电厂全绝缘浇注励磁母线选型分析

曹 霆 徐国祥



电厂全绝缘浇注励磁母线选型分析

曹 霆 徐国祥

（国电江苏电力有限公司谏壁发电厂，江苏 镇江 212006）

针对励磁系统共箱母线存在易结露、绝缘降低等问题，本文对谏壁发电厂两台330MW机组励磁系统改造时选择使用全绝缘浇注母线作为励磁母线，进行了深入分析，从其技术参数选型验证及仿真分析等方面论证其在励磁改造中的安全可靠性，为全绝缘浇注母线在发电厂励磁系统的应用提供借鉴。

电厂；全绝缘浇注母线；选型；分析

励磁系统对发电机组运行的可靠性、电力系统的稳定性有着重要的作用[1]。为了改善发电厂励磁母线易受潮以及绝缘低等现象，引入全绝缘浇注母线，其绝缘层采用复合绝缘材料浇注而成，具有优越的电气绝缘性能[2]，投运后不受环境因素影响。本文从全绝缘浇注母线主要技术参数选型验证，论证浇注母线在励磁系统改造应用中的安全可靠性。

1 励磁母线运行中存在的问题

国电江苏电力有限公司谏壁发电厂11号、12号两台330MW机组的励磁采用共箱母线布置。由于环境温差、密封件老化导致密封性相对较差，两台330MW机组的励磁母线在机组负荷发生变化、起停机或外界环境发生变化时，易发生母线内部结露现象，加上内部污秽物沉积，降低了母线的绝缘性能，给机组安全运行带来隐患。起机前需开展共箱母线内部结露、污物的清除工作，方能满足起机要求。但由于励磁母线尺寸为400mm×600mm，外壳体积小，维护难度和工作量大，现场处理较为困难且花费时间较长，影响机组正常起动。

2 改造方案

为了彻底消除上述问题，决定对励磁母线进行改造。调研了解到浇注母线是一种固体绝缘母线。固体绝缘材料由多种无机矿物、环氧树脂及固化剂按一定比例真空混合搅拌浇注成型。环氧类固化物具有优异绝缘性能和韧性，无机填料大幅度提高了固化物强度、硬度和导热性。

全绝缘浇注母线为固体绝缘母线，不存在内部结露情况，从根本上避免了励磁母线结露现象[3-5]。因此，由环氧树脂与固化剂混合物可有效满足母线电气和机械性能，从而彻底解决母线内部结露，绝缘降低的问题。

3 技术参数选型

电气设备通过电流时将产生损耗，包括载流导体的电阻损耗、载流导体周围金属结构件处于交变磁场中所产生的磁滞和涡流损耗、绝缘材料内部的介质损耗等，这些损耗都将会使电气设备的温度升高[6-8]。温升过高将对设备产生不利影响。

同时，导体还受到电动力的作用。如果电动力超过允许值，将使导体变形或损坏。由此可见，发热和电动力是电气设备参数选型中必须注意的问 题[9-10]。

国电江苏电力有限公司谏壁发电厂11号、12号两台330MW机组励磁浇注母线是技术参数拟初步选型见表1。

表1 技术参数选型

3.1 全绝缘浇注母线热平衡计算

全绝缘浇注母线在运行时，母线导体载流时由于电阻存在而产生热量，该热量通过热传导的形式传递给包覆在母线导体外表面的绝缘层，最终通过绝缘层外表面以对流及辐射换热的形式传递给周围环境，在热平衡的情况下，母线导体的发热量等于母线外表面对流及辐射热量之和。

1）母线导体发热量[11]m

2）全绝缘浇注母线外表面对流散热[11]kd

励磁母线位于户内，对流条件为自然对流，该状态下空气自然对流散热系数为

3）全绝缘浇注母线外表面辐射散热[11]kf

采用逐次逼近法，交流励磁母线计算结果见表2。

表 2

母线导体温度/℃84.7 温升/K44.7 母线外壳温度/℃68.0 温升/K28.0 损耗值/W610

温度及温升要求见表3。

表 3

全绝缘浇注母线允许温度/℃允许温升/K 导体9050 全绝缘浇注导体接头10565 母线绝缘体外表面7030

可见，母线选型满足母线安全运行要求。

4）母线电磁场、损耗仿真

全绝缘浇注母线温升计算同样是满足母线损耗与外散热相互平衡关系。热传导、辐射散热和对流散热这3种散热方式均有成熟理论公式直接进行计算[11]，但是母线三相导体损耗主要依据经验公式进行计算。由于母线采用矩形导体、相间距相对较小，在交变磁场影响下电流分布不均匀，导致母线损耗增大。鉴于此情况，针对额定电流3150A交流母线进行电磁仿真分析，通过对磁场和损耗分析，进一步验证设计选型。

通过Magnet电磁分析软件，网格化标准段进行仿真分析计算，母线磁场强度分布云图如图1所示。

图1 母线磁场强度分布云图

导体上下两端磁场强度最大，由于磁场导致的集肤效应和临近效应影响着母线电流分布和导体损耗分布，母线导体损耗分布云图如图2所示。

图2 母线损耗分布云图

可见，损耗也主要集中在导体上下两端，与磁场强度分布保持一致。

三相导体损耗值见表4，三相交流损耗基本一致，总和612W，但相对直流电阻损耗，由于交变磁场影响导致母线损耗增加约20%。

表4 母线三相导体损耗列表

损耗值仿真结果与前文程序计算结果610W损耗吻合，设计选型合理。

3.2 短路电动力母线强度校核

浇注母线正常运行时，由工作电流引起的导体间相互作用力较小，但在发生短路故障时，短路冲击电流将产生较大的电动力，必须保证发生短路时母线免于电动力破坏。发生三相短路时产生电动力要大于两相短路，且中间相短路电动力大于边相短路电动力，故设计时仅需按最大短路电动力进行计算。根据浇注母线结构形式，将其简化为多跨简支梁支撑结构进行强度校核。

1）短路电动力[1]

2）强度校核[1]

经计算，本母线参数选型的结果如下：

最大短路电动力：82893N。

满足母线安全运行要求。

3.3 全绝缘浇注母线热稳定校核

由于发生短路的时间很短，一般不超过几秒钟，短路电流引起导体发热不考虑传导给绝缘材料，即假设导体是绝热状态，短路电流在导体中产生的热量完全用来使导体温度升高。

导体短路时温度计算

经计算，本母线参数选型的结果如下：

1）交流励磁母线导体温度及温升：133.8℃/ 54.6K。

2）浇注母线铜排短路允许温度及温升：300℃/ 210K。

计算结果显示该规格全绝缘浇注母线完全能够满足工程参数及安全运行要求。

4 结论

从上面的分析可以看出，国电江苏电力有限公司谏壁发电厂励磁母线改造所选用的全绝缘浇注母线是理想可靠的，满足相关技术参数要求。全绝缘浇注励磁母线具有优良的绝缘性能，散热性能好、防腐防潮、占用空间小、便于布置安装等优点，可有效解决原励磁母线结露、绝缘性能降低的问题。

全绝缘浇注母线免维护的特性，降低了后期维护成本，保证设备安全可靠运行，保障系统安全稳定。相信全绝缘浇注母线在励磁系统及其他金属封闭母线改造中都将得到广泛的运用。

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[11] 杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

Selection and analysis of all insulated pouring excitation bus in power plant

Cao Ting Xu Guoxiang

(Jianbi power plant of Guodian Jiangsu Power Co., Ltd, Zhenjiang, Jiangsu 250200)

In view of the problems of easy condensation and insulation reduction of the common box bus in the excitation system. This paper analyzed on the excitation bus of two 330MW generator excitation system during the rehabilitation of the excitation system of the Jian Bi power plant deeply. And demonstrated the safety and reliability of the excitation rehabilitation from the selection and verification of technical parameters and simulation analysis.It can be used for reference for the selection of all insulated pouring bus in power plant excitation system.

power plant; all insulated pouring bus; selection; analysis

2018-03-23

曹 霆（1979-），男，江苏省镇江市人，工程师，主要从事发电厂设备管理工作。