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1、新设备新技术在水电工程中的应用 前 言新设备新技术是产学研用（应改为学研产用）即产业、学校、科研及用户等相互配合，发挥各自优势，形成强大的研究、开发、生产、使用一体化的系统。高校及科研单位主要研究前沿理论，探索新方法和新材料、新技术，在理论上对新设备的原理及所需要的材料进行论证；制造单位进行产品试制、试验、改进和批量生产，设计单位根据产品特性、工程特性、性价比进行产品造型并提出要求，用户单位对产品进行运行管理、保养、维护等，对产品的质量、性能最有发言权。在新产品推广过程中，也并非所有新产品在今后能得到持续大量使用，如在消雷器的使用过程中，将不该引的雷电反而引到了变电站、石油储存库等设施，发生了
2、不少雷击设施或造成强大的感应雷电压而造成设备损坏，早总结分析后停止使用消雷器。如GC系列高压开关柜也是昙花一现，就退出了市场。再如自动重合器和分段器在变电所中的使用，本是可以节省房屋建筑，减少占地面积，但由于本身可以自动多次重合，给用户带来了不少困惑，人员检修不及时，目前已很少在农村变压站中使用，只在城区辐射配电网和环形配电网中使用，以缩小停电区域。所以，作为设计单位，对新产品的使用比较慎重。首先要弄清原理、结构、适用环境和使用条件。其次，就是要查型试验报告、鉴定报告等文件，经过深入研究后才能应用到实际工程中。改革开发以来，通过引进和消化、吸收国外先进技术，加快了我国电力系统电气设备更新换代的
3、步伐，提高了设备的性能、可靠性和自动化水平。控制保护设备更是发生了颠覆性的变化，由常规硬布线继电器逻辑控制系统到目前广泛采用的计算机监控系统，保护装置有继电器保护配置到微机型继电保护装置，大大提高了电站的自动化水平，实现了“无人值班少人值守”，减轻了值班人员的劳动强度，减少了运行人员的数量，节省了资金。如真空灭弧室和能头材料分别从美国和德国引进；GIS设备分别从日本和法国引进，HGIS为法国ABB公司首先开发的产品；金属氧化物避雷器的阀片生产技术也是从日本和美国引进，现在都已全部实现了国产化。一、 导体导体分为裸导体、封闭母线和电力电缆。1、裸导体软导体硬导体裸导体铝合金绞线（AAAC）碳纤维
4、复合心铝绞线（ACCC）扩经导线，特殊耐热合金线等钢芯铝绞线（ACSR）铜、铝矩形导体槽形母线管形导体对220kV及以下电压等级的软导线，一般选择钢芯铝绞线(JL/GA)，且在我国大量采用，对AAAC在国外应用较多，应用率达到70%以上，我国大约只有30%左右在使用。由于AAAC有许多优点，今后将会越来越多的使用。AAAC具有以下优点：传输容量大，线损小，输电时可减少损耗3%以上；耐腐蚀性好，使用寿命长；能承受的拉力大，重量轻，弧垂小，可节约导线和降低杆塔的高度。铝合金绞线的型号很多，标准也很多，各国的标准有所差异，国内基本上都可以生产，主要是用于出口。铝合金绞线的代表型号有：铝合金绞线（AA
5、AC）对应国内的LHJ；铝合金芯铝绞线（ACAR）对应国内型号JL/LHA1；钢芯铝合金线绞线（AACSR）对应国内型号JLHA1等。铜、铝矩形导线：目前大量采用的是铜导体，铝导体已经很少采用，其主要原因是铜的储量大、电阻小、导电性能好、强度大。在作为母线使用时，在特殊场合也做为接地线使用。以前采用保护网保护的裸铜、铝母线，由于运行不安全、运行维护不方便、占有空间大等原因，现在已经很少采用。管形母线与软导相比，其在风偏和电动力作用下的弧垂摇摆现象很微小，因此布置时可按最小带电安全距离来决定；占地面积较小，常用于110kV及以上电压等级或户内受尺寸限制的地方使用。它也便于截流大的封闭母线内，或设
6、备之间的连接。它的布置简单清晰、构架简单、静电干扰小。管形母线的材质一般选用铝锰合金和铝镁合金两种，由于铝锰合金截流量大，易于焊接，虽强度较铝镁合金低，但可以采用其它措施来解决，所以应用更为广泛一些。管形母线的固定方式可采用支持式或悬挂式两种。在220kV以上的电压等级由于受支柱绝缘子强度、隔离开关高度等的限制，一般采用悬挂式，即每相采用两个悬垂绝缘子串悬挂管型母线。在地震烈度大于9度时，为了保证地震时母线的安全，常采用悬挂式。使用管形母线的设计计算较为复杂，需要考虑机械强度、短路电动力、弯矩和应力、母线扰度（包括微风振动）、端部效应等问题。管型母线使用工程，如怀化蟒塘溪水电站、大源渡航电枢纽
7、、汝城庐阳变电站等。2、封闭母线2.1 分类封闭母线气体绝缘封闭母线离相封闭母线电缆母线绝缘母线共箱封闭母线，共箱隔相封闭母线 目前，在中小型水电站应用最广的是共箱封闭母线和电缆母线，共箱隔相封闭母线和绝缘母线也有使用。2.2 共箱封闭母线共箱封闭母线的特点是结构紧凑、安装方便、运行维护工作量小、防护等级可达IP54。可基本消除外界潮气、灰尘以及外物引起的短路故障。其导体材料一般采用铜或铝，导体型式根据电流的大小可采用矩形、槽形和管形母线，一般适合于35kV及以下，电流为6300A以下的回路。当电流大于2500A时，一般采用铝合金外壳，其防腐性能良好，并且避免了钢制外壳所引起的附加涡流损耗。一
8、般在长度超过20m的直线段、不同基础连接段及设备连接处等部位，设置伸缩补偿装置。在环境比较潮湿，长度较长时还应设置防结露装置。安装方式采用支撑式或悬挂式。防结露装置常采用微正压装置、热风保养装置、电加热装置和空气循环干燥装置。共箱封闭母线图纸及在工程中应用。2.3 离相封闭母线采用纯铝外壳将导体分相封闭，导体一般采用纯铝圆形导体，大容量可以选用多边形导体，每相导体在同一断面上允许用一个或多个绝缘子支撑，支持跨距应避开振区。广泛应用于100MW及以上的发电机机组，国外也有50MW的机组应用离相母线。离相封闭母线特点：减少接地故障，避免相间短路；采用外壳屏蔽可消除钢构发热；由于外壳的屏蔽作用使相间
9、导体所受的短路电动力大为降低；母线封闭后有可能采用微正压运行方式防止绝缘子结露，提高运行可靠性；封闭母线由工厂成套生产，质量有保证，运行维护工作量小。2.4 绝缘管形母线绝缘管形母线有全绝缘和半绝缘之分，它是利用铜管作导体，外敷绝缘的一种母线产品，国外称之为“管形电缆”。它具有载流量大、机械强度高、绝缘性能好、适应范围广等特点。可结合土建结构设计和地形，利用相关附件可随时转弯，母线支撑跨度最大可达8m，目前主要集中在0.4kV35kV电压等级产品，随着产品的不断成熟，应用会越来越广泛。从设计和使用者的角度看，虽然厂家承诺使用寿命在30年以上，但随着时间的推移，环境的交叉变化，长期运行时的发热等
10、影响，必将对绝缘材料的使用寿命有一定的影响，特别是在连接和接头处，还必须经过时间的考验。目前对绝缘管形母线还没有国家标准，各厂家的命名方式和规格型号都不同。可根据工程实际情况进行选用。目前三相每米的价格已经降到低于共箱封闭母线。看绝缘管形母线应用图片。2.5 气体绝缘金属封闭母线（GIL）主要应用在330kV及以上超高压系统中，内部结构和外部设计比较复杂，安装要求较高。主要特点有：电容电流小，电能损耗小，无电磁干扰维护工作量小，安装快捷、不受转弯半径和高差的影响，工厂标准化生产，能保证质量和精度要求，价格为高压交联电缆的75%左右等优点。在技术经济比较合理时，一般使用在下列场所：1） 出现场地
11、特别狭窄的地方；2） 和其他电压等级的出线回路交叉时；3） 对可靠性要求特别高的地方；4） 输送容量大的回路；5） 长距离、大落差的地方，采用其他方法无法解决的工程中。气体绝缘金属封闭母线（GIL）外壳可以是钢板焊接、铝合金板焊接。导体材质为电解铜或铝合金。接地方式一般采用多点互联接地。安装方式有地面安装、隧道和竖井安装、直埋安装等方式。2.6电缆母线利用电力电缆作为母线来连接设备之间传输电流的导体，由于电缆的柔性特点，连接比较方便，绝缘性能好，多用于电流不大，其他母线型式不易安装处。在小水电站应用比封闭母线要便宜。但当采用单芯多根电缆母线时，应考虑温度修正、敷设修正及排列对电缆载流量及发热的
12、影响。电缆母线金属护套的接地在传输容量不大或利用率低时可采用二端接地；对电缆线路不长，且金属护套上任一点的正常感应电压不超过规定值时，应采用一端连接接地方式。二、高压断路器1、高压断路器分类多油断路器：淘汰产品，已不使用；少油断路器：部分在使用，新设计的电站均不再使用；空气断路器：已不使用；真空断路器：目前大量采用；SF6断路器：目前大量采用；发电机专用断路器：主要用于发电机主回路。由于油断路器不环保、不节能、绝缘性差、维护工作量等缺点，因此、目前多油断路器、少油断路器已基本淘汰，仅在一些老电站、无经济能力更换进行改造和更换设备的电站还在使用，配件在市场上已难购到。空气断路器也就是压缩空气断路
13、器，由于需要一套压缩空气系统、操作时噪音大、运行中不安全、维护工作量大、体积大等缺点，目前在市场上很少有，也不再采用，属于国家第15批淘汰产品。2、真空断路器10kV使用的断路器大都为真空断路器，只有在10kV以上或回路电流特别大的机组中采用SF6断路器，如LN20等。普通配电型真空断路器型号比较多，性能基本相同，个厂家的产品在结构上有所区别，总体是向着小型化方向在发展。断路器所配操作机构有弹簧操作机构，电磁操作机构和永磁操作机构。弹簧操作机构跳闸电流小，速度快，跳合闸弹簧独立运行，体积较小，目前大多采用弹簧操作机构。电磁操作机构跳闸电流较小，但合闸电流很大，跳合闸时间都比较长；永磁操作机构体
14、积小，传动机构部件少，可靠性较弹簧操作机构要好。但由于其质量不稳定，在市场上不能推开。电磁操作机构和永磁操作机构仅在某些特别的场合使用。在35kV及以上电压等级主要使用SF6断路器、GIS设备。在选用35kV真空断路器时，由于其切断速度快，在电流未过零的情况下就切断短路电流，所以会在切断小电流时产生截流过电压，必须要采取措施来限制这种过电压，一般采用避雷器和R-C阻容装置来限制。但由于正在高电压质量不稳定，没有考虑到各种系统参数的匹配，常使R-C或避雷器发生故障甚至爆炸。因此在选用真空断路器作为35kV系统出线断路器时必须慎重选择。目前已使用的比较少，多用SF6断路器代替。3、发电机断路器发电
15、机专用断路器是专用于发电机主回路的一种断路器，是一种低电压、大电流断路器，灭弧介质大多为真空和SF6气体，对中小容量的发电机电压母线一般采用共箱封闭母线和电缆母线，为了便于连接和布置，额定电流在4000A及以下的真空断路器安装在开关柜内。发电机断路器有其很大的优点，就是能切断较大的短路电流直流分量，切断关合电流可达额定开断电流的2.74倍；有较高的耐受瞬态恢复电压幅度和上升陡度的能力，同时在失步开断的情况能切断50%的额定开断电流和20%直流分量的能力。由于发电机断路器靠近发电机布置，发电机回路的时间常数（150ms）比系统的时间常数大（50ms），发电机回路电抗大，短路电流直流分量衰减更慢一些，交流分量衰减更快，导致短路电流在几个周期内都不过零，从而使发电机回路短路电流的直流分量要高于其他地点短路电流的直流分量。因此，对发电机专用断路器切断直流分量有较高的要求。一般对系统提供的短路电流直流分量要求有68%交流周期分量值（对发电机源要求130%），而普通配电型真空断路器只能切断25%的交流分量有效值的直流短路电流，有些厂家声称可以达到40%，但没有试验报告。发电机断路器瞬态回复电压（TRV）在系统源和发电机源时都均要求22kV，瞬态电压上升率（RRRV）分别为3.5kV/s和1.6kV/s，而普通断路器的TRV和RRRV分别为20.6kV和0.34kV/
