熱管冷卻發電機斷路器在瀑布溝水電站的應用

袁永生，李婷婷，向文平，蔣 敏

（國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 漢源 625304）

熱管冷卻發電機斷路器在瀑布溝水電站的應用

袁永生，李婷婷，向文平，蔣 敏

（國電大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 漢源 625304）

主要介紹了采用熱管冷卻技術的發電機斷路器（以下簡稱G CB）在瀑布溝水電站的應用。在G CB中，以往要增加G CB載流量，常采用強迫空氣循環或者采用電機帶動風扇的熱交換器（有源冷卻系統），加快G CB熱量的傳遞，但對于G CB截流導體的熱量還是無法快速釋放。而熱管冷系統（無源冷卻系統）沒有像電機或者風扇這樣的機械運轉部件，但它可通過絕緣部件及導熱介質，直接將G CB內部導體熱量傳遞到外面，實現能量快速交換。無源冷卻系統取代有源冷卻系統，可進一步提高G CB的載流能力，同時也可以獲得一個高可靠性和長使用壽命。

發電機斷路器；熱管冷卻；溫升

瀑布溝水電站位于大渡河中游，地處四川省西部漢源和甘洛兩縣交界處，距成都市直線距離約200 km，靠近負荷中心。電站共裝設6臺混流式水輪發電機組，總裝機容量3 600 MW，在系統中主要起調峰和事故備用作用，因此設置機組出口GCB，對于提高了并網的快速性和可靠性，確保電網的安全穩定運行有重要作用。

瀑布溝水電站發電機—變壓器組采用單元接線，在發電機和變壓器之間設置GCB，選用瑞士ABB，HECS-130XXL型SF6 GCB，額定電壓25.3 kV，額定電流23 kA，是世界第一臺采用熱管冷卻方式增加載流容量的GCB，發電機額定電壓20 kV，母線采用離相封閉母線。發電機與變壓器之間的單元接線如圖1所示：

圖1 發電機與變壓器之間的單元接線

1 瀑布溝發電機斷路器特點

瀑布溝GCB采用瑞士ABB，HECS-130系列中的XXLp型產品，是在原產品HECS-130XLp基礎上，不改變產品結構情況下，通過熱管冷卻技術將GCB的載流量從13 000 A增加至23 000 A，GCB體積無變化。由于瀑布溝電站建于地下洞室中，設備體積減小可減少洞室開挖量，也有有利于設備的安裝。下面針對HECS-130XL采用熱管技術進行介紹。

1.1 冷卻系統

1.1.1 熱管冷卻的原理

熱管冷卻是一種高效的熱傳輸元件，由一個包含著少量有效液體的密閉附件組成。充分利用這種有效液體的蒸發作用，把蒸餾器的潛在熱量傳輸給冷凝器，讓液體蒸氣在冷凝器中冷凝，然后讓冷凝物流回蒸餾器。熱管的原理如圖2所示。

圖2 熱管結構圖

瀑布溝水電站GCB采用3M TMHFE-7100TM作為冷卻介質，該介質滿足環保要求，沸點為61℃。當溫度低于61℃時，3MTMHFE-7100TM為液態，匯集在蒸餾器內。當斷路器運行溫度超過61℃時，3M TMHFE-7100TM轉變為氣態，將熱量轉遞到GCB上方的冷凝器中，然后再通過外部空氣對流散熱，達到降低GCB運行溫度的目的。

1.1.2 熱管的應用要求

（1）總體要求

冷卻系統的首要任務是把熱量從熱源傳輸到周圍，當然冷卻系統也必須遵從GCB的其他的一些要求，比如環境狀況或者絕緣要求、GCB的電流遮斷能力等其他功能不能被冷卻系統所影響。顯而易見，在斷路器的使用期間，冷卻系統必須具有高可靠性。

1 ）熱管的熱傳導率

根據IECIEEE C37.013-1997《以對稱電流為基礎的交流高壓發電機斷路器》，主觸頭的最大可允許溫升為65 K。

2 ）電氣絕緣

由于冷卻系統對于熱量的傳輸要求很高，熱管必須將從導體散發的熱量傳輸到所裝入熱交換器的周圍。因此這個冷卻系統就跨越了絕緣距離，所以必須滿足在任何工作狀況下的相應絕緣等級。

3 ）機械要求

當進行開關操作的時候，在導體和裝入附件之間會產生相應的震動，這就使得熱管系統承受的機械力增大。地震、運輸和由溫度變化（比如周圍環境溫度的變化，負載電流變化，或者日夜交替）引起的熱脹冷縮等也會對其有影響。

4 ）環境狀況

工作地環境溫度可以從-40℃至+50℃，整個系統既適用于室內安裝，又適用于室外安裝。

5 ）使用壽命，維護

為了不影響GCB的檢修周期，熱管系統應保證有20年的使用壽命。

（2）熱管的導熱介質

熱管單元中所使用的導熱介質是一種英文名為hydrofluorether（HFE）的液體。除了它們的熱特性之外，這類液體還具有滿足在GCB中應用的這些特性：

1 ）有優良的絕緣特性，衰減強度值大約為15 kV/mm；

2 ）無毒性，因此液體的處理不再是問題；

3 ）可以溶解很多的材料；

4 ）不可燃；

5 ）無溫室效應，對臭氧的損耗效應為零。

為了達到前面提到的那些要求，HECS類型的GCB的冷卻系統每極由6個熱管系統組成。每個熱管的傳輸部分由兩部分組成，即一個絕緣部分和一個可彎曲的管子，可彎曲的管子用來減弱來自裝入GCB的附件的機械振動。熱管的冷凝器被集成在GCB所裝入的附件中。連接到HECS型GCB的熱管，傳輸部分連接到包含在裝入附件中的冷凝器上，電纜是為了測試溫度上升而安裝的熱電偶。如圖3所示。

圖3 熱管在HECS型GCB中的安裝

1.2 熱管溫升型式試驗

三相測試安裝如圖4所示。中間相在GCB的兩邊各裝了2 m長的母線管道（分相母線管IPB），用以模擬電廠可能的設備情況。母線管道的溫度按照周圍環境溫度調整，因此母線管的最大允許溫升不會超限。也就是說母線管有源部件的溫升被設置在50 K，母線管裝入附件的溫升被設置在30 K。中間相完整的裝設了斷路器，隔離開關，電流互感器，電壓互感器，一個避雷器和涌流吸收電容。在IPB的末端，有源部件和裝入附件通過銅桿連接起來，因此流過導體和裝入附件的電流是一樣的。GCB外面相由裝在裝入附件里的電加熱器加熱，以模擬這些相在運行中的熱量散失。

圖4 斷路器溫升型式試驗

溫升測試：按照IEC 62271-1和IEEE Std C37.013-1997，在HECS XXLp類型的GCB上通過23 kA（50 Hz）的電流等級下，溫度上升試驗的表現令人滿意。如圖5所示，相對于HECS-130XLp型GCB（13 000 A，不使用熱管）的最大溫升而言，使用熱管后的最大溫升遠低于IEEE Std C37.013-1997規定的65 K。同時，我們也看到，14 500 A不使用熱管情況下，GCB能穩定運行。

圖5 導體溫度上升值圖

1.3 溫度報警系統

由于GCB采用3MTMHFE-7100TM作為冷卻介質，沸點為61℃，如果冷卻系統密封不可靠，會造成冷卻介質損失、冷卻效率降低。同時GCB導體溫度會迅速上升，應對GCB導電部位溫度進行監視，確保GCB安全可靠運行。當GCB導體溫度達到一定溫度時，由溫度開關（圖6）發出溫度信號，送至監控系統，便于運行人員果斷采取降負荷措施。

圖6 溫度開關

2 運行試驗情況

試驗之前，應保證發電機滿負荷運行至少2 h以上，記錄環境溫度及發電機負荷電流，對GCB負荷側端子、斷路器與隔離開關間導體及GCB電源側導體三極進行測試，具體測試情況如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7

圖8

圖9

圖10

以上試驗是在GCB安裝母線道通風系統未啟用，周圍空氣自然對流情況下測試的。從測試圖可知，斷路器在滿負荷情況下長期運行，冷凝器溫度最高溫度才50.5℃，完全能滿足安全、穩定運行要求。

3 結束語

發電機斷路器最主要性能指標之一是通過負載電流的能力。對于一個確定的斷路器，可通過改善它和周圍環境的熱量傳輸來提高其載流等級，實現冷卻增容的目的。在之前，有源冷卻系統被廣泛的應用于提高GCB的負載電流能力，如ABB的HEC系例產品，但是有源冷卻系統也有幾個不利的因素，比如功率損耗，可靠性，維護要求，噪音，設備尺寸等。瀑布溝采用的冷卻系統可以克服這些缺點，采用熱管冷卻技術即無源冷卻系統。該冷卻系統可以跨越電氣和完全無源元件之間的巨大鴻溝，從而獲得一個有效的熱量傳輸途徑，使有源冷卻系統的缺點可以完全的被避免。實踐證明，采用熱管冷卻技術的GCB在瀑布溝水電站發電機斷路器近一年來的運行是成功的，可借鑒和推廣。

TM561

B

1672-5387（2010）06-0046-03

2010-10-08

袁永生（1964-），男，工程師，從事水電廠生產管理工作。