基于微風(fēng)循環(huán)的微正壓系統(tǒng)在離相母線保護(hù)上的應(yīng)用

銅山華潤電力有限公司 李建君

基于微風(fēng)循環(huán)的微正壓系統(tǒng)在離相母線保護(hù)上的應(yīng)用

銅山華潤電力有限公司 李建君

結(jié)合某公司4×300 MW QFSN2-300-2發(fā)電機(jī)組在臨檢及檢修后發(fā)電機(jī)絕緣偏低的情況提出解決方案，將原來吸附式微正壓裝置改為基于微風(fēng)循環(huán)的開放式微正壓系統(tǒng)，保證母線干燥不受潮氣侵襲。通過改造并就改造前、后方案實(shí)施效果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了結(jié)果的正確性和方案的可行性。

發(fā)電機(jī)；離相封閉母線；母線自動(dòng)充氣設(shè)備；防潮

引言

某公司4臺(tái)300MW水氫氫發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定電壓為20kV，出口到主變低壓側(cè)采用封閉式母線連接。為防止外界灰塵、潮氣等進(jìn)入封閉式母線內(nèi)，對(duì)母線及絕緣子造成污染、降低絕緣，封閉母線采用微正壓運(yùn)行方式。由獨(dú)立的微正壓裝置向內(nèi)部提供純凈合格的壓縮空氣，并通過自動(dòng)控制裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力，在壓力高和壓力低時(shí)。始終保持內(nèi)部壓力在500～2500Pa之間能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員進(jìn)行檢查。微正壓裝置投運(yùn)后，頻繁出現(xiàn)問題。如低壓力不自啟、高壓力不停止、空壓機(jī)頻繁啟動(dòng)、分子復(fù)篩失效、壓縮機(jī)過熱、電動(dòng)機(jī)燒損等，微正壓裝置經(jīng)常進(jìn)行檢修，頻繁的故障使封閉母線經(jīng)常處于常壓狀態(tài)，容易造成封閉母線內(nèi)積灰、濕度增加。每次發(fā)電機(jī)絕緣檢測(cè)時(shí)，都發(fā)現(xiàn)絕緣電阻偏低。檢修人員通過抽檢封閉母線的支持絕緣子發(fā)現(xiàn)絕緣了上有銹跡、用手觸摸有粘感，每次排查處理都要花費(fèi)很長的時(shí)間，對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)變壓器組的安全運(yùn)行構(gòu)成很大的威脅。

1 目前常用微正壓裝置的分類

1.1 吸附式微正壓裝置的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)分析

微正壓裝置配套空壓機(jī)提供壓縮空氣進(jìn)入控制柜后，首先通過充氣電磁閥，然后進(jìn)入汽水分離器，在汽水分離器中，壓縮空氣中的水分被初步分離出來，經(jīng)初步分離以后的壓縮空氣然后進(jìn)入一減壓閥，在減壓閥內(nèi)，壓縮空氣被調(diào)整為0.4～0.45MPa，以保證分子篩吸附器良好的工作狀態(tài)。經(jīng)減壓閥調(diào)整后的低壓空氣進(jìn)入吸附式干燥器，干燥器為兩個(gè)填充了分子篩的吸附塔A和B，壓縮空氣通過A吸附塔上的電磁閥由吸附塔A的下端充入，通過分子篩層流到上部，在此過程中，空氣中的水分被分子篩吸收，干燥的空氣大部分由吸附塔上部的輸出口輸出，進(jìn)入封閉母線。同時(shí)，約占10%～15%的干燥空氣經(jīng)一固定節(jié)流孔進(jìn)入B塔，B塔上的排氣電磁閥同時(shí)開啟與大氣相通，使B吸附塔中的已吸收飽和水分的分子篩在低壓下脫附還原，脫附出來的水分隨空氣排至大氣，由定時(shí)器周期性對(duì)A吸附塔和B吸附塔上的充氣和排氣電磁閥進(jìn)行切換(通常30秒切換一次)，A吸附塔和B吸附塔定期交換工作，使分子篩輪流吸附和再生，這樣母線便可源源不斷的得到干燥、潔凈的空氣[1]。

優(yōu)點(diǎn)在于：其連續(xù)處理空氣的能力較強(qiáng)，處理空氣的指標(biāo)比較高，大氣壓露點(diǎn)達(dá)到-40℃。

其缺點(diǎn)主要在于：流量小，耗能高。多為配套裝置，配置很低。主要包括：分子篩易失效、配置低、易損壞、控制精度低、供氣流量低、無自動(dòng)排水裝置 、維護(hù)繁瑣。

1.2 冷凝式微正壓裝置的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)分析

由空壓機(jī)或廠內(nèi)儀用氣提供氣源，空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后進(jìn)入貯氣罐，在貯氣罐內(nèi)，壓縮空氣緩沖和降溫并初步析出部分水分，經(jīng)排水電磁閥排出罐體。壓縮空氣經(jīng)貯氣罐進(jìn)入主管路過濾器，在主管路過濾器中，壓縮空氣中大于0.3mm以上的雜質(zhì)或顆粒被析出，經(jīng)自動(dòng)排水器排出，析出雜質(zhì)和水分的壓縮空氣又進(jìn)入冷凍式干燥器或高分子膜式干燥器。然后，壓縮空氣再進(jìn)入微霧分離器，在微霧分離器中，壓縮空氣中的油物和大于0.01 mm以上的顆粒被分離出來，并自動(dòng)排出。空氣經(jīng)壓縮、冷凝式工藝后，壓縮空氣已成為干燥，潔凈的空氣。最后，經(jīng)限流閥及雙電控電磁閥充入到封閉母線中，當(dāng)母線內(nèi)的壓力低于500Pa時(shí),充氣電磁閥自動(dòng)開啟；壓力達(dá)到1500Pa時(shí)，充氣電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，并始終保持這一區(qū)間壓力。

圖1 分子篩吸收及再生原理圖

優(yōu)點(diǎn)在于：處理空氣量大、壓力露點(diǎn)溫度在2`10℃、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、噪音小、使用維護(hù)方便和維護(hù)費(fèi)用低。

缺點(diǎn)在于：當(dāng)壓縮空氣質(zhì)量差，如混入大量灰塵和油霧等時(shí)，臟物會(huì)黏附在熱交換器上，降低工作效率；排水功能易失效，造成氣源浪費(fèi)；處理空氣大氣壓力露點(diǎn)只能達(dá)到-17℃（通常只有-12～-10℃）。

冷凝式微正壓裝置由于具有空氣處理量大、處理露點(diǎn)低等特點(diǎn)，適合在南方低露點(diǎn)、空氣濕度大的地區(qū)使用[2]。如果不考慮場(chǎng)地、環(huán)境、型號(hào)的要求，盲目地安裝微正壓裝置，不但不能解決封閉式母線結(jié)露、閃絡(luò)的問題，反而會(huì)促進(jìn)結(jié)露和閃絡(luò)進(jìn)程。

1.3 開放式微風(fēng)循環(huán)正壓式微正壓裝置工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)分析

當(dāng)封閉式母線密封良好時(shí)，該裝置可作為正常的微正壓裝置來使用；當(dāng)封閉式母線密封性不良時(shí)，該裝置可自動(dòng)調(diào)整為微風(fēng)循環(huán)裝置來使用。該性能主要是為國內(nèi)的風(fēng)冷式離相封閉式母線導(dǎo)體和外殼的強(qiáng)迫冷卻而研發(fā)。其充氣模式采用風(fēng)冷離相封閉式母線的雙風(fēng)系統(tǒng)充氣模式，即采用與環(huán)境溫度一樣的干燥、潔凈的空氣從室內(nèi)充氣口沖入母線內(nèi)，在母線內(nèi)導(dǎo)體與外殼的夾層中對(duì)流循環(huán)，利用母線的自然泄漏率，從母線的末端排出。

優(yōu)點(diǎn)在于：（1）保持母線內(nèi)空氣的干燥潔凈，使母線內(nèi)部形成微弱的局部正壓，即使是封閉母線上有泄漏點(diǎn)，也能在泄漏點(diǎn)由內(nèi)而外排氣，有效地防止外部的空氣逆行進(jìn)入母線內(nèi)，保證封閉母線內(nèi)部的干燥潔凈環(huán)境，干燥潔凈的空氣是最好的絕緣介質(zhì)。（2）這種微弱的風(fēng)循環(huán)可將導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量及時(shí)的排出母線，保證母線內(nèi)部導(dǎo)體的恒溫。該工藝既不采用熱風(fēng)，也不采用冷風(fēng)，而是采用與環(huán)境溫度相同的干燥空氣形成的微風(fēng)。最大限度的避免了母線內(nèi)部因出現(xiàn)溫差變化而導(dǎo)致的結(jié)露事故。

缺點(diǎn)在于：當(dāng)離相封閉母線存在泄漏時(shí)，需要持續(xù)的氣源、降低了四級(jí)過濾器的使用壽命。

2 現(xiàn)使用的微正壓裝置及離相封閉母線存在的問題

某發(fā)電廠4×300MW QFSN2-300-2發(fā)電機(jī)組封閉式母線微正壓裝置型號(hào)為MQ-03GA，為北京電力設(shè)備總廠封閉式母線配套裝置。該裝置按自動(dòng)啟停工作設(shè)計(jì)，利用分子篩除濕，但因其系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，設(shè)備配置低，致使分子篩非常容易失效，給維護(hù)帶來極大不便。由于封閉母線各接口存在密封不嚴(yán)等問題，所以對(duì)潔凈壓縮空氣的需求量非常大，而配套的微正壓裝置空壓機(jī)因其流量有限，遠(yuǎn)不能滿足封閉母線所需求的用氣量，造成微正壓裝置頻繁啟停或長時(shí)間工作、甚至故障，無法滿足對(duì)封閉式母線保護(hù)作用[5]。

由于現(xiàn)在電力市場(chǎng)產(chǎn)能過剩，300MW機(jī)組的經(jīng)常停機(jī)備調(diào)，當(dāng)機(jī)組調(diào)停再啟時(shí)往往發(fā)電機(jī)的絕緣性能不能滿足規(guī)程要求。將發(fā)電機(jī)及變壓器的出口軟聯(lián)接拆開后，發(fā)現(xiàn)為離相封閉母線的絕緣不合格。作為離相封閉母線的保護(hù)裝置的MQ-03GA微正壓系統(tǒng)已到必須改造的地步。

3 改造選用的微正壓裝置——微風(fēng)循環(huán)正壓式微正壓裝置

3.1 微正壓裝置的選型參考

封閉母線微正壓裝置的選擇，主要應(yīng)根據(jù)每個(gè)電廠封閉母線自身的特點(diǎn)及電廠所在地區(qū)的環(huán)境、溫度、自然條件來決定。在我國的北方地區(qū)，主要以吸附式和高分子膜式微正壓裝置為主；在南方地區(qū)則側(cè)重于采用冷凝式和高分子膜式微正壓裝置[2]。國內(nèi)電廠運(yùn)行中的封閉母線密封狀態(tài)，主要表現(xiàn)出良好、一般和差3種狀態(tài)。

（1）封閉母線密封狀態(tài)良好，母線內(nèi)氣體能保持一定的微正壓，且保持時(shí)間在30 min左右。這種狀態(tài)下，微正壓裝置應(yīng)開啟到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

（2）封閉母線密封狀態(tài)一般，微正壓保壓時(shí)間較短，保持時(shí)間在0-5 min。這種狀態(tài)下，微正壓裝置應(yīng)啟動(dòng)定時(shí)定量的充氣功能或微風(fēng)循環(huán)功能。如果仍然啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行的充氣功能，會(huì)導(dǎo)致微正壓裝置長時(shí)間充氣或頻繁啟動(dòng)，造成微正壓裝置電器元件燒毀設(shè)備退出運(yùn)行。

（3）封閉母線密封狀態(tài)差，母線內(nèi)沒有一點(diǎn)壓力，保壓時(shí)間為0，母線基本保持在開放狀態(tài)。這種狀態(tài)下，微正壓裝置應(yīng)啟動(dòng)手動(dòng)運(yùn)行充氣或正壓輸送功能，否則會(huì)造成微正壓裝置電器元件燒毀，設(shè)備退出運(yùn)行。通常，當(dāng)封閉母線密封狀態(tài)為一般和差的情況下，吸附式和冷凝式微正壓裝置在運(yùn)行穩(wěn)定性能方面不如高分子膜式微正壓裝置，這是因?yàn)槲绞胶屠淠礁稍锲鞫际且揽侩娖髟骷韴?zhí)行工作的，母線密封不嚴(yán)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電器元件頻繁或長時(shí)間帶電，造成微正壓裝置損壞，這也是微正壓裝置損壞的主要原因之一。而高分子膜式微正壓裝置則可以避免這種情況，其核心部件——高分子膜式干燥器不需要電源控制，只是依靠正常的空氣壓力即可工作，避免了干燥器因長時(shí)間通電而損壞情況的發(fā)生，可以24 h不間斷對(duì)母線充氣，適用于封閉母線密封不嚴(yán)的狀況；其除濕特性主要是依靠高分子材料制作的高分子膜特殊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可將壓縮空氣中的水分子分離出來，只允許干燥的壓縮空氣通過。該公司技術(shù)人員經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合上述各類型微正壓的優(yōu)缺點(diǎn)決定選用——微風(fēng)循環(huán)正壓裝置式微正壓裝置，其干燥器的核心原器件采用高分子膜，并在其基礎(chǔ)上增加了微風(fēng)循環(huán)功能。

3.2 微風(fēng)循環(huán)正壓式微正壓裝置的特點(diǎn)

3.2.1 微風(fēng)循環(huán)正壓式微正壓裝置用新型高分子材料研制的高精密式微風(fēng)循環(huán)正壓裝置式干燥器代替了傳統(tǒng)的分子篩干燥器和冷凝式干燥器，這種干燥器具有精度高、故障率小、運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定、帶有露點(diǎn)指示劑、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 微風(fēng)循環(huán)正壓式微正壓裝置有電控、氣控二種不同的保護(hù)方式，保護(hù)安全可靠。

當(dāng)母線內(nèi)壓力超過3000Pa時(shí)，排氣電磁閥開啟,同時(shí)并啟動(dòng)自我斷電保護(hù)功能，這兩種方式對(duì)母線實(shí)行全方位,立體保護(hù)。

當(dāng)母線內(nèi)壓力超過3500Pa時(shí),液控安全閥開啟。

3.2.3 充氣電磁閥選用雙電控電磁閥。該閥只受脈沖信號(hào)控制，可避免因線圈長時(shí)間通電而燒毀，造成母線的不安全隱患。且該閥具有記憶功能，在出現(xiàn)異常情況時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。

3.2.4 用數(shù)字式壓力表取代了磨合壓力表，提高了控制精度，增加了可靠性。壓力傳感器精度比較高，充氣壓力控制精度可達(dá)FS±1%±1字。

3.2.5 具有主管路過濾器(過濾精度可達(dá)0.3μm),微霧分離器(過濾精度達(dá)0.01μm)和高精密式 微風(fēng)循環(huán)正壓裝置式干燥器三級(jí)過濾,控制精度高。

3.2.6 具有旁路應(yīng)急系統(tǒng)。

3.2.7 分別具有廠內(nèi)氣源。自配氣源接口，還具有兩種氣源同時(shí)供氣的功能。

3.2.8 具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)封閉母線壓力變化的端子。

3.2.9 充氣流量大，空氣處理量≥1m3/min,對(duì)密封性能不佳的封閉母線極為實(shí)用。

4 改造前后的使用效果對(duì)比

該公司離相封閉母線改造前微正壓裝置正常的情況下，當(dāng)母線帶載時(shí)，啟停間隔十幾分鐘一次，空壓機(jī)及電磁閥啟停頻繁，故障率較高，當(dāng)機(jī)組停運(yùn)再啟動(dòng)時(shí)，母線絕緣不滿足規(guī)程要求。現(xiàn)改造完成后，微正壓系統(tǒng)設(shè)置壓力范圍為300-1500Pa，從下限到上限的充氣時(shí)間為10分鐘左右，關(guān)閉微風(fēng)循環(huán)功能后，系統(tǒng)保壓10分鐘；開啟微風(fēng)循環(huán)功能后，系統(tǒng)保持在壓力0.445Pa時(shí)，在環(huán)境溫度20度左右時(shí)，微正壓循環(huán)時(shí)間間隔為20小時(shí)左右。當(dāng)母線帶上負(fù)荷后，在微風(fēng)循環(huán)開啟的狀態(tài)下，微正壓循環(huán)時(shí)間間隔為2小時(shí)左右。封閉母線設(shè)備內(nèi)部絕緣性能得到大幅提升，母線內(nèi)部相對(duì)濕度降低到35%RH以下，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)母線對(duì)地絕緣在1000MΩ以上，封閉母線系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足運(yùn)行要求，有效解決了機(jī)組停運(yùn)時(shí)離相封閉母線絕緣下降的問題，完全擺脫了保護(hù)裝置受封閉母線密封限制的條件。提高了微正壓裝置對(duì)空氣系統(tǒng)的控制精度，有效的保證了封閉母線的運(yùn)行安全。

5 結(jié)語

封閉母線微正壓系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是發(fā)電機(jī)出口封閉母線絕緣的重要保障，微正壓裝置作為離相封閉母線的保護(hù)裝置[3]，已經(jīng)得到普及和認(rèn)可。傳統(tǒng)的吸附式微正壓裝置由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，設(shè)備配置低等原因，運(yùn)行故障率較高，致使該裝置在封閉母線的安全運(yùn)行中不能充分發(fā)揮其功能，降低封閉母線安全可靠性。通過微風(fēng)循環(huán)正壓式微正壓裝置在從該廠發(fā)電機(jī)封閉母線上的應(yīng)用改造，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性較高，效果良好，值得推廣。同時(shí)對(duì)新上機(jī)組的微正壓選型也具有借鑒意義。

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[3] 焦峰，宋曉波，孫建超.發(fā)電機(jī)封閉母線微正壓裝置優(yōu)化方案實(shí)施探討[J].中國電業(yè)：技術(shù)版，2013(5)：55-56.