水電站提高并保持封閉母線絕緣水平方法實(shí)證分析

宋明鈺 王振羽 薄巖 趙卓 陳宏

摘要：水電站的離相母線在使用多年后，用以保持密封狀態(tài)的元器件出現(xiàn)老化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致離相母線的密封效果逐漸下降，泄露出較多的氣體。配套微正壓裝置不具備建立標(biāo)準(zhǔn)壓力的條件，設(shè)備故障不斷，除濕效果很不理想。本文通過(guò)對(duì)多種提高和保持離相封閉母線絕緣水平的方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較，得出目前市場(chǎng)上節(jié)能環(huán)保、維護(hù)簡(jiǎn)單和高效，能提高和保持離相封閉母線絕緣水平的最佳方案。

關(guān)鍵詞：封閉母線;絕緣水平;循環(huán)干燥;除濕裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TM83;TM855

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）12-0145-04

0 引言

隨著大容量的發(fā)機(jī)組的廣泛使用，離相封閉母線在電廠中應(yīng)用的普及，封閉母線在使用中防結(jié)露的措施就顯得尤為重要，因?yàn)榉饽竷?nèi)導(dǎo)體對(duì)地絕緣情況的好壞直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全。水電站地下廠房位于地下，相對(duì)濕度較大，對(duì)離相母線的絕緣要求更高。

1 微正壓充氣設(shè)備原理

微正壓充氣設(shè)備是我國(guó)目前采用最多的防結(jié)露方式。它通過(guò)向封母內(nèi)充人干空氣，在母線內(nèi)建立約2500Pa的壓力，阻止外部濕空氣的進(jìn)入，當(dāng)封母內(nèi)空氣壓力降到500Pa以下時(shí)，微正壓裝置重新啟動(dòng)向封母內(nèi)補(bǔ)充壓力。該方式通常采用空氣壓縮機(jī)+儲(chǔ)氣罐形式供氣;儀用微正壓裝置。該方式是微正壓充氣設(shè)備的另一種形式，它取消了空氣壓縮機(jī)，而采用集中供應(yīng)的儀表用氣作為氣源;對(duì)絕緣子局部加熱。將加熱器放置于絕緣子于絕緣館陶的周?chē)蛊錅囟瘸^(guò)露點(diǎn)，避免潮濕的空氣在絕緣子與絕緣管套的表面出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，以此實(shí)現(xiàn)防止絕緣;設(shè)置空氣加熱器。將空氣加熱器放置于母線內(nèi)合理的位置，保證外部溫度低于內(nèi)部溫度，使絕緣物表面的露點(diǎn)溫度與空氣溫度之間的差值加大，減少絕緣物表面結(jié)露的現(xiàn)象;熱風(fēng)保養(yǎng)法。當(dāng)發(fā)電機(jī)在停機(jī)狀態(tài)時(shí)，采用加熱裝置和送風(fēng)系統(tǒng)把熱風(fēng)從封母的一端送進(jìn)，從另一端排出，使得封母內(nèi)的空氣溫度比封母外的空氣溫度高，確保在發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)前封母內(nèi)不發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。達(dá)到封母內(nèi)不結(jié)露的目的，當(dāng)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，這套裝置就停止運(yùn)行。該方法水電廠用得較多。

2 空氣結(jié)露原理

我們了解一下空氣隨溫度、濕度的變化而結(jié)露的原理：

未經(jīng)處理、含有一定量的水蒸汽的空氣稱為濕空氣。不含水蒸汽的空氣叫干空氣。

1m3的濕空氣所含水蒸汽的量稱為絕對(duì)濕度X：

Xx V=m3（ kg/m3）

若濕空氣中水蒸汽的分壓達(dá)到飽和蒸汽壓，則此時(shí)的絕對(duì)濕度稱為飽和絕對(duì)濕度Xb。

在相同的溫度和壓力下，絕對(duì)濕度與飽和絕對(duì)濕度之比稱為相對(duì)濕度ψ：

ψ=X/Xb×100（%）

封閉母線可以認(rèn)為是一密閉容器，在沒(méi)有人為外部氣體交換的情況下（安裝微正壓充氣設(shè)備或熱風(fēng)保養(yǎng)裝置等），封母內(nèi)外壓差基本為0，盡管有一定的泄漏，在短時(shí)間內(nèi)（如24h）我們可以認(rèn)為封母內(nèi)含水量不變，也即上面公式中分子絕對(duì)濕度X為常數(shù)。隨著溫度的升高，分母飽和絕對(duì)濕度Xb也同時(shí)增大，同樣含水量的空氣的相對(duì)濕度ψ就相應(yīng)減小。反之，溫度降低，飽和絕對(duì)濕度Xb隨著減小，空氣相對(duì)濕度就增大。當(dāng)空氣的飽和絕對(duì)濕度Xb降低到等于絕對(duì)濕度X時(shí)，空氣即開(kāi)始結(jié)露。

將空氣溫度進(jìn)行提高的辦法雖然能在一定程度上利用較高的飽和濕度來(lái)降低并控制相對(duì)濕度ψ，但卻是以連續(xù)提供熱能為代價(jià)的。如果我們換個(gè)思路，通過(guò)降低公式中分子絕對(duì)濕度X，將離相封閉母線中空氣的絕對(duì)濕度X進(jìn)行降低，確保絕對(duì)濕度比相同溫度下的飽和絕對(duì)濕度低，以此達(dá)成母線內(nèi)部不結(jié)露的要求。

3 空氣循環(huán)干燥法解決封母內(nèi)結(jié)露

我們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)搜索國(guó)內(nèi)外關(guān)于母線干燥的相關(guān)內(nèi)容，并且在專(zhuān)利技術(shù)網(wǎng)站搜尋到江蘇鎮(zhèn)江某電力設(shè)備制造廠家有關(guān)母線空氣循環(huán)干燥裝置的專(zhuān)利。該廠家為國(guó)內(nèi)知名封閉母線生產(chǎn)廠家，他們從1999年就對(duì)當(dāng)時(shí)離相封閉母線存在的除濕隱患進(jìn)行研究，并且開(kāi)始了封母空氣干燥技術(shù)的研究與裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。他們對(duì)封閉母線內(nèi)空氣進(jìn)行干燥處理的方法較為特殊。干燥裝置的優(yōu)勢(shì)特征如下：①干燥裝置是在封閉的母線內(nèi)通過(guò)大流量干燥空氣的循環(huán)，來(lái)保證內(nèi)部環(huán)境的干燥，降低并控制母線內(nèi)部的濕度。同時(shí)，空氣循環(huán)的方法對(duì)母線密封堵沒(méi)有較高的要求，可以對(duì)新老電廠的離相母線進(jìn)行有效的防結(jié)露處理。②干燥裝飾所使用的是精密濕度傳感器，此類(lèi)傳感器能夠?qū)δ妇€內(nèi)部的濕度進(jìn)行實(shí)況監(jiān)測(cè)，并將濕度值顯示出來(lái)，便于技術(shù)人員觀察母線狀況，在此基礎(chǔ)上設(shè)置了內(nèi)部濕度的上限與下限，實(shí)現(xiàn)控制裝置的自動(dòng)化啟停。③此類(lèi)干燥裝置采取精密溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱桶內(nèi)以及排濕氣口的溫度，并在觸摸屏上顯示，便于工作人員檢查。通過(guò)設(shè)置溫度的上限與下限，實(shí)現(xiàn)加熱器的自動(dòng)化控制。④干燥裝置通過(guò)邏輯控制器與觸摸屏相結(jié)合的控制方式，保證運(yùn)行穩(wěn)定性，在加上電動(dòng)三通球閥的配合，能夠達(dá)成全自動(dòng)化無(wú)人值守的設(shè)計(jì)目標(biāo)。⑤干燥裝置集成度高，現(xiàn)場(chǎng)施工方便。⑥干燥裝置采用分子篩作吸附劑，吸濕能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)?？諝庋h(huán)干燥裝置組成如圖1所示，其工作原理就是通過(guò)羅茨風(fēng)機(jī)降封閉母線內(nèi)部的空氣進(jìn)行抽出，然后將周?chē)諝膺M(jìn)行干燥裝置的過(guò)濾，并將干燥過(guò)后的空氣進(jìn)行線內(nèi)補(bǔ)充，過(guò)濾空氣中的水分，將其重新填充至母線內(nèi)，以此循環(huán)更替，實(shí)現(xiàn)母線內(nèi)部不結(jié)露的目的。將離相母線均勻劃分成三段空氣流通管道，降低附加管道的通氣難度。為實(shí)現(xiàn)各主變、廠變的有效循環(huán)以及空氣的均勻流通分配，將主變、廠變與發(fā)電機(jī)相連，在節(jié)流裝置的基礎(chǔ)上，完成計(jì)算、調(diào)度等任務(wù)。

到目前為止，已有該廠生產(chǎn)的上百套母線干燥裝置投入火電、水電以及核電機(jī)組的封閉母線運(yùn)行。我們咨詢和實(shí)地考察了東北地區(qū)和華北地區(qū)使用該廠產(chǎn)品的電廠，反饋效果都很好。

4 某電廠封閉母線安裝空氣循環(huán)干燥裝置實(shí)例

1）國(guó)電寶慶電廠位于自然環(huán)境比較濕潤(rùn)的地區(qū)，尤其是在雨季，環(huán)境相對(duì)濕度比較大。當(dāng)母線由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入非帶電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于溫度很快下降，母線外殼內(nèi)空氣的相對(duì)濕度會(huì)明顯提高。此時(shí)，周?chē)匀画h(huán)境的變化，特別是晝夜溫差較大時(shí)，如果沒(méi)有很好的母線干燥除濕設(shè)備相配套，很容易造成母線內(nèi)部的濕空氣在和溫度相對(duì)較低的物體（比如金屬的母線導(dǎo)體外表面、母線外殼內(nèi)表面、絕緣子表面）接觸過(guò)程中達(dá)到飽和并凝露。這些凝露的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響母線的整體絕緣水平。當(dāng)凝露比較嚴(yán)重時(shí)，水滴還可能沿著母線內(nèi)表面匯集到比較低的位置，例如和設(shè)備的接口位置，形成積水，從而對(duì)絕緣的不利影響進(jìn)一步加劇。

2）母線微正壓充氣裝置的局限性。國(guó)電寶慶電廠整套母線所應(yīng)用的充氣裝置就是微正壓充氣裝置。此類(lèi)充氣裝置的工作原理是將干燥的壓縮空氣向母線外殼內(nèi)進(jìn)行填充，以此來(lái)保證母線內(nèi)部維持一定的正壓力。正壓力建立以后，外部的水蒸氣不容易通過(guò)擴(kuò)散和呼吸作用進(jìn)入母線內(nèi)部，從而抑制母線內(nèi)的相對(duì)濕度，達(dá)到保持絕緣水平的目的。在實(shí)際使用過(guò)程中，微正壓系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題導(dǎo)致效果不理想。母線外殼上大量的密封元件一般是橡膠密封墊，在使用較長(zhǎng)時(shí)間后，密封墊的自然老化會(huì)導(dǎo)致密封效果變差，使離相母線的內(nèi)部不不具備較長(zhǎng)周期的正壓力保持功能，直接影響正壓裝置的啟發(fā)狀態(tài)，導(dǎo)致裝置內(nèi)部的空氣干燥裝置與空壓裝置在較長(zhǎng)的使用周期中處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。最終導(dǎo)致微正壓裝置故障率和檢修工作量的迅速增加。即使裝置處于工作狀態(tài)，其輸送至母線內(nèi)空氣的干燥程度往往很不理想，實(shí)際效果很可能是往母線內(nèi)送人濕度較大的空氣。由于微正壓裝置一般不配備出口氣體濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備，這一情況很容易被忽略。即使能發(fā)現(xiàn)，也很難在短時(shí)間內(nèi)從根本上解決。

5 封閉母線空氣循環(huán)干燥系統(tǒng)的優(yōu)化與組裝

5.1 裝置本體的組裝

離相母線空氣循環(huán)干燥法共分為3部分，其中包括裝置本體的組裝、進(jìn)出口空氣的組裝以及連通管路的喲花與組裝。

針對(duì)國(guó)電寶慶電廠的實(shí)際情況，建議將干燥裝置本體安裝于主廠房6.9m層，具體位置大致在原先放置微正壓充氣裝置的位置附近，即靠近CCB和l/A排墻的位置。該位置也為引入AC380V 4.OkW的電源提供了方便。具體布置位置和固定方式待用戶提供相關(guān)正式資料后協(xié)商確定。為裝置通入AC380V 3P4.0KW的電源。接線端子位于裝置本體控制箱內(nèi)下方的端子排。裝置的本體出氣管需要同時(shí)向A相和C相的母線的外殼內(nèi)送干燥后的空氣，因此需要在母線A相和C相外殼上打孔并焊接管路接口法蘭。然后利用現(xiàn)場(chǎng)焊接的鍍鋅鋼管將裝置本體出氣口和相應(yīng)的接口法蘭連接起來(lái)。裝置本體的進(jìn)氣管需要通過(guò)B相母線外殼回流來(lái)的空氣。因此也需要在母線B相外殼上打孔并焊接管路接口法蘭。然后利用現(xiàn)場(chǎng)焊接的鍍鋅鋼管將裝置本體進(jìn)氣口和相應(yīng)的B相外殼接口法蘭連接起來(lái)。裝置配置了濕度傳感器。該傳感器需要安裝在母線外殼的內(nèi)側(cè)，因此也需要在B相母線外殼上的適當(dāng)位置開(kāi)孔并焊接一個(gè)接口。需要說(shuō)明的是將傳感器固定于B相附近回氣口的地方，放置于此只考慮到此處為整套母線的空氣循環(huán)終端，此處是整套封閉母線中濕度最高的地方，此處數(shù)值的高低直接代表系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際成效。

考慮到空氣循環(huán)通道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在離相母線中與相關(guān)設(shè)施連接處安裝“E”型連通管組件。安裝完畢后，離相母線中的A相與B相傳輸而來(lái)的空氣就能夠在連通組件處進(jìn)行匯集，之后一定傳輸至母線B相中，為管道內(nèi)部空氣循環(huán)提供必要的基礎(chǔ)條件。

根據(jù)國(guó)電寶慶電廠的實(shí)際情況，考慮在5個(gè)位置的母線外殼上安裝三相連通管組件，具體是：靠近發(fā)電機(jī)出線箱的母線處、勵(lì)磁變與母線接口處、高廠變高壓側(cè)與母線接口處、公用變高壓側(cè)與母線接口處、主變低壓側(cè)與母線接口處。安裝時(shí)需要事先在母線上打孔并焊接鋁制接口法蘭。至于PT柜和母線接口由于位于勵(lì)磁變和主母線之間，且距離較近，考慮到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效果，不考慮設(shè)置三相連通管組件。三相連通管組件中焊接于母線上的接口法蘭和“E”型管路本體上的法蘭之間在電氣上是絕緣的，從而避免了由該連通管造成母線外殼的三相短路的情況。在安裝調(diào)試階段，考慮到流量分配均勻的需要，在B相和“E”型管連接的接口位置還需根據(jù)實(shí)際需要裝入配套供貨的截留孔板。由于高廠變、主變低壓及高壓側(cè)與離線母線的銜接處暴露在戶外環(huán)境中，運(yùn)行條件相對(duì)較差。離相母線一旦出現(xiàn)嚴(yán)重凝露的想象，則極易在升高座中產(chǎn)生大量積水。為了最大程度地解決這一問(wèn)題，考慮將這部分空間也納入空氣循環(huán)的通道中去。由于接口部位安裝有絕緣套管（盆式絕緣子）將母線分成上下分開(kāi)的兩部分，所以就有必要設(shè)置鋁制連通管，將上下兩部分連通起來(lái)。這樣下方的接口空間也可處于循環(huán)干燥的范圍。

5.2 改造后離相母線使用情況

參照改造方法進(jìn)行安裝后，于2015年5月30日14時(shí)，進(jìn)行干燥裝置的啟動(dòng)工作，用過(guò)凝露監(jiān)測(cè)裝備檢測(cè)出母線B向處的空氣濕度達(dá)到87.3%RH，此數(shù)值代表當(dāng)前離相母線內(nèi)部空氣濕度較高。通過(guò)24h空氣干燥循環(huán)裝置的工作，與2015年5月30日時(shí)再次展開(kāi)空氣濕度檢測(cè)，此時(shí)的內(nèi)部空氣濕度為0.5%RH。此數(shù)值標(biāo)志離相封閉母線中的空氣濕度已經(jīng)降至較低水平，空氣狀態(tài)較為干燥。

以上數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖2所示。

圖2直觀的顯示了封母內(nèi)空氣相對(duì)濕度的變化情況。由此表明，封母空氣循環(huán)干燥裝置在短時(shí)間內(nèi)對(duì)干燥封母空氣起到了很好效果。在安裝了封母空氣循環(huán)干燥裝置后，該廠到目前為止，封母內(nèi)相對(duì)濕度一直控制在設(shè)定安全范圍內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

空氣循環(huán)干燥法在離相封閉母線中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)特征：首先，考慮到日常檢修與密封器件老化的原因，設(shè)備密封效果變差，直接影響了微正壓充氣裝置的正常工作，降低了裝置的實(shí)際使用成效?？紤]到離相封閉母線的空氣干燥裝置需建立在大流量干燥空氣的基礎(chǔ)上，因此，就算某段離相母線出現(xiàn)空氣泄漏的狀況，進(jìn)入的濕空氣也會(huì)在大流量干燥空氣的稀釋下被干燥處理。封母空氣干燥裝置對(duì)封母的密封性要求相對(duì)較低，而用羅茨風(fēng)機(jī)替代空壓機(jī)其可靠性更好。

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