热管冷却发电机断路器在瀑布沟水电站的应用

袁永生，李婷婷，向文平，蒋 敏

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源 625304）

热管冷却发电机断路器在瀑布沟水电站的应用

袁永生，李婷婷，向文平，蒋 敏

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源 625304）

主要介绍了采用热管冷却技术的发电机断路器（以下简称G CB）在瀑布沟水电站的应用。在G CB中，以往要增加G CB载流量，常采用强迫空气循环或者采用电机带动风扇的热交换器（有源冷却系统），加快G CB热量的传递，但对于G CB截流导体的热量还是无法快速释放。而热管冷系统（无源冷却系统）没有像电机或者风扇这样的机械运转部件，但它可通过绝缘部件及导热介质，直接将G CB内部导体热量传递到外面，实现能量快速交换。无源冷却系统取代有源冷却系统，可进一步提高G CB的载流能力，同时也可以获得一个高可靠性和长使用寿命。

发电机断路器；热管冷却；温升

瀑布沟水电站位于大渡河中游，地处四川省西部汉源和甘洛两县交界处，距成都市直线距离约200 km，靠近负荷中心。电站共装设6台混流式水轮发电机组，总装机容量3 600 MW，在系统中主要起调峰和事故备用作用，因此设置机组出口GCB，对于提高了并网的快速性和可靠性，确保电网的安全稳定运行有重要作用。

瀑布沟水电站发电机—变压器组采用单元接线，在发电机和变压器之间设置GCB，选用瑞士ABB，HECS-130XXL型SF6 GCB，额定电压25.3 kV，额定电流23 kA，是世界第一台采用热管冷却方式增加载流容量的GCB，发电机额定电压20 kV，母线采用离相封闭母线。发电机与变压器之间的单元接线如图1所示：

图1 发电机与变压器之间的单元接线

1 瀑布沟发电机断路器特点

瀑布沟GCB采用瑞士ABB，HECS-130系列中的XXLp型产品，是在原产品HECS-130XLp基础上，不改变产品结构情况下，通过热管冷却技术将GCB的载流量从13 000 A增加至23 000 A，GCB体积无变化。由于瀑布沟电站建于地下洞室中，设备体积减小可减少洞室开挖量，也有有利于设备的安装。下面针对HECS-130XL采用热管技术进行介绍。

1.1 冷却系统

1.1.1 热管冷却的原理

热管冷却是一种高效的热传输元件，由一个包含着少量有效液体的密闭附件组成。充分利用这种有效液体的蒸发作用，把蒸馏器的潜在热量传输给冷凝器，让液体蒸气在冷凝器中冷凝，然后让冷凝物流回蒸馏器。热管的原理如图2所示。

图2 热管结构图

瀑布沟水电站GCB采用3M TMHFE-7100TM作为冷却介质，该介质满足环保要求，沸点为61℃。当温度低于61℃时，3MTMHFE-7100TM为液态，汇集在蒸馏器内。当断路器运行温度超过61℃时，3M TMHFE-7100TM转变为气态，将热量转递到GCB上方的冷凝器中，然后再通过外部空气对流散热，达到降低GCB运行温度的目的。

1.1.2 热管的应用要求

（1）总体要求

冷却系统的首要任务是把热量从热源传输到周围，当然冷却系统也必须遵从GCB的其他的一些要求，比如环境状况或者绝缘要求、GCB的电流遮断能力等其他功能不能被冷却系统所影响。显而易见，在断路器的使用期间，冷却系统必须具有高可靠性。

1 ）热管的热传导率

根据IECIEEE C37.013-1997《以对称电流为基础的交流高压发电机断路器》，主触头的最大可允许温升为65 K。

2 ）电气绝缘

由于冷却系统对于热量的传输要求很高，热管必须将从导体散发的热量传输到所装入热交换器的周围。因此这个冷却系统就跨越了绝缘距离，所以必须满足在任何工作状况下的相应绝缘等级。

3 ）机械要求

当进行开关操作的时候，在导体和装入附件之间会产生相应的震动，这就使得热管系统承受的机械力增大。地震、运输和由温度变化（比如周围环境温度的变化，负载电流变化，或者日夜交替）引起的热胀冷缩等也会对其有影响。

4 ）环境状况

工作地环境温度可以从-40℃至+50℃，整个系统既适用于室内安装，又适用于室外安装。

5 ）使用寿命，维护

为了不影响GCB的检修周期，热管系统应保证有20年的使用寿命。

（2）热管的导热介质

热管单元中所使用的导热介质是一种英文名为hydrofluorether（HFE）的液体。除了它们的热特性之外，这类液体还具有满足在GCB中应用的这些特性：

1 ）有优良的绝缘特性，衰减强度值大约为15 kV/mm；

2 ）无毒性，因此液体的处理不再是问题；

3 ）可以溶解很多的材料；

4 ）不可燃；

5 ）无温室效应，对臭氧的损耗效应为零。

为了达到前面提到的那些要求，HECS类型的GCB的冷却系统每极由6个热管系统组成。每个热管的传输部分由两部分组成，即一个绝缘部分和一个可弯曲的管子，可弯曲的管子用来减弱来自装入GCB的附件的机械振动。热管的冷凝器被集成在GCB所装入的附件中。连接到HECS型GCB的热管，传输部分连接到包含在装入附件中的冷凝器上，电缆是为了测试温度上升而安装的热电偶。如图3所示。

图3 热管在HECS型GCB中的安装

1.2 热管温升型式试验

三相测试安装如图4所示。中间相在GCB的两边各装了2 m长的母线管道（分相母线管IPB），用以模拟电厂可能的设备情况。母线管道的温度按照周围环境温度调整，因此母线管的最大允许温升不会超限。也就是说母线管有源部件的温升被设置在50 K，母线管装入附件的温升被设置在30 K。中间相完整的装设了断路器，隔离开关，电流互感器，电压互感器，一个避雷器和涌流吸收电容。在IPB的末端，有源部件和装入附件通过铜杆连接起来，因此流过导体和装入附件的电流是一样的。GCB外面相由装在装入附件里的电加热器加热，以模拟这些相在运行中的热量散失。

图4 断路器温升型式试验

温升测试：按照IEC 62271-1和IEEE Std C37.013-1997，在HECS XXLp类型的GCB上通过23 kA（50 Hz）的电流等级下，温度上升试验的表现令人满意。如图5所示，相对于HECS-130XLp型GCB（13 000 A，不使用热管）的最大温升而言，使用热管后的最大温升远低于IEEE Std C37.013-1997规定的65 K。同时，我们也看到，14 500 A不使用热管情况下，GCB能稳定运行。

图5 导体温度上升值图

1.3 温度报警系统

由于GCB采用3MTMHFE-7100TM作为冷却介质，沸点为61℃，如果冷却系统密封不可靠，会造成冷却介质损失、冷却效率降低。同时GCB导体温度会迅速上升，应对GCB导电部位温度进行监视，确保GCB安全可靠运行。当GCB导体温度达到一定温度时，由温度开关（图6）发出温度信号，送至监控系统，便于运行人员果断采取降负荷措施。

图6 温度开关

2 运行试验情况

试验之前，应保证发电机满负荷运行至少2 h以上，记录环境温度及发电机负荷电流，对GCB负荷侧端子、断路器与隔离开关间导体及GCB电源侧导体三极进行测试，具体测试情况如图7、图8、图9、图10所示。

图7

图8

图9

图10

以上试验是在GCB安装母线道通风系统未启用，周围空气自然对流情况下测试的。从测试图可知，断路器在满负荷情况下长期运行，冷凝器温度最高温度才50.5℃，完全能满足安全、稳定运行要求。

3 结束语

发电机断路器最主要性能指标之一是通过负载电流的能力。对于一个确定的断路器，可通过改善它和周围环境的热量传输来提高其载流等级，实现冷却增容的目的。在之前，有源冷却系统被广泛的应用于提高GCB的负载电流能力，如ABB的HEC系例产品，但是有源冷却系统也有几个不利的因素，比如功率损耗，可靠性，维护要求，噪音，设备尺寸等。瀑布沟采用的冷却系统可以克服这些缺点，采用热管冷却技术即无源冷却系统。该冷却系统可以跨越电气和完全无源元件之间的巨大鸿沟，从而获得一个有效的热量传输途径，使有源冷却系统的缺点可以完全的被避免。实践证明，采用热管冷却技术的GCB在瀑布沟水电站发电机断路器近一年来的运行是成功的，可借鉴和推广。

TM561

B

1672-5387（2010）06-0046-03

2010-10-08

袁永生（1964-），男，工程师，从事水电厂生产管理工作。