水电站离相封闭母线抱箍局部高温问题分析与仿真研究

王 贺,李学龙,刘德龙

(雅砻江流域水电开发有限公司,成都 610051)

0 前言

目前,600MW 及以上大型水电站20kV 母线多数采用全连式离相封闭母线,全连式离相封闭母线具有运行安全、维护工作量小、安装方便等优点[1-3],但在电力生产现场中,离相封闭母线局部高温、发热等已成为机组安全运行亟待解决的问题[4-9]。

某600MW 水电站离相封闭母线由导体、外壳、支柱绝缘子、金具、外壳支持件、密封隔断装置、短路板、穿墙板、设备柜、与发电机和变压器的连接结构等部分构成。导体采用管圆形的铝导体,外壳为铝质,为了检修维护方便,在外壳上设有观察孔和检修孔[10]。离相封闭母线外壳采用抱箍固定,抱箍与支架采用穿销连接,抱箍支架焊接在钢横梁上,钢横梁通过扁铁直接接地。

离相封闭母线长期局部高温会加速设备老化,导致设备损坏,甚至停机。本文从涡流损耗角度探究离相封闭母线抱箍局部高温现象,提出一种在离相封闭母线抱箍上安装铜质接地线方法进行故障处理,并验证此方法解决抱箍局部高温问题的有效性。

1 局部发热问题分析

1.1 问题概述

电厂巡检人员应用红外热像仪巡检发现,1～6 号发电机出口离相封闭母线靠发电机侧前三组抱箍均存在不同程度的局部高温现象,发热点位于抱箍与支撑架销钉连接处,越靠近发电机出口侧发热现象越严重,其中6 号发电机C 相的第一节抱箍局部最高温度达到90℃以上。离相封闭母线局部支持结构如图1所示,抱箍支架最高温度见表1,由表1 可知局部温度超过离相封闭母线厂家设计运行说明书中最高温度限值,GB/T 8349-2000《金属封闭母线》中规定,金属封闭母线外壳支持结构最高允许温度为70℃,最高温升限值为30K[11]。离相封闭母线各部位最高允许温度和温升限值应符合表2 要求[12]。

表2 离相封闭母线各部位最高允许温度和温升限值

图1 离相封闭母线局部支持结构

1.2 理论分析

离相封闭母线导体与外壳是同轴结构,可构成一个1∶1 的电流互感器模型。互感器等值电路图如图2所示。

图2 等值电路图

图中,R1、Xs1为原边漏电阻和阻抗;R2、Xs2为副边漏电阻和阻抗;Rm、Xm为激磁电阻和阻抗;Im为激磁电流;I1、I2分别为原、副边电流。由于没有铁芯,激磁电阻Rm=0。考虑到离相封闭母线较长,漏磁集中于端部和短路板附近,外壳的漏抗很小可将其忽略,副边漏抗Xs2=0。

将导体和母线外壳看成是平行导线,可算出导体和外壳之间的互感为[13]:

式中,空气磁导率μ0=4π ×10-7H/m;l为母线长度;如图3所示,由于母线外壳通过两端的短路板构成了一个闭合回路,所以长度取主回路母线短路板之间的距离(l=15m);D为导体和外壳的轴线距离。

图3 离相封闭母线结构

根据电路原理相关知识可算得激磁电抗:

该水电站主回路母线外壳直径Dk=1450mm,厚度δk=10mm,外壳允许的最大温升为30K(设计环境温度为40℃),20℃铝的电阻率ρ=0.0292(Ω·mm2)/m,铝的电阻温度系数为0.004/℃,母线额定电流为In=23000kA,可求得母线外壳单位长度电阻R2:

计算激磁电抗和副边的电阻后,得出副边电流I2=22999.77 ∠0.26(kA),激磁电流Im= 103.49∠-89.47(kA)[14]。

根据计算结果可知,副边的感应电流基本与原边相同,激磁电流只占导体电流的很小一部分,离相封闭母线剩余磁场对抱箍上的涡流影响很小,过热抱箍集中于发电机出口抱箍前三组,其他抱箍未发现过热现象,可以排除是母线的剩余磁场导致抱箍过热[15]。

发电机出口处已安装屏蔽板,且屏蔽板可靠接地,以减轻漏磁通在发电机附近钢结构上产生的涡流损耗。若屏蔽板厚度不合适时,发电机主引出线处漏磁未能完全屏蔽,漏磁通就会在离相封闭母线抱箍与其支持结构处产生涡流损耗。抱箍上的涡流损耗主要与该处的磁感应强度有关,根据公式(4)可知,距离发电机越远,磁感应强度越小,涡流损耗也就越小,对应的发热也会减轻。本次分析过热抱箍,离发电机越远,温度呈下降趋势,符合上述推论。如图1所示,该电站抱箍与支撑腿(简称“支腿”)的连接采用销钉连接,销钉与抱箍的接触面积小,导流能力差,加剧此部位发热现象。

式中,I为发电机额定电流;r为母线抱箍与发电机出口间的距离;K为常量。

1.3 仿真分析

利用有限元软件对离相封闭母线进行建模仿真研究[16-20],研究母线电流磁场和发电机漏磁对抱箍的影响,母线磁场模型如图4所示,发电机漏磁模型如同5所示,利用导电环模拟发电机漏磁,研究漏磁对离相封闭母线抱箍的影响,对比内部母线产生感应电流与外加磁场条件下产生感应电流的大小和分布情况,确定引起抱箍局部温度过高的原因。

图4 离相封闭母线模型

图5 外加磁场模型结构

设置母线电流为18735A,即发电机满发时的额定输出电流,得到母线抱箍电流密度分布图如图6所示,可以看出,母线抱箍内侧的电流较大,但是流过抱箍支腿部分的电流较小,经过计算,流过抱箍支腿的电流幅值为40A 左右,发热量有限,且三相母线六个支腿之间的电流幅值相差不大,与现场A、C 两相抱箍支腿温度更高的现象不符。

图6 母线通额定电流条件下抱箍电流密度图

外加磁场条件下抱箍电流密度如图7所示,从图中可以看出,在外磁场的激励下,母线抱箍支柱电流密度较大,且A、C 两相母线外侧的支柱电流最大,且与B 相电流相差很大,与现场问题相符。综上所述,引起母线抱箍局部温度过高的原因为发电机漏磁。

图7 外加磁场条件下抱箍电流密度图

2 解决方案与预防措施

2.1 解决方案与应用效果

针对由发电机漏磁导致的母线抱箍局部温度过高问题,提出两种解决方案,一种是更换抱箍材料,将高磁导率的铁制抱箍更换成铝制材料,以减少涡流;另一种方案是在抱箍上加装接地引线,减少流经抱箍支腿的感应电流,减少支腿固定螺栓发热。针对更换材料的方案,进行仿真分析,对比两种材料下流经支腿电流幅值的大小。不同激励电流下流经抱箍支腿的电流变化曲线如图8所示,从图中可以看出,将铁制材料更换成铝制材料后,流经抱箍支腿的电流有一定程度的减小,但是减小的幅值有限,并不能明显缓解抱箍局部发热的问题,而且铝制材料相对于铁制材料强度更低,抗发热疲劳能力更差,因此,将铁质抱箍更换成铝制抱箍的方案难以解决抱箍局部发热的问题。

图8 不同激励电流下的抱箍支腿电流变化情况

根据涡流损耗过热机理,确定“疏导涡流” 的处理原则,在离相封闭母线抱箍与钢横梁间安装载流面积为50mm2或70mm2的黄绿相间铜质接地线,根据红外热成像谱图结果显示,在发电机功率P=600MW,出线电流I=18.735kA 的运行工况下,过热点温度均降至60℃以下,最高降幅45.8℃,安装接地线前、后离相封闭母线抱箍温度对比见表3,安装接地线前、后离线封闭母线抱箍支架最高温度对比见表4。

表3 安装接地线前、后离相封闭母线抱箍温度对比

表4 安装接地线前、后离线封闭母线抱箍支架最高温度对比

2.2 预防措施

根据理论分析与现场实践相结合,提出以下几条措施预防母线抱箍局部温度过高问题:

(1)在离相封闭母线层面增加轴流风机、多联空调装置,可加强离相封闭母线空间内通风、散热,降低环境温度。

(2)将离相封闭母线碳钢抱箍更换为低导磁率的槽铝抱箍,现场实施后,过热程度得以缓解,但温度降幅较低。

(3)改变离相封闭母线抱箍支架结构,将抱箍与支架采用销钉连接改为抱箍与支架采用螺栓连接,增大支架与抱箍间接合面积,但在汛期机组运行中,销钉不易取出,此处理办法不便于实施。

(4)检修期间按照力矩要求对螺栓进行全面检查、紧固,使各螺栓受力均匀,减少局部区域接触电阻过大;对不锈钢螺栓加装绝缘衬垫或绝缘套,防止产生环流。

(5)在发电机出口侧加装屏蔽铝板或增加发电机出口侧屏蔽铝板厚度,阻隔发电机漏磁通。

3 结论

本文以600MW 水电站20kV 离相封闭母线抱箍局部高温故障为研究对象,提出了在抱箍上安装截面积为50mm2或70mm2黄绿相间铜质接地线的处理措施,以降低离相封闭母线抱箍局部高温,其优势在于安装方便、成本低、效果显著,可高效地保证离相封闭母线在主汛期满负荷工况下安全稳定的运行。离相封闭母线在大型水电站中应用广泛,对机组安全运行意义重大,而离相封闭母线局部高温现象普遍发生,应加强对高温发热问题的研究,优化离相封闭母线结构,改善散热条件;将离相封闭母线红外测温列入电气专业巡检工序中,及时关注离相封闭母线局部高温问题,并做出正确技术处理。