秦山第二核電廠離相封閉母線出線箱局部過(guò)熱問(wèn)題研究

唐芳軒，張 劍，曾利民，包彥省，張 烈，楊悅民（.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 34300；.北京電力設(shè)備總廠，北京 040）

秦山第二核電廠離相封閉母線出線箱局部過(guò)熱問(wèn)題研究

唐芳軒1，張 劍1，曾利民1，包彥省1，張 烈2，楊悅民2
（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.北京電力設(shè)備總廠，北京 102401）

文章介紹了秦山第二核電廠全連自冷離相封閉母線出線箱的結(jié)構(gòu)，對(duì)封閉母線出線箱局部過(guò)熱的機(jī)理進(jìn)行了研究。研究表明，渦流損耗集中、通風(fēng)冷卻不足是造成出線箱局部過(guò)熱的根本原因，據(jù)此確定了“分散渦流，阻斷環(huán)流，加強(qiáng)通風(fēng)”的改進(jìn)原則，設(shè)計(jì)制造了新結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)出線箱并成功地進(jìn)行了溫升試驗(yàn)。新結(jié)構(gòu)出線箱上箱體各側(cè)面板間、上箱體與下箱體間增加絕緣，上箱體增加兩臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)。新結(jié)構(gòu)出線箱投入運(yùn)行后，熱點(diǎn)溫度大幅降低，改善了運(yùn)行環(huán)境，保障了機(jī)組的安全運(yùn)行，對(duì)同類問(wèn)題的分析處理具有一定借鑒意義。

離相封閉母線；出線箱；渦流；環(huán)流；過(guò)熱

秦山第二核電廠發(fā)電機(jī)容量650 MW，電壓20 kV，電流20 849 A，采用全連自冷離相封閉母線，發(fā)電機(jī)出線套管與封閉母線導(dǎo)體在出線箱內(nèi)連接。出線箱材質(zhì)L2鋁板，上箱體4塊側(cè)面板用螺栓連接，下箱體各側(cè)面板焊接，上、下箱體間螺栓連接。封閉母線投運(yùn)后，發(fā)現(xiàn)出線箱上箱體與下箱體連接處局部溫度達(dá)120 ℃，個(gè)別連接螺栓溫度達(dá)140 ℃，出線箱出線側(cè)結(jié)構(gòu)與過(guò)熱部位如圖1所示，檢修孔側(cè)結(jié)構(gòu)及過(guò)熱部位如圖2所示（圖中紅色為過(guò)熱部位）。文章對(duì)出線箱局部過(guò)熱機(jī)理進(jìn)行了研究，采取將出線箱小箱體各面板間絕緣，上、下箱體間絕緣，增加冷卻風(fēng)機(jī)等措施后，按實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)制造了試驗(yàn)出線箱并進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，結(jié)果表明熱點(diǎn)溫度大幅降低。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，制造了新結(jié)構(gòu)出線箱，投入運(yùn)行后各部位溫度正常。

圖1 封閉母線出線箱出線側(cè)Fig.1 Outlet side of the isolated phase busbar outlet box

圖2 封閉母線出線箱檢修孔側(cè)Fig.2 Manhole side of the isolated phase busbar outlet box

1 局部過(guò)熱原因

封閉母線出線箱安裝于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，出線箱面板產(chǎn)生渦流損耗而發(fā)熱，且該母線為全連式，即一端裝有專用短路板，另一端用出線箱面板做短路板，由此構(gòu)成的閉合回路會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，也會(huì)引起出線箱發(fā)熱。出線箱在正常運(yùn)行中溫度最高，一般要高出分相母線外殼二十幾度[1]，但現(xiàn)實(shí)情況表明，分相母線外殼僅45～55 ℃，出線箱最熱點(diǎn)溫度卻達(dá)到了120 ℃，個(gè)別連接螺栓達(dá)到了140 ℃，因此研究過(guò)熱機(jī)理，采取降溫措施，對(duì)保證安全運(yùn)行具有重要的意義。

1.1 渦流損耗集中，引起面板局部過(guò)熱

由電磁場(chǎng)理論知，在體積為V的導(dǎo)體中消耗的平均功率及渦流損耗為：

式（1）表明，出線箱體渦流損耗主要與面板內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相關(guān)，電流越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，箱體面板渦流損耗越大，發(fā)熱越嚴(yán)重。發(fā)電機(jī)運(yùn)行電流20 kA，強(qiáng)電流在出線箱上感應(yīng)出渦流，產(chǎn)生渦流損耗，引起箱體面板發(fā)熱。發(fā)電機(jī)三相出線與封閉母線導(dǎo)體安裝于出線箱內(nèi)，有垂直導(dǎo)體、水平導(dǎo)體、傾斜導(dǎo)體，形狀也不規(guī)則，相間距離從1～2 m不等，導(dǎo)致上箱體與下箱體連接部位漏磁疊加。特別是在出線箱的A相與B相之間、B相與C相之間的部位，磁通疊加，渦流損耗集中[3]，引起上箱體與下箱體局部過(guò)熱。同時(shí)，受空間限制以及發(fā)電機(jī)出線連接形式的限制，箱體面板和導(dǎo)體間的距離較小，加劇了箱體發(fā)熱。

1.2 漏磁匝鏈產(chǎn)生環(huán)流，引起個(gè)別螺栓過(guò)熱

出線箱的上箱體與下箱體用螺栓連接，形成了閉合回路。隨著電流的變化，穿過(guò)閉合回路的磁通量也隨之變化，閉合回路中將產(chǎn)生環(huán)流而引起發(fā)熱[4]，即上箱體與下箱體間產(chǎn)生的環(huán)流將通過(guò)連接螺栓，若個(gè)別螺栓連接不良，電阻增大，引起螺栓出現(xiàn)過(guò)熱。由于出線箱內(nèi)三相導(dǎo)體偏心，漏磁從上箱體與下箱體的連接法蘭間穿出，匝鏈螺栓，在上箱體與下箱體間經(jīng)螺栓形成環(huán)流，使螺栓出現(xiàn)過(guò)熱。

1.3 冷卻不足，加劇發(fā)熱

出線箱安裝處空間狹小，通風(fēng)不暢，鄰近設(shè)備多，不利于散熱。上箱體原配有2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，對(duì)箱體內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)散熱，但實(shí)踐表明風(fēng)機(jī)數(shù)量少，且箱體面板沒(méi)有開(kāi)散熱孔，這些情況提高了溫升，加劇了發(fā)熱。

2 方案設(shè)計(jì)與溫升試驗(yàn)

流，加強(qiáng)通風(fēng)”的改進(jìn)原則，制造試驗(yàn)用出線箱進(jìn)行溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)箱上箱體各側(cè)面板之間加裝絕緣，以分散渦流；上箱體與下箱體之間加裝絕緣，以阻斷上、下箱體間環(huán)流；下箱體檢修孔由3個(gè)方形改為2個(gè)圓形，以改善渦流通徑；在上箱體兩側(cè)開(kāi)通風(fēng)孔并增加兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，使軸流風(fēng)機(jī)達(dá)4臺(tái)，以加強(qiáng)通風(fēng)。出線箱連接螺栓采用不導(dǎo)磁的不銹鋼螺栓，同時(shí)加裝絕緣墊和絕緣套，以防產(chǎn)生環(huán)流。

用試驗(yàn)變壓器對(duì)三相短路封閉母線段通22 kA電流，對(duì)試驗(yàn)出線箱進(jìn)行溫升試驗(yàn)。待出線箱溫度穩(wěn)定后，用預(yù)先埋設(shè)好的熱電偶測(cè)量出線箱外殼的溫度，溫升試驗(yàn)原理如圖3所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表1所示[5]，新結(jié)構(gòu)出線箱各部溫升大幅降低。

根據(jù)過(guò)熱機(jī)理，確定了“分散渦流，阻斷環(huán)

圖3 封閉母線出線箱溫升試驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic of the temperature rising experiment of the isolated phase busbar outlet box

表1 溫升試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Scheme and results of the temperature rising experiment

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

依據(jù)溫升試驗(yàn)結(jié)果，制造了新結(jié)構(gòu)的出線箱，在發(fā)電機(jī)功率P=680 MW，出線電流I=19.6 kA的運(yùn)行工況下，過(guò)熱點(diǎn)最高降幅48 ℃，與溫升試驗(yàn)結(jié)果相符，新、舊出線箱溫度對(duì)比如表2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)組容量的不斷增大，封閉母線出線箱安裝處磁場(chǎng)強(qiáng)，分布復(fù)雜，容易引起局部高溫過(guò)熱。國(guó)內(nèi)核電機(jī)組、火電機(jī)組封閉母線出線箱局部過(guò)熱情況不僅一例，望制造廠不僅關(guān)注封閉母線直線段的發(fā)熱，還應(yīng)加強(qiáng)出線箱發(fā)熱問(wèn)題研究，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改善散熱條件，降低溫升；運(yùn)行維護(hù)單位應(yīng)加強(qiáng)封閉母線出線箱溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握運(yùn)行情況。

表2 新、舊出線箱溫度對(duì)比Table 2 Temperature comparison between the former and the new outlet box

封閉母線溫升不超過(guò)30 K，溫度不超過(guò)70 ℃[6]，實(shí)際表明，該標(biāo)準(zhǔn)較為籠統(tǒng)。因?yàn)榉忾]母線離相部分的導(dǎo)體和外殼是離相同心圓筒結(jié)構(gòu)，電磁場(chǎng)情況簡(jiǎn)單，溫度分布均勻，不會(huì)超標(biāo)；但封閉母線出線箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝處磁場(chǎng)復(fù)雜，箱體會(huì)感應(yīng)出較大的渦流，容易出現(xiàn)局部高溫。因此，以同一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考核封閉母線的不同部位，似乎顯得有些不妥。封閉母線外殼的標(biāo)準(zhǔn)是40 K、80 ℃[7]，不僅比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)高出了10 K，而且特別指出，在人員通常不易觸及的部位允許值為70 K、110 ℃，這既符合實(shí)際，又能保證安全。

[1] 陳尚發(fā). 大容量發(fā)電機(jī)出線封閉母線的作用與降溫降耗措施探討[J]. 電力設(shè)備，2005,6（6）:57-58.（CHEN Shang-fa. The Role of the Outlet Enclosed Busbar of High-capacity Generator and Measures for Cooling Down and Reducing Consumption[J]. Electrical Equipment, 2005, 6(6):57-58.）

[2] 倪光正. 工程電磁場(chǎng)原理[M]. 北京：高等教育出版社，2002.（NI Guang-zheng. Engineering Electromagnetic Field Mechanics[M]. Beijing:Higher Education Press, 2002.）

[3] 趙峰，王凱，等. 大容量變壓器局部過(guò)熱問(wèn)題分析[J].變壓器，2009，46（7）:74-75.（ZHAO Feng, WANG Kai, et. al. Locally Overheat Analysis for High Capacity Transformer[J]. Transformer, 2009, 46(7):74-75.）

[4] 郭志福. 發(fā)電機(jī)母線支撐鋼結(jié)構(gòu)過(guò)熱的分析與處理.內(nèi)蒙古電力技術(shù)[J]，1995（6）:61-62.（GUO Zhifu. Overheating Analysis and Treatment for the Supporting Steel Structure of Generator Busbar. Inner Mongolia Electric Power Technology[J], 1995(6):61-62.）

[5] 北京電力設(shè)備總廠. 680 MW封閉母線溫升試驗(yàn)報(bào)告[R]，2006-08.（Beijing Electrical Equipment Plant. Temperature-rise Test Report for 680 MW Enclosed Busbar[R]. 2006-08.）

[6] GB/T 8349-2000，金屬封閉母線[S].（GB/T 8349-2000, Metal Enclosed Busbar[S].）

[7] IEEE Std C37.23TM-2003,IEEE Standard for Metal-Enclosed Busbars, Published by The Institute of Electric and Electronics Engineers, Inc.[S].

Study on Partial Overheat of the Isolated Phase Busbar Outlet Box in Qinshan NPP Phase Ⅱ

TANG Fang-xuan1，ZHANG Jian1，ZENG Li-min1，BAO Yan-xing1，ZHANG Lie2，YANG Yue-min2
(1.Nuclear Power Operations Management Co.，Ltd.，CNNC, Haiyan of Zhejiang Prov. 314300，China；2.Beijing Power Equipment Group, Liangxiang Dist. Beijing 102401，China)

This paper recommended the structure of the isolated phase busbar outlet box installed in Qinshan II. The study on partial overheat of the outlet box shows that the ultimate causes are the loss of concentrated eddy current and short of cooling. So the improvement principles of“distributing eddy current, cutting off inductive circle current and strengthening of ventilation”were determined. A new structure test outlet box was designed and manufactured, and the temperature rising experiment was carried out. Some alterations were made in the new structure outlet box, e.g. isolating materials were added between side plates of the upper outlet box, and also between the upper and lower outlet box. Two cooling blowers were added to the upper outlet box. After putting into operation, the hot-spot temperature of the new outlet box was greatly lowered down. Thus the operation environment was improved, and the operation safety ensured. It can be useful references for analyzing and dealing with similar problems.

TL33 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)02-0120-04

TL33

A

1674-1617(2013)02-0120-04

2012-09-18

唐芳軒（1966—），男，四川開(kāi)江人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事高電壓技術(shù)及高壓電氣設(shè)備的維修、試驗(yàn)和故障診斷的研究。

Key words:isolated phase busbar；outlet box；eddy current；inductive circle current；overheat