10kV箱变改造为发电机转子护环感应加热电源的研究与应用

申雁鹏 王声学

10kV箱变改造为发电机转子护环感应加热电源的研究与应用

申雁鹏 王声学

（江苏核电有限公司，江苏 连云港 222042）

在某核电站汽轮发电机转子首次检修和绕组发生绝缘缺陷时，需要采用感应加热法拆除转子护环进行检查与处理。本文结合电站实际情况及护环拆装需求，经过分析与计算，按照最优的单绕组供电方案将工程建设期退役的10kV箱式变电站改造成拆装发电机转子护环所需的感应加热电源，并在两台百万千瓦级汽轮发电机的首次大修和转子绝缘缺陷处理中实现成功应用，有效保障了核电站发电机大修工期，节约了大修成本。

箱式变电站；发电机；护环；感应加热

0 引言

国内某核电站1、2号机组汽轮发电机是从俄罗斯进口，根据厂家技术文件规定，发电机首次大修时需要对转子进行拆护环检查；另外，依据文献[1]，当发电机转子绕组出现绝缘缺陷时，也必须拆卸转子护环进行检查处理，以恢复其绝缘性能，从而延长发电机的使用寿命[2]。因此，在发电机首次大修和转子绕组出现绝缘缺陷时均需要拆卸转子护环。在进行大型发电机转子拆护环操作时，感应加热是一种较好的方法[3]，但需要提供非标准电压的大容量交流电源。经调研，目前护环感应加热电源主要是发电机制造厂使用的中频电源装置，工程现场也会采用大型电焊机作为加热电源。但是，电站现场无适用的加热电源，为了解决该难题，本文结合现场实际，考虑将一台工程建设期退役的10kV箱式变电站（以下简称箱变）改造为护环感应加热电源。

1 感应加热电源参数要求和厂用电概况

1.1 感应加热电源参数要求

感应加热电源容量为150～160kV∙A，电源电流为1 200～1 500A，电源电压为120～130V，连续加热时间为50～90min。

1.2 现场厂用电概况

厂用电系统有6kV和400V两个电压等级，6kV母线电压一般达到6.3kV，母线上有备用开关可用，距离发电机平台70m左右；400V的电压和容量无法满足护环感应加热电源参数要求。

2 箱变的结构和技术参数

2.1 箱变的结构

箱式变电站箱体是集中装设中压开关设备、变压器和低压配电设备的箱体，一般分为高压室、变压器室及低压室[4]。变压器室安装有一台干式变压器；高压室安装有高压真空负荷开关；低压室安装一台万能式断路器（低压主开关）和多台配电空气开关及控制、测量、保护装置。箱变电气回路原理接线如图1所示。

图1 箱变电气回路原理接线

2.2 箱变主要技术参数

1）箱变总体技术参数

箱变型号为ZB105—1000/10，额定容量为1 000kV∙A，额定电压为10.5kV/0.4kV，总质量为6 380kg。

2）干式变压器技术参数

干式变压器型号为SCB8—1000/10.5，额定容量为1 000kV∙A，联结组标号为Dyn11，短路阻抗为6.26%，高压侧5挡额定电压分别为10 000V/ 10 250V/10 500V/10 750V/11 000V，低压侧额定电压为400V，高压侧额定电流为55.0A，低压侧额定电流为1 443A。

3）高压真空负荷开关技术参数

高压真空负荷开关型号为HVGN15A—12（F），额定电压为10kV，额定电流为75A。

4）万能式断路器（低压主开关）技术参数

万能式断路器型号为DW15—2500，额定电流n=2 000A。

3 箱变改造方案分析计算

根据上述护环感应加热电源参数的要求和现场条件，以及箱变的铭牌参数，同时考虑感应加热的速度，改造后的箱变需满足低压侧输出电压120～130V，电流按最大值1 500A考虑。因使用时箱变的高压侧接6kV厂用电，按照变压器的相电压比进行初步计算，输出电压可以满足要求，改造时应重点考虑电流是否满足要求。经初步分析，有“单绕组供电”和“双绕组并联供电”两种改造方案。

3.1 方案一：单绕组供电方案

将箱变内部干式变压器的三相绕组拆开，使各相绕组独立。考虑输出电压不要过高，分接位置初调到“1”，选用A、B、C三相中任意一相（本方案选用B相）绕组作为感应加热的供电绕组，改成一个单相变压器工作方式。A、C相高、低压绕组的首端悬空且保证足够的绝缘距离，末端接地。B相高压绕组首、末端分别连接高压室的高压真空负荷开关A、B、C三相中任意两相（本方案选用A、C两相）出线端，低压绕组首、末端分别连接至低压室的低压主开关的A、C相进线端。按方案一改造后的箱变电气回路原理接线如图2所示。

图2 单绕组供电方案电气回路原理接线

依据文献[5-6]，对方案一进行如下计算。

1）单绕组供电时，容量为总容量的1/3，变压器归算到低压侧的漏抗为

2）变压器1分接下相电压比（匝数比）为

式中：为变压器1分接下相电压比；1为变压器高压额定电压，1分接取11 000V；2为变压器低压侧额定电压（V）。

3）改造后变压器接至6kV系统的低压侧电压为

4）改造后变压器非工作相电压分析

当B相接上1=6 300V电源工作时，设流过B相铁心柱的磁通为m，B相高压绕组的感应电动势为1，由于B相磁通经过A、C相铁心柱分路，依据文献[7]，在理想变压器状态下，有1=1= 6 300V；A、C相的磁通均为m/2，绕组的感应电动势均为1/2=3 150V（低于额定电压）。

3.2 方案二：双绕组并联供电方案

将箱变内部干式变压器的三相绕组拆开，使各相绕组独立。考虑输出电压不要过高，分接位置初调到“1”，再把高压绕组AX与BY并联，低压绕组ax与by并联，两高压绕组并联后的首末端分别连接到高压室的高压真空负荷开关A、B、C三相中任意两相（本方案选用A、C两相）出线端，两低压绕组并联后的首末端分别接至低压室的低压主开关的A、C相进线端。另外，变压器C相高低压绕组的首端悬空且保证足够的绝缘距离，末端接地。按方案二改造后的箱变电气回路原理接线如图3所示。

图3 双绕组并联供电方案电气回路原理接线

方案二的相关计算如下。

1）双绕组并联供电时，变压器归算到低压侧的漏抗为

式中，T2为双绕组并联供电时，变压器归算到低压侧的漏抗（W）。

2）变压器相电压比（匝数比）与单绕组供电方案时相同，如式（2）所示。

3）变压器改造后接至6kV系统的低压侧电压与单绕组供电方案时相同，如式（3）所示。

4）变压器改造后非工作相电压分析

当A、B相并联后接上1=6 300V电源工作时，设流过A、B相铁心柱的磁通分别为m，在A、B相高压绕组的感应电动势为1，由于A、B相磁通都要经过C相铁心柱，在理想变压器状态下，有1=1=6 300V，C相的磁通为2m，C相绕组的感应电动势为21=12 600V（高于额定电压）。

3.3 两种方案的可行性分析与比较

为了验证改造方案的计算结果，确认其可行性，在两种改造方案下分别进行400V低电压试验，试验结果见表1。

表1 两种改造方案的400V低电压试验结果

从表1的试验结果看，电压测量值与理论计算基本吻合，两方案都具备可行性。两种改造方案的优缺点比较见表2。

表2 两种改造方案比较

通过上述计算和分析比较可知，方案一明显优于方案二，因此采用方案一对箱变进行改造应用。

4 箱变改造后的实际应用

改造后的箱变按照DL/T 596—2021《电力设备预防性试验规程》[8]和《电气试验》[9]对干式变压器和开关设备的要求进行相关电气试验，同时参考文献[10]对改造后的箱变进行整体调试及功能试验。试验合格后，按照图4所示发电机转子护环感应加热原理接线，将高压侧用动力电缆接至事先选好的6kV厂用电母线备用断路器负荷侧的A、C相，低压主开关的输出端连接到感应线圈，并接测量表计。由于箱变高压侧接6kV电源，低压侧电压达不到380V和220V，所以从外界接入380V和220V控制电源。停送电用6kV厂用电系统的6kV真空断路器和箱变内的高压负荷开关、低压主开关来控制，低压输出电流、电压可通过感应线圈的缠绕匝数（技术文件规定20～25匝之间）和变压器分接头适量调整。

图4 发电机转子护环感应加热原理接线

因感应加热线圈的阻抗参数不确定，在发电机首次大修拆汽侧护环时，即第一次加热时，变压器选择“1”分接（输出电压最低），感应线圈在护环上缠绕21匝，对将改造后的箱变作为感应加热电源的方案进行调试。合上低压主开关开始加热时，感应线圈的实测电压为118V、电流为1 401A，加热25min后，因护环温度上升较慢，断电停止加热。

为了提高加热速度，根据实测结果重新分析计算，并调整变压器分接头位置和感应线圈的缠绕匝数，具体如下。

1）单匝感应线圈阻抗1为

式中：L为感应线圈的实测电压（V）；L为感应线圈的实测电流（A）；为感应线圈匝数。

2）因变压器归算到低压侧的漏抗为0.01W，在额定电流1 443A下，绕组自身压降达14.43V，因此可把变压器分接头调到“5”，此时变压器电压比和低压侧空载电压分别为

式中：为变压器5分接下相电压比；1为变压器高压额定电压，5分接取10 000V。

3）在额定电流时，感应线圈的总阻抗L和缠绕匝数分别为

式中，2n为变压器低压侧额定电流（A）。

4）为确保变压器低压输出电流不超过额定值，将线圈匝数增加到24匝，此时感应加热线圈的总阻抗L、计算电流2、输出电压2分别为

通过上述对改造箱变的调试及分析计算，把变压器的分接位置改调到“5”，感应线圈增加到24匝，重新送电开始加热，这时感应线圈的实测电压为132V、初始电流为1 341A，变压器工作正常，持续60min左右，护环加热到规定温度，随后从转子上顺利拆下，成功地完成了发电机首次大修转子汽侧护环拆卸感应加热。应用改造后的10kV箱变提供感应加热电源，使之后的励侧护环拆卸和两侧护环回装得以顺利完成，有效保证了发电机的大修工期，同时节约了采购专用感应加热电源装置的成本。与紧急采购专用加热电源装置或采用电焊机提供电源的方案相比，本文方案在技术可行性和经济性方面具有明显优势。本文方案与其他方案的对比见表3。

表3 本文方案与其他方案的对比

5 结论

本文所提大型发电机转子护环感应加热电源方案是在对变压器原理深入研究的基础上，利用现有资源并结合现场检修实际需要而完成改造的。在电站的两台发电机首次大修和多次发电机转子绝缘缺陷处理中，采用改造后的箱变作为拆装转子护环的感应加热电源，成功完成了转子护环的拆装，在发电机大修和抢修过程中起到了关键性的作用。同时，这一改造方案的成功应用，解决了工程现场无非标准电压大容量电源的难题，保证了大型汽轮发电机的检修工期，在工程实践中具有参考意义。

[1] 王声学, 邹晓, 申雁鹏, 等. TBB—1000型发电机转子绕组绝缘缺陷的处理与分析[J]. 大电机技术, 2013(4): 17-20.

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[3] 杨晓斌, 杨军. 感应加热法在发电机转子检修中的应用[J]. 黑龙江电力, 2000, 22(2): 49-52.

[4] 范振代. 10kV变电所型式特点和应用[J]. 电气技术, 2018, 19(9): 101-103.

[5] 王锡凡. 电力工程基础[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1998.

[6] 李建明, 朱康. 高压电气设备试验方法[M]. 2版. 北京: 中国电力出版社, 2001.

[7] 谢毓城. 电力变压器手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.

[8] 电力设备预防性试验规程: DL/T 596—2021[S]. 北京: 中国电力出版社, 2021.

[9] 陈天翔, 王寅仲, 温定筠, 等. 电气试验[M]. 3版. 北京: 中国电力出版社, 2016.

[10] 高低压预装式变电站: GB/T 17467—2020[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.

Research and application of transforming 10kV box-type substation into induction heating power source for generator rotor retaining ring

SHEN Yanpeng WANG Shengxue

(Jiangsu Nuclear Power Co., Ltd, Lianyungang, Jiangsu 222042)

When the rotor of a turbine generator in a nuclear power plant is repaired for the first time and insulation defects occur in the winding, the rotor retaining ring should be removed by induction heating method for inspection and treatment. According to the actual situation of the power station and the demand of the retaining ring disassembly, after analysis and calculation, this paper uses the 10kV box-type substation decommissioned during the construction period as the induction heating power supply for generator rotor retaining ring according to the optimal single-winding power supply scheme, and it has been successfully applied in the first overhaul of two million-kilowatt turbogenerators and the treatment of rotor insulation defects, which effectively guarantees the overhaul period of nuclear power plant generators and saves the overhaul cost.

box-type substation; generator; retaining ring; induction heating

2023-11-10

2024-02-07

申雁鹏（1979—），男，贵州务川人，本科，高级工程师，主要从事核电厂高压电气设备维修、试验及管理工作。