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,李學龍,劉德龍

(雅礱江流域水電開發有限公司,成都 610051)

0 前言

目前,600MW 及以上大型水電站20kV 母線多數采用全連式離相封閉母線,全連式離相封閉母線具有運行安全、維護工作量小、安裝方便等優點[1-3],但在電力生產現場中,離相封閉母線局部高溫、發熱等已成為機組安全運行亟待解決的問題[4-9]。

某600MW 水電站離相封閉母線由導體、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、設備柜、與發電機和變壓器的連接結構等部分構成。導體采用管圓形的鋁導體,外殼為鋁質,為了檢修維護方便,在外殼上設有觀察孔和檢修孔[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備老化,導致設備損壞,甚至停機。本文從渦流損耗角度探究離相封閉母線抱箍局部高溫現象,提出一種在離相封閉母線抱箍上安裝銅質接地線方法進行故障處理,并驗證此方法解決抱箍局部高溫問題的有效性。

1 局部發熱問題分析

1.1 問題概述

電廠巡檢人員應用紅外熱像儀巡檢發現,1～6 號發電機出口離相封閉母線靠發電機側前三組抱箍均存在不同程度的局部高溫現象,發熱點位于抱箍與支撐架銷釘連接處,越靠近發電機出口側發熱現象越嚴重,其中6 號發電機C 相的第一節抱箍局部最高溫度達到90℃以上。離相封閉母線局部支持結構如圖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計運行說明書中最高溫度限值,GB/T 8349-2000《金屬封閉母線》中規定,金屬封閉母線外殼支持結構最高允許溫度為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構

1.2 理論分析

離相封閉母線導體與外殼是同軸結構,可構成一個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。

將導體和母線外殼看成是平行導線,可算出導體和外殼之間的互感為[13]:

式中,空氣磁導率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為導體和外殼的軸線距離。

圖3 離相封閉母線結構

根據電路原理相關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(設計環境溫度為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]。

根據計算結果可知,副邊的感應電流基本與原邊相同,激磁電流只占導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,過熱抱箍集中于發電機出口抱箍前三組,其他抱箍未發現過熱現象,可以排除是母線的剩余磁場導致抱箍過熱[15]。

發電機出口處已安裝屏蔽板,且屏蔽板可靠接地,以減輕漏磁通在發電機附近鋼結構上產生的渦流損耗。若屏蔽板厚度不合適時,發電機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構處產生渦流損耗。抱箍上的渦流損耗主要與該處的磁感應強度有關,根據公式(4)可知,距離發電機越遠,磁感應強度越小,渦流損耗也就越小,對應的發熱也會減輕。本次分析過熱抱箍,離發電機越遠,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,導流能力差,加劇此部位發熱現象。

式中,I為發電機額定電流;r為母線抱箍與發電機出口間的距離;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行建模仿真研究[16-20],研究母線電流磁場和發電機漏磁對抱箍的影響,母線磁場模型如圖4所示,發電機漏磁模型如同5所示,利用導電環模擬發電機漏磁,研究漏磁對離相封閉母線抱箍的影響,對比內部母線產生感應電流與外加磁場條件下產生感應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 外加磁場模型結構

設置母線電流為18735A,即發電機滿發時的額定輸出電流,得到母線抱箍電流密度分布圖如圖6所示,可以看出,母線抱箍內側的電流較大,但是流過抱箍支腿部分的電流較小,經過計算,流過抱箍支腿的電流幅值為40A 左右,發熱量有限,且三相母線六個支腿之間的電流幅值相差不大,與現場A、C 兩相抱箍支腿溫度更高的現象不符。

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 兩相母線外側的支柱電流最大,且與B 相電流相差很大,與現場問題相符。綜上所述,引起母線抱箍局部溫度過高的原因為發電機漏磁。

圖7 外加磁場條件下抱箍電流密度圖

2 解決方案與預防措施

2.1 解決方案與應用效果

針對由發電機漏磁導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,減少流經抱箍支腿的感應電流,減少支腿固定螺栓發熱。針對更換材料的方案,進行仿真分析,對比兩種材料下流經支腿電流幅值的大小。不同激勵電流下流經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熱的問題,而且鋁制材料相對于鐵制材料強度更低,抗發熱疲勞能力更差,因此,將鐵質抱箍更換成鋁制抱箍的方案難以解決抱箍局部發熱的問題。

圖8 不同激勵電流下的抱箍支腿電流變化情況

根據渦流損耗過熱機理,確定“疏導渦流” 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的黃綠相間銅質接地線,根據紅外熱成像譜圖結果顯示,在發電機功率P=600MW,出線電流I=18.735kA 的運行工況下,過熱點溫度均降至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 預防措施

根據理論分析與現場實踐相結合,提出以下幾條措施預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機、多聯空調裝置,可加強離相封閉母線空間內通風、散熱,降低環境溫度。

(2)將離相封閉母線碳鋼抱箍更換為低導磁率的槽鋁抱箍,現場實施后,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構,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,但在汛期機組運行中,銷釘不易取出,此處理辦法不便于實施。

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

(5)在發電機出口側加裝屏蔽鋁板或增加發電機出口側屏蔽鋁板厚度,阻隔發電機漏磁通。

3 結論

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荷工況下安全穩定的運行。離相封閉母線在大型水電站中應用廣泛,對機組安全運行意義重大,而離相封閉母線局部高溫現象普遍發生,應加強對高溫發熱問題的研究,優化離相封閉母線結構,改善散熱條件;將離相封閉母線紅外測溫列入電氣專業巡檢工序中,及時關注離相封閉母線局部高溫問題,并做出正確技術處理。