核電站主發(fā)電機封閉母線倉局部過熱的原因和對策

姚亮

（海南核電有限公司 海南昌江 572700）

建國時，全國發(fā)電機裝機容量1848.6MW；建國后，電力工業(yè)快速發(fā)展，但相對人均用電量等方面與先進水平相比存在較大差距。電力工業(yè)形成大型發(fā)電廠為中心的電力系統(tǒng)，機組自冷型離相封閉母線占地尺寸大，采用強迫風冷封閉母線可節(jié)約土建成本。目前，國內主要封閉母線制造廠未生產(chǎn)風冷式封閉母線，強迫風冷封閉數(shù)學模型不同于自冷封閉母線原理，研究封閉母線熱計算程序等關鍵技術非常必要。

1 核電廠發(fā)電機封閉母線研究

母線設備是低壓成套設備，母線把開關設備連接到發(fā)電機上，母線通常采用寬扁的銅材加工制造。開關成套設備電氣參數(shù)、連接方式等由母線決定。大電流封閉母線用于發(fā)電系統(tǒng)中重要高壓電氣設備，隨著傳輸電流的不斷增大，要求母線具有更高的運輸安全性。發(fā)電機母線電流最大，電流較小的母線具有扁平的矩形截面，單機容量為12MW。發(fā)電機容量增大，需采用大電流母線。

1.1 大電流母線類型

發(fā)電廠廣泛使用母線連接電機電器，敞露母線暴露在環(huán)境中易受到物體偶然接觸發(fā)生短路，絕緣子受污染性能下降，定期清掃工作量較大。封閉母線分為共相與分相母線。封閉式母線在交變電磁場下感應產(chǎn)生功率損耗，對母線性能產(chǎn)生影響。目前的保護措施不能解決母線應用中的問題，需要研究分析封閉母線屏蔽材料。

大電流敞露母線導體主要用于2～9kA線路。敞露母線減小集膚效應較差，圓角型雙槽母線集膚效應小，敞露母線采用外膠裝絕緣子附近鋼結構發(fā)熱增強。支持式母線導體通常選取支持式絕緣子，三相導體在平面內應用廣泛。懸掛式母線導體采用懸式絕緣子，母線附近鋼結構中發(fā)熱損耗較小，火電廠中不采用懸掛式母線。敞露母線大多安裝在室內，環(huán)境條件好，但易受到物體接觸導致短路等故障發(fā)生，絕緣子易受到環(huán)境濕度影響出現(xiàn)故障。而封閉母線可避免相關問題。按分布形式，分為密集型與空氣絕緣型；根據(jù)使用材料，包括銅鋁母線；依據(jù)功能，有耐水、防火、照明等母線。

1.2 封閉母線電磁熱學分析

隨著電流增大，母線短路感應軸向電動勢達100～200V。隨著鋁的氫弧焊接技術完善，焊接兩端三相外殼鋁板形成離相封閉母線，解決大電流母線鋼構發(fā)熱問題。環(huán)流數(shù)值約等于母線電流，全連式離相封閉母線提高密封性，解決隨電流增大產(chǎn)生突出鋼構發(fā)熱問題，外殼起到電磁屏蔽作用。由于離相封閉母線諸多優(yōu)點得到廣泛應用，通常母線采用水平安裝形式。

大電流母線為發(fā)熱體，母線產(chǎn)生高溫向周圍環(huán)境發(fā)熱。母線電阻發(fā)生損耗大溫度高，大電流母線發(fā)熱通過導熱傳遞到環(huán)境中。傳統(tǒng)封閉母線工作狀態(tài)研究依靠經(jīng)驗公式，借助流行的ANYS 軟件對封閉母線場域分析，可準確了解各類封閉母線電磁場分布。國內外學者求解溫度場數(shù)學模型，根據(jù)溫度場數(shù)學模型，得出溫度分布，搭建研究對象物理模型。發(fā)電機封閉母線包括主回路封閉母線及廠用分支母線，主變中性點母線額定電流小采用自然冷卻方式。金屬封閉母線各部位溫升如表1所示。

表1 金屬封閉母線各部位溫升

根據(jù)《金屬封閉母線》要求，應在滿足額定載流下最熱點溫度滿足標準。大部分國家控制限額電流在2500A 左右。容量超過限額電流，發(fā)電機宜采用風冷封閉母線，減少占地面積。強迫風冷封閉母線空氣冷卻采用閉式系統(tǒng)，空氣受熱冷卻后返回封閉母線，發(fā)電廠用循環(huán)水作冷卻介質。閉式系統(tǒng)分單雙內系統(tǒng)，單風系統(tǒng)是氣流經(jīng)相間消離子裝置分為二股氣流經(jīng)兩邊相夾層；雙面冷卻系統(tǒng)是冷空氣由每相母線導體管內引進母線，雙風系統(tǒng)不需相間消離子系統(tǒng)。

2 管型發(fā)電機封閉母線磁熱分析

管型封閉母線是利用銅管為導體，在導體層間包環(huán)氧樹脂復合材料的母線，目前，最高電流達1200A，具有良好絕緣等特性。國外產(chǎn)品已有多年運行歷史，國內由于技術研發(fā)能力等方面原因，應用集中于0.4～35kV電壓等級產(chǎn)品。管型母線具有載流量大散、熱性好等優(yōu)點。ANSYS 大型通用有限元分析軟件在航空機械能源交通等領域廣泛應用。ANSYS 公司主要設計分析軟件開發(fā)，研究使用ANSYS有限元分析軟件對管型發(fā)電機封閉母線進行磁熱分析。

根據(jù)封閉母線實體模型，有限元模型分為6層，絕緣層材料為環(huán)氧樹脂，矩形箱體材料為302 型號不銹鋼。加載求解前進行網(wǎng)格劃分，模型有17810個單元。管型發(fā)電機封閉母線磁場分析選取PLANE53單元，建立有限元模型假設不考慮空間電荷影響，所有材料電參數(shù)為常數(shù)。定義AZ自由度為母線外殼單元選型，在ANSYS平臺熱場仿真采用FLUID141單元。

管型發(fā)電機封閉母線磁熱分析基于ANSYS 軟件平臺建立，確定母線屏蔽層厚度依據(jù)磁場感應器強度。研究比較傳統(tǒng)屏蔽材料銅屏蔽效果，選取屏蔽材料為銅，設定工頻條件額定電流5000A。母線三相放置，通入導體電流在母線外殼感應電流。其余兩相電壓合成矢量阻礙變化的增強，相互抵消殼外大部分磁場，由于空氣中磁感應強度小，矩形箱體磁感應強度分布在箱體上下板中間處。三相導體磁場分布集中于B 相，由主導體層外殼向外遞減，大量磁場被屏蔽殼吸收，減小空氣中磁場感應強度。通過電流時，B相導體受到AC相導體磁場影響。

3 核電站發(fā)電機封閉母線倉局部過熱處理

主汽輪發(fā)電機參數(shù)如表2 所示。核電站1 號發(fā)電機投入運行后，封閉母線倉溫度較高。巡檢測量溫度發(fā)電機有功功率為120MW，測得封閉母線倉溫度超過100℃。封閉母線倉支撐腿固定在HM 廠方鋼構架，電流數(shù)值從此測量得到?，F(xiàn)場在功率平臺下測量兩組數(shù)據(jù)，如表3和表4所示。封閉母線倉過熱在發(fā)電場發(fā)生頻率高，機組投運后頻繁出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象。機組負荷開關與封閉母線外殼連接處溫度如表5所示。

表2 主汽輪發(fā)電機參數(shù)

表3 原測量電流數(shù)據(jù)

表4 改造后測量電流數(shù)據(jù)

表5 機組負荷開關與封閉母線外殼連接處溫度

封閉母線倉過熱危害包括導致鋁制外殼等局部熔化，極端情況下發(fā)生外殼與母線放電。外殼過熱運行危害巨大，材料抗拉強度大幅下降，導致封閉母線內部溫度升高，絕緣材料逐步老化，伴隨接地電流過大導致燒毀。發(fā)電機定子主出現(xiàn)運行中感應磁場，核電站發(fā)電機出現(xiàn)電流大，核電站發(fā)電機封閉母線倉過熱問題突出。減小發(fā)熱點獨立蓋板面積，可減少磁通密度，封閉母線倉一根接地線分為多點接地，改造后，出現(xiàn)倉支撐腿采用絕緣結構。

4 結語

電力是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎，要求供電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)平穩(wěn)運行。母線主要連接各種電機電氣，通過配電裝置分配電能，母線磁場屏蔽是檢驗母線長期安全穩(wěn)定的重要因素。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，傳輸電流不斷增大，要求母線具有更高的運行安全性。隨著電流增大產(chǎn)生交變磁場，外殼發(fā)熱降低母線使用壽命，對封閉母線研究成為生產(chǎn)企業(yè)關心的內容。本文研究介紹大電流母線類型，對封閉母線磁熱進行分析，并結合工程項目，總結核電站住主發(fā)電機封閉母線倉局部過熱原因，提出封閉母線倉過熱問題處理策略，為發(fā)電機電氣技術人員提供參考。