秦山第二核电厂离相封闭母线出线箱局部过热问题研究

唐芳轩，张 剑，曾利民，包彦省，张 烈，杨悦民（.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 34300；.北京电力设备总厂，北京 040）

秦山第二核电厂离相封闭母线出线箱局部过热问题研究

唐芳轩1，张 剑1，曾利民1，包彦省1，张 烈2，杨悦民2
（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.北京电力设备总厂，北京 102401）

文章介绍了秦山第二核电厂全连自冷离相封闭母线出线箱的结构，对封闭母线出线箱局部过热的机理进行了研究。研究表明，涡流损耗集中、通风冷却不足是造成出线箱局部过热的根本原因，据此确定了“分散涡流，阻断环流，加强通风”的改进原则，设计制造了新结构的试验出线箱并成功地进行了温升试验。新结构出线箱上箱体各侧面板间、上箱体与下箱体间增加绝缘，上箱体增加两台冷却风机。新结构出线箱投入运行后，热点温度大幅降低，改善了运行环境，保障了机组的安全运行，对同类问题的分析处理具有一定借鉴意义。

离相封闭母线；出线箱；涡流；环流；过热

秦山第二核电厂发电机容量650 MW，电压20 kV，电流20 849 A，采用全连自冷离相封闭母线，发电机出线套管与封闭母线导体在出线箱内连接。出线箱材质L2铝板，上箱体4块侧面板用螺栓连接，下箱体各侧面板焊接，上、下箱体间螺栓连接。封闭母线投运后，发现出线箱上箱体与下箱体连接处局部温度达120 ℃，个别连接螺栓温度达140 ℃，出线箱出线侧结构与过热部位如图1所示，检修孔侧结构及过热部位如图2所示（图中红色为过热部位）。文章对出线箱局部过热机理进行了研究，采取将出线箱小箱体各面板间绝缘，上、下箱体间绝缘，增加冷却风机等措施后，按实际尺寸设计制造了试验出线箱并进行了温升试验，结果表明热点温度大幅降低。依据试验结果，制造了新结构出线箱，投入运行后各部位温度正常。

图1 封闭母线出线箱出线侧Fig.1 Outlet side of the isolated phase busbar outlet box

图2 封闭母线出线箱检修孔侧Fig.2 Manhole side of the isolated phase busbar outlet box

1 局部过热原因

封闭母线出线箱安装于强磁场环境，出线箱面板产生涡流损耗而发热，且该母线为全连式，即一端装有专用短路板，另一端用出线箱面板做短路板，由此构成的闭合回路会产生环流，也会引起出线箱发热。出线箱在正常运行中温度最高，一般要高出分相母线外壳二十几度[1]，但现实情况表明，分相母线外壳仅45～55 ℃，出线箱最热点温度却达到了120 ℃，个别连接螺栓达到了140 ℃，因此研究过热机理，采取降温措施，对保证安全运行具有重要的意义。

1.1 涡流损耗集中，引起面板局部过热

由电磁场理论知，在体积为V的导体中消耗的平均功率及涡流损耗为：

式（1）表明，出线箱体涡流损耗主要与面板内的磁感应强度相关，电流越大，磁场强度越高，箱体面板涡流损耗越大，发热越严重。发电机运行电流20 kA，强电流在出线箱上感应出涡流，产生涡流损耗，引起箱体面板发热。发电机三相出线与封闭母线导体安装于出线箱内，有垂直导体、水平导体、倾斜导体，形状也不规则，相间距离从1～2 m不等，导致上箱体与下箱体连接部位漏磁叠加。特别是在出线箱的A相与B相之间、B相与C相之间的部位，磁通叠加，涡流损耗集中[3]，引起上箱体与下箱体局部过热。同时，受空间限制以及发电机出线连接形式的限制，箱体面板和导体间的距离较小，加剧了箱体发热。

1.2 漏磁匝链产生环流，引起个别螺栓过热

出线箱的上箱体与下箱体用螺栓连接，形成了闭合回路。随着电流的变化，穿过闭合回路的磁通量也随之变化，闭合回路中将产生环流而引起发热[4]，即上箱体与下箱体间产生的环流将通过连接螺栓，若个别螺栓连接不良，电阻增大，引起螺栓出现过热。由于出线箱内三相导体偏心，漏磁从上箱体与下箱体的连接法兰间穿出，匝链螺栓，在上箱体与下箱体间经螺栓形成环流，使螺栓出现过热。

1.3 冷却不足，加剧发热

出线箱安装处空间狭小，通风不畅，邻近设备多，不利于散热。上箱体原配有2台轴流风机，对箱体内部进行通风散热，但实践表明风机数量少，且箱体面板没有开散热孔，这些情况提高了温升，加剧了发热。

2 方案设计与温升试验

流，加强通风”的改进原则，制造试验用出线箱进行温升试验。试验箱上箱体各侧面板之间加装绝缘，以分散涡流；上箱体与下箱体之间加装绝缘，以阻断上、下箱体间环流；下箱体检修孔由3个方形改为2个圆形，以改善涡流通径；在上箱体两侧开通风孔并增加两台轴流风机，使轴流风机达4台，以加强通风。出线箱连接螺栓采用不导磁的不锈钢螺栓，同时加装绝缘垫和绝缘套，以防产生环流。

用试验变压器对三相短路封闭母线段通22 kA电流，对试验出线箱进行温升试验。待出线箱温度稳定后，用预先埋设好的热电偶测量出线箱外壳的温度，温升试验原理如图3所示，试验方案及结果如表1所示[5]，新结构出线箱各部温升大幅降低。

根据过热机理，确定了“分散涡流，阻断环

图3 封闭母线出线箱温升试验原理图Fig.3 Schematic of the temperature rising experiment of the isolated phase busbar outlet box

表1 温升试验方案及结果Table 1 Scheme and results of the temperature rising experiment

3 现场实施

依据温升试验结果，制造了新结构的出线箱，在发电机功率P=680 MW，出线电流I=19.6 kA的运行工况下，过热点最高降幅48 ℃，与温升试验结果相符，新、旧出线箱温度对比如表2所示。

4 结束语

随着机组容量的不断增大，封闭母线出线箱安装处磁场强，分布复杂，容易引起局部高温过热。国内核电机组、火电机组封闭母线出线箱局部过热情况不仅一例，望制造厂不仅关注封闭母线直线段的发热，还应加强出线箱发热问题研究，优化结构，改善散热条件，降低温升；运行维护单位应加强封闭母线出线箱温度监测，及时掌握运行情况。

表2 新、旧出线箱温度对比Table 2 Temperature comparison between the former and the new outlet box

封闭母线温升不超过30 K，温度不超过70 ℃[6]，实际表明，该标准较为笼统。因为封闭母线离相部分的导体和外壳是离相同心圆筒结构，电磁场情况简单，温度分布均匀，不会超标；但封闭母线出线箱结构复杂,安装处磁场复杂，箱体会感应出较大的涡流，容易出现局部高温。因此，以同一标准来考核封闭母线的不同部位，似乎显得有些不妥。封闭母线外壳的标准是40 K、80 ℃[7]，不仅比国内标准高出了10 K，而且特别指出，在人员通常不易触及的部位允许值为70 K、110 ℃，这既符合实际，又能保证安全。

[1] 陈尚发. 大容量发电机出线封闭母线的作用与降温降耗措施探讨[J]. 电力设备，2005,6（6）:57-58.（CHEN Shang-fa. The Role of the Outlet Enclosed Busbar of High-capacity Generator and Measures for Cooling Down and Reducing Consumption[J]. Electrical Equipment, 2005, 6(6):57-58.）

[2] 倪光正. 工程电磁场原理[M]. 北京：高等教育出版社，2002.（NI Guang-zheng. Engineering Electromagnetic Field Mechanics[M]. Beijing:Higher Education Press, 2002.）

[3] 赵峰，王凯，等. 大容量变压器局部过热问题分析[J].变压器，2009，46（7）:74-75.（ZHAO Feng, WANG Kai, et. al. Locally Overheat Analysis for High Capacity Transformer[J]. Transformer, 2009, 46(7):74-75.）

[4] 郭志福. 发电机母线支撑钢结构过热的分析与处理.内蒙古电力技术[J]，1995（6）:61-62.（GUO Zhifu. Overheating Analysis and Treatment for the Supporting Steel Structure of Generator Busbar. Inner Mongolia Electric Power Technology[J], 1995(6):61-62.）

[5] 北京电力设备总厂. 680 MW封闭母线温升试验报告[R]，2006-08.（Beijing Electrical Equipment Plant. Temperature-rise Test Report for 680 MW Enclosed Busbar[R]. 2006-08.）

[6] GB/T 8349-2000，金属封闭母线[S].（GB/T 8349-2000, Metal Enclosed Busbar[S].）

[7] IEEE Std C37.23TM-2003,IEEE Standard for Metal-Enclosed Busbars, Published by The Institute of Electric and Electronics Engineers, Inc.[S].

Study on Partial Overheat of the Isolated Phase Busbar Outlet Box in Qinshan NPP Phase Ⅱ

TANG Fang-xuan1，ZHANG Jian1，ZENG Li-min1，BAO Yan-xing1，ZHANG Lie2，YANG Yue-min2
(1.Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，CNNC, Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China；2.Beijing Power Equipment Group, Liangxiang Dist. Beijing 102401，China)

This paper recommended the structure of the isolated phase busbar outlet box installed in Qinshan II. The study on partial overheat of the outlet box shows that the ultimate causes are the loss of concentrated eddy current and short of cooling. So the improvement principles of“distributing eddy current, cutting off inductive circle current and strengthening of ventilation”were determined. A new structure test outlet box was designed and manufactured, and the temperature rising experiment was carried out. Some alterations were made in the new structure outlet box, e.g. isolating materials were added between side plates of the upper outlet box, and also between the upper and lower outlet box. Two cooling blowers were added to the upper outlet box. After putting into operation, the hot-spot temperature of the new outlet box was greatly lowered down. Thus the operation environment was improved, and the operation safety ensured. It can be useful references for analyzing and dealing with similar problems.

TL33 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)02-0120-04

TL33

A

1674-1617(2013)02-0120-04

2012-09-18

唐芳轩（1966—），男，四川开江人，研究员级高级工程师，主要从事高电压技术及高压电气设备的维修、试验和故障诊断的研究。

Key words:isolated phase busbar；outlet box；eddy current；inductive circle current；overheat