大型发电机出口封闭母线法兰过热处理

邹 科

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

大型发电机出口封闭母线法兰过热处理

邹 科

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

由于额定电流大,大型发电机出口封闭母线法兰过热时有发生。分析了龙滩水电站发电机出口封闭母线法兰电流来源与流向,通过改变电流流向、增加导流面积、减小回路电阻等多种手段,较好地解决了龙滩水电站发电机出口封闭母线法兰过热的问题。

发电机；封闭母线；法兰；温度；龙滩水力发电厂

0 引 言

龙滩水电站700 MW发电机额定电压18 kV、额定电流24 948 A。2007年5月1日, 1号发电机并网带500 MW负荷时，发现发电机出口封母法兰连接螺栓全部烧红,紧急停机进行处理。在出口法兰连接螺栓加装铜辫子,每台机加装约60根,电流经过软连接进行分流。但在后来的机组运行过程中,7台机组的发电机出口封闭母线外壳法兰连接处依然明显过热。发电机出口A、B、C相法兰温度见表1。

由于法兰螺栓处在机组高负荷期温度高,停机后温度降低,周而复始使法兰螺栓逐渐松动。法兰螺栓的运行温度严重时多处高达200 ℃。2010年,根据生产厂家意见对铜辫子进行镀银处理,效果有所改善,但运行一段时间后过热问题又重复出现。每年在大负荷期和机组小修期间都要对该处全部机组的铜辫子螺栓进行紧固处理,但运行一段时间后,法兰处温度又会逐步升高。长期过热明显碳化的法兰两边跨接的铜辫子见图1。

图1 碳化的铜辫子

1 封闭母线法兰过热电流分析

1.1 改造前封母法兰

封母外壳及法兰材质为1060纯铝,封母额定电流249 48A(设计额定电流27 000 A),封母外径1 510

表1 发电机出口A、B、C相法兰或跨接铜辫子温度

mm,壁厚12 mm,法兰外径1 610 mm,厚15 mm。在Φ1 560法兰圆周上均布 31颗Φ14螺孔,用31颗M12/A4-70螺栓将外径均为1 610 mm的盆式绝缘子、法兰固定,每颗螺栓两端固定有跨接在法兰两端的31根铜辫子。由于玻璃钢盆式绝缘子的存在,此处螺栓预紧力不能超过50 N·m,以防止压力过大损坏盆式绝缘子。封母外壳密封罩长600 mm,封母外壳相间短路体距离法兰150 mm。改造前封母法兰见图2。

图2 改造前封母法兰

1.2 法兰处电流分析

发动机与变压器A、B、C各相导体的电流流动在封闭母线上产生的电势,在封闭母线外壳各段的相间短路体进行释放,封闭母线各段的接地线释放容性电流[1]。由于封闭母线外壳的存在,容性电流相对于封闭母线外壳感应电流小得多。因此,着重讨论封闭母线外壳相间电流,并进行针对性处理。

图3是发电机封母法兰处电流示意。正常情况,密封罩段的电流路径为回路a,电流流经密封罩相间短路板M→A相密封罩→密封罩相间短路板N→B相密封罩的回路；法兰到封母外壳相间短路体段电流路径为回路b,电流经密封罩相间短路板N→A相法兰→封母外壳A相→A、B相封母外壳相间短路体→封母外壳B相→B相法兰的回路。因此,通过法兰的电流为法兰到封母外壳相间短路体段电流[2]。

图3 发电机封母法兰处电流示意

在实际运行中,如果密封罩相间短路板N的20块短路板接触不够好,有部分电流将走回路c,即密封罩相间短路板M→A相密封罩→A相法兰→封母外壳A相→A、B相封母外壳相间短路体→封母外壳B相→B相法兰→B相密封罩的回路。法兰到封母外壳相间短路体距离为150 mm,到密封罩相间短路板M距离为600 mm,该段的感应电压是法兰到封母外壳相间短路体段的4倍,故c回路的电流危害可能会更大。法兰本身厚度(15+15+8)mm也有感应电流,并通过法兰自身。

2 法兰结构改造

法兰结构改造的关键是增加导流面积,彻底取消原设计法兰两端跨界的铜辫子,通过法兰本体导流,增加了300%的导流面积。同时,保证盘式绝缘子与封闭母线的密闭性。改造的法兰结构见图4。

图4 改造的法兰结构(单位：mm)

2.1 增加导流面积

(1)加工原盆式绝缘子。将原外径1 610 mm切削加工减小到1 530 mm。

(2)加工制作法兰1。外径1 630 mm,内径1 486 mm(即封母外壳内径),厚15 mm,4瓣,1060纯铝板,现场对照法兰配钻Φ14孔。

(3)加工制作法兰2。外径1 630 mm,内径1 530 mm(即等于新的盆式绝缘子外径),厚15 mm,4瓣,1060纯铝板,现场对照法兰配钻Φ14孔。

(3)加工制作橡胶密封垫。外径1 530 mm,内径1 486 mm,厚9 mm,可压缩量不小于30%,接头处采用双30°搭接,保证接头处不漏气。

(4)盆式绝缘子外径由1 610 mm减小到1 530 mm,加工时需特别小心。盆式绝缘子为玻璃钢制成,材质韧性较差,在切削加工中容易造成盆式绝缘子报废。同时,为最大限度增加法兰的导流面积,又能保证封闭母线的密封性, 加工后的Φ1530盆式绝缘子与法兰的密封搭接量单边设计为22 mm,搭接量很小,对盆式绝缘子切削加工的中心精度要求很高。此外,盆式绝缘子为玻璃钢产品,设计厚度为8 mm,但实际有的地方厚为9 mm,有的为8 mm,精度较差。选取厚9 mm的橡胶密封垫,压缩量不小于30%,保证盆式绝缘子与密封垫装配到15 mm法兰空间后的紧密性,保证封闭母线的密封性能。

2.2 改变电流流向

增加法兰内侧相间1060纯铝短路板,从上到下共10块,短路板厚10 mm,宽140 mm,相间长度根据现场实际加工。改变原电流b回路,让法兰至封母外壳相间短路体段的电流不流过法兰,电流经由法兰内侧相间短路板→A封母外壳→封母外壳相间短路体→B封母外壳形成回路(见图5)。

图5 改变的电流流向

2.3 减小回路电阻

原每相法兰的31颗M12/A4-70螺栓为固定法兰与盆式绝缘子用,无法达到厂家导体单位面积压力10 N/mm2的要求。利用原Φ14孔径,改螺栓为M14/A4- 80非导磁螺栓,法兰预紧力由50 N·m增加到130 N·m,保证加装短路板回路电阻最低，尽量使b回路电流通过短路板形成回路,最大限度减少流经法兰的电流。同时,降低法兰回路电阻,减少法兰发热。密封罩短路板M12/A4-70螺栓改为M12/A4- 80非导磁螺栓,预紧力由50 N·m增加到78 N·m,保证密封罩段电流按a回路流动,最大限度减少c回路电流,即流过法兰的电流。为防止螺栓力矩增加到130 N·m后1060纯铝法兰的变形,加工厚5 mm、弧长100 mm的非导磁A4- 80垫片(见图6)。

图6 非导磁A4- 80垫片

3 现场安装

由于原封母法兰与封母外壳通过焊接连接,焊缝宽度误差较大,有些部位影响到垫片压紧。应对焊疤清理打磨,避免出现点接触；现场安装结合面之间不能出现倾斜及线接触；安装螺栓时,每根要涂螺栓锁固剂,防止温度变化时螺栓松动；现场扩孔时,加强对切削金属屑的搜集管理,防止污染导电

表2 发电机出口A、B、C相法兰温度

部分；对发电机定子引线出口处做好防护措施,以免损坏设备；力矩扳手要先熟悉再使用,避免力矩不准确,损坏螺栓或降低处理效果。

3.1 导体中心位置调整

切削加工变小后的盆式绝缘子与法兰搭接量单边只有22 mm。封母导体中心偏移,将直接影响盆式绝缘子的安装,并影响封母额定密封性。调整封母导体支撑绝缘子，使导体到中心位置,测量盆式绝缘子与法兰搭接处数据,保证封闭母线导体在中心位置[3]。

3.2 法兰处理、安装

清理接触导流面至平整、光亮[4]。加工制作的橡胶密封垫用普通胶水固定在盆式绝缘子上,盆式绝缘子复位,调整盆式绝缘子与封母导体密封胶圈到位,并保证盆式绝缘子与法兰四周22 mm的搭接量。用原M12螺栓在1、3、5、7……单数螺孔将4层法兰重叠就位,盆式绝缘子、密封垫就位。用14 mm 铰刀对偶数孔进行对位扩孔,将M14螺栓顺利放入。

把加工好的不锈钢平垫一边一块压住导体,用M14螺栓回装,预紧力60 N·m。不锈钢平垫与法兰中间不得有焊疤高点,如有需打磨平整。偶数孔完成后,进行奇数孔扩孔。把加工好的不锈钢平垫一边一块压住导体,用M14螺栓回装,预紧力60 N·m。安装短路板法兰孔位用110 mm长M14螺栓,短路板与法兰保证为平面接触。每相螺栓全部更换、回装完成后,全部法兰螺栓预紧力增加到130 N·m,点螺栓锁固剂。

3.3 密封罩短路板处理、安装

清理密封罩短路板导流面至平整、光亮。将M12/A4-70螺栓更换为M12/A4- 80非导磁螺栓,预紧力由50 N·m增加到78 N·m,点螺栓锁固剂。对GCB侧原法兰与加工法兰2进行全圆周焊接,对发电机侧原法兰与加工法兰1进行全圆周焊接。焊接时控制温度,防止高温损伤盆式绝缘子的密封垫[5]。回装封母导体32根软连接,力矩96 N·m。

4 检查验收与改造成果

封闭母线加压至1 500 Pa,用烟雾法检查法兰处以及盆式绝缘子与封母导体处密封是否良好[6]。在机组满负荷状态下,对发电机出口封母法兰测温跟踪,法兰各处温度基本在50 ℃左右、温升5 K左右,大大低于厂家“用螺栓紧固的导体接触面最高允许温度小于105 ℃、最高温升限值65 K”的要求,达到预期效果。发电机出口A、B、C相法兰温度见表2。

5 结 语

龙滩水电站全部7台机改造工作持续了2个检修年度,将安装短路板法兰孔位M12螺栓改为M14螺栓,法兰螺栓预紧力由原60 N·m增加到130 N·m。通过改变电流流向、增加导流面积、减小回路电阻,多重并举,彻底解决了龙滩水电站发电机出口封母法兰过热的问题。实施过程中,接触面的处理、力矩到位、锁固剂点涂、切削金属屑的管理、焊接温度控制、密封性兼顾等各个环节的把控是保证改造成功的关键。

[1]GB/T 8349—2000 金属封闭母线[S]．

[2]刘咸定, 陈钟颀. 风冷离相封闭母线热计算[J]. 水力发电, 1981(10)： 17- 21．

[3]李泽海. 广蓄电站18kV离相封闭母线安装[J]. 水力发电, 1993(7)： 32- 35．

[4]殷勇. 大电流离相封闭母线的绝缘配合[J]. 高电压技术, 1984(1)： 76- 78．

[5]齐宏伟. 大电流全连离相封闭母线的结构设计与分析[D]. 沈阳： 沈阳工业大学, 2002．

[6]曹乐观. 乌江渡水电站主要机电设备及其布置特点[J]. 水力发电, 1983(3)： 58- 62．

(责任编辑 杨 健)

Treatment of Flange Overheating of Large Generator’s Enclosed Busbar

ZOU Ke

(Longtan Hydropower Plant, Longtan Hydropower Development Co., Ltd., Tian’e 547300, Guangxi, China)

Due to larger rated current of large generator, the flange of outlet enclosed busbar regularly appears overheating. The source and flow direction of electric current on enclosed busbar flange of generator in Longtan Hydropower Plant are analyzed, and the overheating problem of flange is better solved by changing the flow direction of electric current, increasing the cross-sectional area of current flow and reducing loop resistance．

generator; enclosed busbar; flange; temperature; Longtan Hydropower Plant

2017- 02- 14

邹科(1963—),男,四川大竹人,高级工程师,主要从事水电厂运行管理工作．

TM311(267)

A

0559- 9342(2017)04- 0031- 04