道母线 1985 年在一个超高压开关站中采用了 GIS 开关装置 见 T D 杂志 1987 年 8 月 无论怎样 这种安装形式和安装高度都是史无前例的 在设计时 应认真 详细地考虑到制造 安装 试验 运行和维 护等方方面面的问题 因此 对方案进行了世界性广 泛调查 列入调查的有南非 西德 加拿大和瑞典 上述几个国家有几个已投运的SF6 管道母线安装在隧 道内和竖井里 有两个工程 SF6 管道母线长度有 548
5、 6m 但布置在只有 30 度角的斜洞内 发现的最 高垂直段也只有 152 米高 只是本工程的一半 完成上述调研后 参观了几家制造商 了解生产 装备 讨论设计特点 再此之后 与几家制造商进行 了接触 得到了一些技术数据并且知道了他们为什么 希望得到该项目 最终 西屋电气公司 现为 AZZ CGIT公司 同意设计和制造这个特殊的SF6管道 母线 下一步进入了确定设计参数 由于竖井的空间受 到了严格的限制 这就要求对布置进行特殊规划和特 殊的提示 例如 SF6 管道母线外壳和导体的连接方 式 由于空间狭小 竖向布置阻碍了接近母线 焊接 产生的烟使各方向的视线不清 使现场焊接出现极大 的困难 另外
6、现场焊接的压力试验 将来的现场维 修及母线内部出现闪络故障的处理也都是非常困难 的 设计上应该考虑这些因素 由于上面的这些原因 选择了法兰连接方式 这个单相式 SF6 管道母线外径 304 8mm 法兰直 径 432mm 在这个直径 6 1m 的竖井中只占用了一部 分用于布置三相母线 布置一个完整的气室段 并考虑了运行维护时从两个外壳之间到另一个外壳 图 3 垂直母线法兰连接与充气阀 概率统计法绝缘配合表明 如果在母线两端设置 避雷器 母线耐冲击水平为 900kV BIL 变压器耐冲 击水平为 825kV BIL 敞开式避雷器很容易地安装在 户外架空线与 SF6 空气套管之间 变压器端布置在很
7、 深的地下 暴露出一些重要的问题值得研究 首次研 究表明 SF6 管道母线通过油 气套管连接 需配置必 要的 GIS 型避雷器 另外 考虑到维修 在靠近变压 器处应设置可拆卸连接片或隔离开关及接地开关 以 前的经验反馈证明 这种连接方式技术上是可行的 但是 如果可能的话应避免此种连接方式 的通道空间 从平面上看 三相母线及备用段布置在 同一平面上 距竖井中心 610mm 步行梯布置在母线 与电梯之间 每 3 66 m 设一个休息平台 电梯每 25 6m 设一个停靠站 从方便运输上确定了最 长母线段为 18 3m 正好是步行梯休息平台间距的倍 数 步行梯和休息平台全部由竖井墙封闭 整个高度 设有
8、围拦 在垂直高度间隔不超过 7 3 m 的围拦上设 有通向母线区的门 在围拦外面设置一个 762mm 宽 的小平台 以便接近母线 进入竖井只有上 下两个 入口 每一个连接法兰及母线配套的充气阀 密度监视管线 及监视器小柜都布置在电梯停靠站处 并且很方便地 通向小平台 密度监视器小柜布置在围拦内 以便运 行人员安全地在围拦内读取压力值 所有母线的法兰 连接均布置在步行梯围拦外侧 在小平台上面 1 2m 以便在安装及维护期间进行吊装 连接和漏气检查 见图 3 3 终端装置 终端装置 因为这个SF6管道母线地面端要连接到遭受雷电 的架空输电线上 所以要在终端处设置避雷器 另外 母线地下一端连接的升压
9、变压器也需要暂态过电压 保护 2 6 通过一系列的研究与商谈 SF6 管道母线与变压 器的连接方式 决定采用技术上可行又经济的 242kV 空气绝缘裸导体连接 此种连接方式有如下优点 也 是为什么不采用直接连接的原因 a 变压器使用传统的空气 油套管 变压器出厂试 验时使用的套管就是现场实际使用的 242kV 套 管 b 变压器工厂试验时不需配置SF6 油套管的SF6气 体处理设备 c 可以使用与线路侧相同的敞开式避雷器 代替 GIS 型避雷器 d 在变压器与 SF6 管道母线做高压试验时 非常容 易地拆下螺栓固定的裸导线 e 在 SF6 管道母线两端采用相同的 SF6 空气套管 因此可减少备
10、品备件的型号与数量 f 不 需 采 用SF6绝 缘 的 可 拆 卸 段 隔 离 开关 接地开关 减少了这一复杂的系统 g 由于不存在与变压器的接口 也就不存在 SF6 气 体进入油或油进入 SF6 气体的可能性 h 变压器与 SF6 管道母线不需要精确对位 大大的 减 少 了 设 计 与 安 装 工 作 量 变 压 器 制 造商不需要与 SF6 管道母线供应商协调配合 i 在变压器洞室 不存在 220 kV 敞开带电部分相间 和对地距离的问题 4 气室设计 气室设计 每相母线划分了若干个气室 采用盆式绝缘子作 为两个气室间的分隔体 与主变压器相连的水平段划 为一个气室 户外出线处划为一个气室
11、余下的垂直 段划分 5 个气室 划分多个气室的主要目的是限制在 运行时 内部发生闪络产生的污染物的扩散 当发生 气体泄露时 可减少气体的损失 也可减少洞内漏气 沉积量 如不划分多个气室 每相气 图 4 母线与步梯立面示意图 体总量达 726kg 此外 在维护期间也可减少气体处 理时间和成本 每个气室是独立的 在维护期间盆式绝缘子应 能承受通过外部旁通阀排气造成的压力 每个气室正 常压力为 3 85kg cm2 旁通排气过程引起每相的顶部 与底部之间压差达 0 7 kg cm2 是由气体静态重力引 起的 防爆膜的设计考虑了这个压力上升的因素 3 6 5 母线支撑系统 母线支撑系统 外壳与导体在垂
12、直与水平两个方向进行支撑固定 是必要的 竖井段的外壳在竖井上部进行了整体固定 是最可靠的固定布置方式 由于竖井底部空间的限制 无法将 18 3m 长的母线从水平方向段运进垂直段 母 线的运输是从顶部进行的 由于通道的限制 安装母 线最方便的方法是从底部向上安装 每一相全部重量 为 9072kg 一开始需要在底部进行支撑 由于热膨胀 金属的延展性和误差等因素 如不 采用补偿装置 竖井底部到上部的距离很难得到有效 控制 因此 每一相开始就用四条腿的钢支撑 且每 一条腿上装有液压油缸 安装开始时 油缸在完全降 低位置 完成一相安装后 使液压油缸升起 153mm 使整个相向上升起 然后用螺栓将外壳固定
13、在主支撑 钢梁上 安装完后 四腿钢支撑架和液压缸应保留原 处 作为地震缓冲器和维护工具 每一相沿竖井全长 限制任一水平方向上的移动 同时允许有垂直方向上 的自由移动 在每两个或三个步梯平台处设置滑动支 撑 每 18 3m 段有两个支撑 出于长细比失稳和弯曲的考虑 在安装中每一段 母线需进行水平支撑 考虑竖井段的母线热胀冷缩 在竖井底部设置了柔性肘管段 没有使用波纹管 每 相母线仅有四处支撑 架空线处 SF6 空气套管底部 竖井顶部主垂直支撑 变压器室隔墙处和变压器室天 棚下方 母线里面的载流导体也需要支撑 每隔 6 1m 采 用支柱绝缘子或盆式绝缘子将 102mm 的导体固定 在外壳中央 每隔
14、 18 3m 将一个绝缘子钢性地固定在 导体和外壳上 导体热胀冷缩时其它所有支柱型绝缘 子在外壳里面滑动 导体的连接采用多指式插头和插 座 允许插头和插座之间有一定的移动 不影响电流 的传导 因此 最长一段垂直支撑的导体有 18 3m 6 维修方式 维修方式 设计时考虑了在冬季雪很深 汽车吊很难接近竖 井顶端 母线维修不采用汽车吊 为实现这一目的 在竖井顶端设置一台永久性的 3 吨桥吊 并且带有 305m 长钢缆 一个完整的 76 8m 长备用段悬吊在竖 井顶端 如果发生母线内部闪络事故 排除故障段的 SF6 气体 拆开连接并且将其移到竖井内的储藏位置 将备用段吊入故障段位置后进行连接并充 S
15、F6 气体 在这个操作过程中 首先将在每一相底部的液压油缸 上升 释放外壳的拉力 然后松开故障段上 下端法 兰螺栓 法兰分离后降低液压油缸 故障段和下面部 分随之下降 将故障段吊离 用备用段更换故障段完成后 将底部的液压油缸 升起 连接法兰螺栓并用力矩扳手拧紧 作完试验后 发电机随之启动发电 4 6 7 安装过程 安装过程 经过详细计划后 在 1986 年 10 月和 11 月间共 花了 6 个星期 完成了母线安装 没有遇到大雪和寒 冷的天气 工地场地很小 只有一条又陡 又窄 风 又大的双车道山路 由于这个原因 首先将母线运到 距工地 145 公里的 Tulare 储藏 4 个装载点都是码垛
16、堆积 从那里向山顶上运输 到现场后 每一捆单独 摆放 装配期间 用汽车吊将一段母线从一捆中吊起 倾斜并竖直 从竖井顶部吊物孔吊进竖井 并且吊到 预定位置 同时用永久安装的导轨和滑车配合 母线 都是按安装顺序打捆包装的 第一节就位后接着安装 第二节 节数多 数量大 每一节各不相同 吊装方 式成为母线安装的关键所在 制造商代表负责安装技 术指导 并且在安装开始前对工人进行了培训 需要 特别注意的是 千万不要 把螺栓或工具掉进母线里面 假如发生了掉物 将会 严重损坏绝缘子 而且需要认真仔细的修理 安装开 始前 步行梯 电梯要可用 钢结构也要安装完成 这些对安装工作都是十分必要的 8 试验 试验 由于首次采用此种安装方式 关注的焦点落在试 验上 采用各种试验方法检验设计的合理性 早在订 货时 西屋电气公司 现为AZZ CGIT公司 就完成了型 式试验 包括 60Hz 425kV RMS 900kVBIL 1200A 连续升温 63kA动稳定和 40kA热稳定耐受能力试验 除上述试验外 增加了验证外壳 螺栓连接 法 兰密封能否耐受下面所述的负荷而不出现永久变形 爆裂 开焊 漏气及螺栓损坏现象的试
