曹 霆 徐國祥

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電廠全絕緣澆注勵磁母線選型分析

曹 霆 徐國祥

（國電江蘇電力有限公司諫壁發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

針對勵磁系統(tǒng)共箱母線存在易結(jié)露、絕緣降低等問題，本文對諫壁發(fā)電廠兩臺330MW機(jī)組勵磁系統(tǒng)改造時選擇使用全絕緣澆注母線作為勵磁母線，進(jìn)行了深入分析，從其技術(shù)參數(shù)選型驗(yàn)證及仿真分析等方面論證其在勵磁改造中的安全可靠性，為全絕緣澆注母線在發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)的應(yīng)用提供借鑒。

電廠；全絕緣澆注母線；選型；分析

勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要的作用[1]。為了改善發(fā)電廠勵磁母線易受潮以及絕緣低等現(xiàn)象，引入全絕緣澆注母線，其絕緣層采用復(fù)合絕緣材料澆注而成，具有優(yōu)越的電氣絕緣性能[2]，投運(yùn)后不受環(huán)境因素影響。本文從全絕緣澆注母線主要技術(shù)參數(shù)選型驗(yàn)證，論證澆注母線在勵磁系統(tǒng)改造應(yīng)用中的安全可靠性。

1 勵磁母線運(yùn)行中存在的問題

國電江蘇電力有限公司諫壁發(fā)電廠11號、12號兩臺330MW機(jī)組的勵磁采用共箱母線布置。由于環(huán)境溫差、密封件老化導(dǎo)致密封性相對較差，兩臺330MW機(jī)組的勵磁母線在機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化、起停機(jī)或外界環(huán)境發(fā)生變化時，易發(fā)生母線內(nèi)部結(jié)露現(xiàn)象，加上內(nèi)部污穢物沉積，降低了母線的絕緣性能，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來隱患。起機(jī)前需開展共箱母線內(nèi)部結(jié)露、污物的清除工作，方能滿足起機(jī)要求。但由于勵磁母線尺寸為400mm×600mm，外殼體積小，維護(hù)難度和工作量大，現(xiàn)場處理較為困難且花費(fèi)時間較長，影響機(jī)組正常起動。

2 改造方案

為了徹底消除上述問題，決定對勵磁母線進(jìn)行改造。調(diào)研了解到澆注母線是一種固體絕緣母線。固體絕緣材料由多種無機(jī)礦物、環(huán)氧樹脂及固化劑按一定比例真空混合攪拌澆注成型。環(huán)氧類固化物具有優(yōu)異絕緣性能和韌性，無機(jī)填料大幅度提高了固化物強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)熱性。

全絕緣澆注母線為固體絕緣母線，不存在內(nèi)部結(jié)露情況，從根本上避免了勵磁母線結(jié)露現(xiàn)象[3-5]。因此，由環(huán)氧樹脂與固化劑混合物可有效滿足母線電氣和機(jī)械性能，從而徹底解決母線內(nèi)部結(jié)露，絕緣降低的問題。

3 技術(shù)參數(shù)選型

電氣設(shè)備通過電流時將產(chǎn)生損耗，包括載流導(dǎo)體的電阻損耗、載流導(dǎo)體周圍金屬結(jié)構(gòu)件處于交變磁場中所產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗、絕緣材料內(nèi)部的介質(zhì)損耗等，這些損耗都將會使電氣設(shè)備的溫度升高[6-8]。溫升過高將對設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

同時，導(dǎo)體還受到電動力的作用。如果電動力超過允許值，將使導(dǎo)體變形或損壞。由此可見，發(fā)熱和電動力是電氣設(shè)備參數(shù)選型中必須注意的問 題[9-10]。

國電江蘇電力有限公司諫壁發(fā)電廠11號、12號兩臺330MW機(jī)組勵磁澆注母線是技術(shù)參數(shù)擬初步選型見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)選型

3.1 全絕緣澆注母線熱平衡計算

全絕緣澆注母線在運(yùn)行時，母線導(dǎo)體載流時由于電阻存在而產(chǎn)生熱量，該熱量通過熱傳導(dǎo)的形式傳遞給包覆在母線導(dǎo)體外表面的絕緣層，最終通過絕緣層外表面以對流及輻射換熱的形式傳遞給周圍環(huán)境，在熱平衡的情況下，母線導(dǎo)體的發(fā)熱量等于母線外表面對流及輻射熱量之和。

1）母線導(dǎo)體發(fā)熱量[11]m

2）全絕緣澆注母線外表面對流散熱[11]kd

勵磁母線位于戶內(nèi)，對流條件為自然對流，該狀態(tài)下空氣自然對流散熱系數(shù)為

3）全絕緣澆注母線外表面輻射散熱[11]kf

采用逐次逼近法，交流勵磁母線計算結(jié)果見表2。

表 2

母線導(dǎo)體溫度/℃84.7 溫升/K44.7 母線外殼溫度/℃68.0 溫升/K28.0 損耗值/W610

溫度及溫升要求見表3。

表 3

全絕緣澆注母線允許溫度/℃允許溫升/K 導(dǎo)體9050 全絕緣澆注導(dǎo)體接頭10565 母線絕緣體外表面7030

可見，母線選型滿足母線安全運(yùn)行要求。

4）母線電磁場、損耗仿真

全絕緣澆注母線溫升計算同樣是滿足母線損耗與外散熱相互平衡關(guān)系。熱傳導(dǎo)、輻射散熱和對流散熱這3種散熱方式均有成熟理論公式直接進(jìn)行計算[11]，但是母線三相導(dǎo)體損耗主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算。由于母線采用矩形導(dǎo)體、相間距相對較小，在交變磁場影響下電流分布不均勻，導(dǎo)致母線損耗增大。鑒于此情況，針對額定電流3150A交流母線進(jìn)行電磁仿真分析，通過對磁場和損耗分析，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計選型。

通過Magnet電磁分析軟件，網(wǎng)格化標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行仿真分析計算，母線磁場強(qiáng)度分布云圖如圖1所示。

圖1 母線磁場強(qiáng)度分布云圖

導(dǎo)體上下兩端磁場強(qiáng)度最大，由于磁場導(dǎo)致的集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)影響著母線電流分布和導(dǎo)體損耗分布，母線導(dǎo)體損耗分布云圖如圖2所示。

圖2 母線損耗分布云圖

可見，損耗也主要集中在導(dǎo)體上下兩端，與磁場強(qiáng)度分布保持一致。

三相導(dǎo)體損耗值見表4，三相交流損耗基本一致，總和612W，但相對直流電阻損耗，由于交變磁場影響導(dǎo)致母線損耗增加約20%。

表4 母線三相導(dǎo)體損耗列表

損耗值仿真結(jié)果與前文程序計算結(jié)果610W損耗吻合，設(shè)計選型合理。

3.2 短路電動力母線強(qiáng)度校核

澆注母線正常運(yùn)行時，由工作電流引起的導(dǎo)體間相互作用力較小，但在發(fā)生短路故障時，短路沖擊電流將產(chǎn)生較大的電動力，必須保證發(fā)生短路時母線免于電動力破壞。發(fā)生三相短路時產(chǎn)生電動力要大于兩相短路，且中間相短路電動力大于邊相短路電動力，故設(shè)計時僅需按最大短路電動力進(jìn)行計算。根據(jù)澆注母線結(jié)構(gòu)形式，將其簡化為多跨簡支梁支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1）短路電動力[1]

2）強(qiáng)度校核[1]

經(jīng)計算，本母線參數(shù)選型的結(jié)果如下：

最大短路電動力：82893N。

滿足母線安全運(yùn)行要求。

3.3 全絕緣澆注母線熱穩(wěn)定校核

由于發(fā)生短路的時間很短，一般不超過幾秒鐘，短路電流引起導(dǎo)體發(fā)熱不考慮傳導(dǎo)給絕緣材料，即假設(shè)導(dǎo)體是絕熱狀態(tài)，短路電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量完全用來使導(dǎo)體溫度升高。

導(dǎo)體短路時溫度計算

經(jīng)計算，本母線參數(shù)選型的結(jié)果如下：

1）交流勵磁母線導(dǎo)體溫度及溫升：133.8℃/ 54.6K。

2）澆注母線銅排短路允許溫度及溫升：300℃/ 210K。

計算結(jié)果顯示該規(guī)格全絕緣澆注母線完全能夠滿足工程參數(shù)及安全運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

從上面的分析可以看出，國電江蘇電力有限公司諫壁發(fā)電廠勵磁母線改造所選用的全絕緣澆注母線是理想可靠的，滿足相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求。全絕緣澆注勵磁母線具有優(yōu)良的絕緣性能，散熱性能好、防腐防潮、占用空間小、便于布置安裝等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決原勵磁母線結(jié)露、絕緣性能降低的問題。

全絕緣澆注母線免維護(hù)的特性，降低了后期維護(hù)成本，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定。相信全絕緣澆注母線在勵磁系統(tǒng)及其他金屬封閉母線改造中都將得到廣泛的運(yùn)用。

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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，江蘇省鎮(zhèn)江市人，工程師，主要從事發(fā)電廠設(shè)備管理工作。