水電站離相封閉母線抱箍局部高溫問題分析與仿真研究

王 賀,李學(xué)龍,劉德龍

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,成都 610051)

0 前言

目前,600MW 及以上大型水電站20kV 母線多數(shù)采用全連式離相封閉母線,全連式離相封閉母線具有運(yùn)行安全、維護(hù)工作量小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[1-3],但在電力生產(chǎn)現(xiàn)場中,離相封閉母線局部高溫、發(fā)熱等已成為機(jī)組安全運(yùn)行亟待解決的問題[4-9]。

某600MW 水電站離相封閉母線由導(dǎo)體、外殼、支柱絕緣子、金具、外殼支持件、密封隔斷裝置、短路板、穿墻板、設(shè)備柜、與發(fā)電機(jī)和變壓器的連接結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成。導(dǎo)體采用管圓形的鋁導(dǎo)體,外殼為鋁質(zhì),為了檢修維護(hù)方便,在外殼上設(shè)有觀察孔和檢修孔[10]。離相封閉母線外殼采用抱箍固定,抱箍與支架采用穿銷連接,抱箍支架焊接在鋼橫梁上,鋼橫梁通過扁鐵直接接地。

離相封閉母線長期局部高溫會加速設(shè)備老化,導(dǎo)致設(shè)備損壞,甚至停機(jī)。本文從渦流損耗角度探究離相封閉母線抱箍局部高溫現(xiàn)象,提出一種在離相封閉母線抱箍上安裝銅質(zhì)接地線方法進(jìn)行故障處理,并驗(yàn)證此方法解決抱箍局部高溫問題的有效性。

1 局部發(fā)熱問題分析

1.1 問題概述

電廠巡檢人員應(yīng)用紅外熱像儀巡檢發(fā)現(xiàn),1～6 號發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線靠發(fā)電機(jī)側(cè)前三組抱箍均存在不同程度的局部高溫現(xiàn)象,發(fā)熱點(diǎn)位于抱箍與支撐架銷釘連接處,越靠近發(fā)電機(jī)出口側(cè)發(fā)熱現(xiàn)象越嚴(yán)重,其中6 號發(fā)電機(jī)C 相的第一節(jié)抱箍局部最高溫度達(dá)到90℃以上。離相封閉母線局部支持結(jié)構(gòu)如圖1所示,抱箍支架最高溫度見表1,由表1 可知局部溫度超過離相封閉母線廠家設(shè)計(jì)運(yùn)行說明書中最高溫度限值,GB/T 8349-2000《金屬封閉母線》中規(guī)定,金屬封閉母線外殼支持結(jié)構(gòu)最高允許溫度為70℃,最高溫升限值為30K[11]。離相封閉母線各部位最高允許溫度和溫升限值應(yīng)符合表2 要求[12]。

表2 離相封閉母線各部位最高允許溫度和溫升限值

圖1 離相封閉母線局部支持結(jié)構(gòu)

1.2 理論分析

離相封閉母線導(dǎo)體與外殼是同軸結(jié)構(gòu),可構(gòu)成一個1∶1 的電流互感器模型?；ジ衅鞯戎惦娐穲D如圖2所示。

圖2 等值電路圖

圖中,R1、Xs1為原邊漏電阻和阻抗;R2、Xs2為副邊漏電阻和阻抗;Rm、Xm為激磁電阻和阻抗;Im為激磁電流;I1、I2分別為原、副邊電流。由于沒有鐵芯,激磁電阻Rm=0?？紤]到離相封閉母線較長,漏磁集中于端部和短路板附近,外殼的漏抗很小可將其忽略,副邊漏抗Xs2=0。

將導(dǎo)體和母線外殼看成是平行導(dǎo)線,可算出導(dǎo)體和外殼之間的互感為[13]:

式中,空氣磁導(dǎo)率μ0=4π ×10-7H/m;l為母線長度;如圖3所示,由于母線外殼通過兩端的短路板構(gòu)成了一個閉合回路,所以長度取主回路母線短路板之間的距離(l=15m);D為導(dǎo)體和外殼的軸線距離。

圖3 離相封閉母線結(jié)構(gòu)

根據(jù)電路原理相關(guān)知識可算得激磁電抗:

該水電站主回路母線外殼直徑Dk=1450mm,厚度δk=10mm,外殼允許的最大溫升為30K(設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為40℃),20℃鋁的電阻率ρ=0.0292(Ω·mm2)/m,鋁的電阻溫度系數(shù)為0.004/℃,母線額定電流為In=23000kA,可求得母線外殼單位長度電阻R2:

計(jì)算激磁電抗和副邊的電阻后,得出副邊電流I2=22999.77 ∠0.26(kA),激磁電流Im= 103.49∠-89.47(kA)[14]。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,副邊的感應(yīng)電流基本與原邊相同,激磁電流只占導(dǎo)體電流的很小一部分,離相封閉母線剩余磁場對抱箍上的渦流影響很小,過熱抱箍集中于發(fā)電機(jī)出口抱箍前三組,其他抱箍未發(fā)現(xiàn)過熱現(xiàn)象,可以排除是母線的剩余磁場導(dǎo)致抱箍過熱[15]。

發(fā)電機(jī)出口處已安裝屏蔽板,且屏蔽板可靠接地,以減輕漏磁通在發(fā)電機(jī)附近鋼結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的渦流損耗。若屏蔽板厚度不合適時(shí),發(fā)電機(jī)主引出線處漏磁未能完全屏蔽,漏磁通就會在離相封閉母線抱箍與其支持結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生渦流損耗。抱箍上的渦流損耗主要與該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān),根據(jù)公式(4)可知,距離發(fā)電機(jī)越遠(yuǎn),磁感應(yīng)強(qiáng)度越小,渦流損耗也就越小,對應(yīng)的發(fā)熱也會減輕。本次分析過熱抱箍,離發(fā)電機(jī)越遠(yuǎn),溫度呈下降趨勢,符合上述推論。如圖1所示,該電站抱箍與支撐腿(簡稱“支腿”)的連接采用銷釘連接,銷釘與抱箍的接觸面積小,導(dǎo)流能力差,加劇此部位發(fā)熱現(xiàn)象。

式中,I為發(fā)電機(jī)額定電流;r為母線抱箍與發(fā)電機(jī)出口間的距離;K為常量。

1.3 仿真分析

利用有限元軟件對離相封閉母線進(jìn)行建模仿真研究[16-20],研究母線電流磁場和發(fā)電機(jī)漏磁對抱箍的影響,母線磁場模型如圖4所示,發(fā)電機(jī)漏磁模型如同5所示,利用導(dǎo)電環(huán)模擬發(fā)電機(jī)漏磁,研究漏磁對離相封閉母線抱箍的影響,對比內(nèi)部母線產(chǎn)生感應(yīng)電流與外加磁場條件下產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小和分布情況,確定引起抱箍局部溫度過高的原因。

圖4 離相封閉母線模型

圖5 外加磁場模型結(jié)構(gòu)

設(shè)置母線電流為18735A,即發(fā)電機(jī)滿發(fā)時(shí)的額定輸出電流,得到母線抱箍電流密度分布圖如圖6所示,可以看出,母線抱箍內(nèi)側(cè)的電流較大,但是流過抱箍支腿部分的電流較小,經(jīng)過計(jì)算,流過抱箍支腿的電流幅值為40A 左右,發(fā)熱量有限,且三相母線六個支腿之間的電流幅值相差不大,與現(xiàn)場A、C 兩相抱箍支腿溫度更高的現(xiàn)象不符。

圖6 母線通額定電流條件下抱箍電流密度圖

外加磁場條件下抱箍電流密度如圖7所示,從圖中可以看出,在外磁場的激勵下,母線抱箍支柱電流密度較大,且A、C 兩相母線外側(cè)的支柱電流最大,且與B 相電流相差很大,與現(xiàn)場問題相符。綜上所述,引起母線抱箍局部溫度過高的原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)漏磁。

圖7 外加磁場條件下抱箍電流密度圖

2 解決方案與預(yù)防措施

2.1 解決方案與應(yīng)用效果

針對由發(fā)電機(jī)漏磁導(dǎo)致的母線抱箍局部溫度過高問題,提出兩種解決方案,一種是更換抱箍材料,將高磁導(dǎo)率的鐵制抱箍更換成鋁制材料,以減少渦流;另一種方案是在抱箍上加裝接地引線,減少流經(jīng)抱箍支腿的感應(yīng)電流,減少支腿固定螺栓發(fā)熱。針對更換材料的方案,進(jìn)行仿真分析,對比兩種材料下流經(jīng)支腿電流幅值的大小。不同激勵電流下流經(jīng)抱箍支腿的電流變化曲線如圖8所示,從圖中可以看出,將鐵制材料更換成鋁制材料后,流經(jīng)抱箍支腿的電流有一定程度的減小,但是減小的幅值有限,并不能明顯緩解抱箍局部發(fā)熱的問題,而且鋁制材料相對于鐵制材料強(qiáng)度更低,抗發(fā)熱疲勞能力更差,因此,將鐵質(zhì)抱箍更換成鋁制抱箍的方案難以解決抱箍局部發(fā)熱的問題。

圖8 不同激勵電流下的抱箍支腿電流變化情況

根據(jù)渦流損耗過熱機(jī)理,確定“疏導(dǎo)渦流” 的處理原則,在離相封閉母線抱箍與鋼橫梁間安裝載流面積為50mm2或70mm2的黃綠相間銅質(zhì)接地線,根據(jù)紅外熱成像譜圖結(jié)果顯示,在發(fā)電機(jī)功率P=600MW,出線電流I=18.735kA 的運(yùn)行工況下,過熱點(diǎn)溫度均降至60℃以下,最高降幅45.8℃,安裝接地線前、后離相封閉母線抱箍溫度對比見表3,安裝接地線前、后離線封閉母線抱箍支架最高溫度對比見表4。

表3 安裝接地線前、后離相封閉母線抱箍溫度對比

表4 安裝接地線前、后離線封閉母線抱箍支架最高溫度對比

2.2 預(yù)防措施

根據(jù)理論分析與現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合,提出以下幾條措施預(yù)防母線抱箍局部溫度過高問題:

(1)在離相封閉母線層面增加軸流風(fēng)機(jī)、多聯(lián)空調(diào)裝置,可加強(qiáng)離相封閉母線空間內(nèi)通風(fēng)、散熱,降低環(huán)境溫度。

(2)將離相封閉母線碳鋼抱箍更換為低導(dǎo)磁率的槽鋁抱箍,現(xiàn)場實(shí)施后,過熱程度得以緩解,但溫度降幅較低。

(3)改變離相封閉母線抱箍支架結(jié)構(gòu),將抱箍與支架采用銷釘連接改為抱箍與支架采用螺栓連接,增大支架與抱箍間接合面積,但在汛期機(jī)組運(yùn)行中,銷釘不易取出,此處理辦法不便于實(shí)施。

(4)檢修期間按照力矩要求對螺栓進(jìn)行全面檢查、緊固,使各螺栓受力均勻,減少局部區(qū)域接觸電阻過大;對不銹鋼螺栓加裝絕緣襯墊或絕緣套,防止產(chǎn)生環(huán)流。

(5)在發(fā)電機(jī)出口側(cè)加裝屏蔽鋁板或增加發(fā)電機(jī)出口側(cè)屏蔽鋁板厚度,阻隔發(fā)電機(jī)漏磁通。

3 結(jié)論

本文以600MW 水電站20kV 離相封閉母線抱箍局部高溫故障為研究對象,提出了在抱箍上安裝截面積為50mm2或70mm2黃綠相間銅質(zhì)接地線的處理措施,以降低離相封閉母線抱箍局部高溫,其優(yōu)勢在于安裝方便、成本低、效果顯著,可高效地保證離相封閉母線在主汛期滿負(fù)荷工況下安全穩(wěn)定的運(yùn)行。離相封閉母線在大型水電站中應(yīng)用廣泛,對機(jī)組安全運(yùn)行意義重大,而離相封閉母線局部高溫現(xiàn)象普遍發(fā)生,應(yīng)加強(qiáng)對高溫發(fā)熱問題的研究,優(yōu)化離相封閉母線結(jié)構(gòu),改善散熱條件;將離相封閉母線紅外測溫列入電氣專業(yè)巡檢工序中,及時(shí)關(guān)注離相封閉母線局部高溫問題,并做出正確技術(shù)處理。