水电站提高并保持封闭母线绝缘水平方法实证分析

宋明钰 王振羽 薄岩 赵卓 陈宏

摘要：水电站的离相母线在使用多年后，用以保持密封状态的元器件出现老化现象，从而导致离相母线的密封效果逐渐下降，泄露出较多的气体。配套微正压装置不具备建立标准压力的条件，设备故障不断，除湿效果很不理想。本文通过对多种提高和保持离相封闭母线绝缘水平的方法优缺点的比较，得出目前市场上节能环保、维护简单和高效，能提高和保持离相封闭母线绝缘水平的最佳方案。

关键词：封闭母线;绝缘水平;循环干燥;除湿装置

中图分类号：TM83;TM855

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）12-0145-04

0 引言

随着大容量的发机组的广泛使用，离相封闭母线在电厂中应用的普及，封闭母线在使用中防结露的措施就显得尤为重要，因为封母内导体对地绝缘情况的好坏直接关系到发电机组运行的安全。水电站地下厂房位于地下，相对湿度较大，对离相母线的绝缘要求更高。

1 微正压充气设备原理

微正压充气设备是我国目前采用最多的防结露方式。它通过向封母内充人干空气，在母线内建立约2500Pa的压力，阻止外部湿空气的进入，当封母内空气压力降到500Pa以下时，微正压装置重新启动向封母内补充压力。该方式通常采用空气压缩机+储气罐形式供气;仪用微正压装置。该方式是微正压充气设备的另一种形式，它取消了空气压缩机，而采用集中供应的仪表用气作为气源;对绝缘子局部加热。将加热器放置于绝缘子于绝缘馆陶的周围，使其温度超过露点，避免潮湿的空气在绝缘子与绝缘管套的表面出现结露现象，以此实现防止绝缘;设置空气加热器。将空气加热器放置于母线内合理的位置，保证外部温度低于内部温度，使绝缘物表面的露点温度与空气温度之间的差值加大，减少绝缘物表面结露的现象;热风保养法。当发电机在停机状态时，采用加热装置和送风系统把热风从封母的一端送进，从另一端排出，使得封母内的空气温度比封母外的空气温度高，确保在发电机组启动前封母内不发生结露现象。达到封母内不结露的目的，当发电机组正常运行时，这套装置就停止运行。该方法水电厂用得较多。

2 空气结露原理

我们了解一下空气随温度、湿度的变化而结露的原理：

未经处理、含有一定量的水蒸汽的空气称为湿空气。不含水蒸汽的空气叫干空气。

1m3的湿空气所含水蒸汽的量称为绝对湿度X：

Xx V=m3（ kg/m3）

若湿空气中水蒸汽的分压达到饱和蒸汽压，则此时的绝对湿度称为饱和绝对湿度Xb。

在相同的温度和压力下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比称为相对湿度ψ：

ψ=X/Xb×100（%）

封闭母线可以认为是一密闭容器，在没有人为外部气体交换的情况下（安装微正压充气设备或热风保养装置等），封母内外压差基本为0，尽管有一定的泄漏，在短时间内（如24h）我们可以认为封母内含水量不变，也即上面公式中分子绝对湿度X为常数。随着温度的升高，分母饱和绝对湿度Xb也同时增大，同样含水量的空气的相对湿度ψ就相应减小。反之，温度降低，饱和绝对湿度Xb随着减小，空气相对湿度就增大。当空气的饱和绝对湿度Xb降低到等于绝对湿度X时，空气即开始结露。

将空气温度进行提高的办法虽然能在一定程度上利用较高的饱和湿度来降低并控制相对湿度ψ，但却是以连续提供热能为代价的。如果我们换个思路，通过降低公式中分子绝对湿度X，将离相封闭母线中空气的绝对湿度X进行降低，确保绝对湿度比相同温度下的饱和绝对湿度低，以此达成母线内部不结露的要求。

3 空气循环干燥法解决封母内结露

我们通过互联网搜索国内外关于母线干燥的相关内容，并且在专利技术网站搜寻到江苏镇江某电力设备制造厂家有关母线空气循环干燥装置的专利。该厂家为国内知名封闭母线生产厂家，他们从1999年就对当时离相封闭母线存在的除湿隐患进行研究，并且开始了封母空气干燥技术的研究与装置的设计开发。他们对封闭母线内空气进行干燥处理的方法较为特殊。干燥装置的优势特征如下：①干燥装置是在封闭的母线内通过大流量干燥空气的循环，来保证内部环境的干燥，降低并控制母线内部的湿度。同时，空气循环的方法对母线密封堵没有较高的要求，可以对新老电厂的离相母线进行有效的防结露处理。②干燥装饰所使用的是精密湿度传感器，此类传感器能够对母线内部的湿度进行实况监测，并将湿度值显示出来，便于技术人员观察母线状况，在此基础上设置了内部湿度的上限与下限，实现控制装置的自动化启停。③此类干燥装置采取精密温度传感器，实时监测加热桶内以及排湿气口的温度，并在触摸屏上显示，便于工作人员检查。通过设置温度的上限与下限，实现加热器的自动化控制。④干燥装置通过逻辑控制器与触摸屏相结合的控制方式，保证运行稳定性，在加上电动三通球阀的配合，能够达成全自動化无人值守的设计目标。⑤干燥装置集成度高，现场施工方便。⑥干燥装置采用分子筛作吸附剂，吸湿能力强，使用寿命长。空气循环干燥装置组成如图1所示，其工作原理就是通过罗茨风机降封闭母线内部的空气进行抽出，然后将周围空气进行干燥装置的过滤，并将干燥过后的空气进行线内补充，过滤空气中的水分，将其重新填充至母线内，以此循环更替，实现母线内部不结露的目的。将离相母线均匀划分成三段空气流通管道，降低附加管道的通气难度。为实现各主变、厂变的有效循环以及空气的均匀流通分配，将主变、厂变与发电机相连，在节流装置的基础上，完成计算、调度等任务。

到目前为止，已有该厂生产的上百套母线干燥装置投入火电、水电以及核电机组的封闭母线运行。我们咨询和实地考察了东北地区和华北地区使用该厂产品的电厂，反馈效果都很好。

4 某电厂封闭母线安装空气循环干燥装置实例

1）国电宝庆电厂位于自然环境比较湿润的地区，尤其是在雨季，环境相对湿度比较大。当母线由运行状态转入非带电运行状态时，由于温度很快下降，母线外壳内空气的相对湿度会明显提高。此时，周围自然环境的变化，特别是昼夜温差较大时，如果没有很好的母线干燥除湿设备相配套，很容易造成母线内部的湿空气在和温度相对较低的物体（比如金属的母线导体外表面、母线外壳内表面、绝缘子表面）接触过程中达到饱和并凝露。这些凝露的出现会严重影响母线的整体绝缘水平。当凝露比较严重时，水滴还可能沿着母线内表面汇集到比较低的位置，例如和设备的接口位置，形成积水，从而对绝缘的不利影响进一步加剧。

2）母线微正压充气装置的局限性。国电宝庆电厂整套母线所应用的充气装置就是微正压充气装置。此类充气装置的工作原理是将干燥的压缩空气向母线外壳内进行填充，以此来保证母线内部维持一定的正压力。正压力建立以后，外部的水蒸气不容易通过扩散和呼吸作用进入母线内部，从而抑制母线内的相对湿度，达到保持绝缘水平的目的。在实际使用过程中，微正压系统会出现很多问题导致效果不理想。母线外壳上大量的密封元件一般是橡胶密封垫，在使用较长时间后，密封垫的自然老化会导致密封效果变差，使离相母线的内部不不具备较长周期的正压力保持功能，直接影响正压装置的启发状态，导致装置内部的空气干燥装置与空压装置在较长的使用周期中处于超负荷运行状态。最终导致微正压装置故障率和检修工作量的迅速增加。即使装置处于工作状态，其输送至母线内空气的干燥程度往往很不理想，实际效果很可能是往母线内送人湿度较大的空气。由于微正压装置一般不配备出口气体湿度监测设备，这一情况很容易被忽略。即使能发现，也很难在短时间内从根本上解决。

5 封闭母线空气循环干燥系统的优化与组装

5.1 装置本体的组装

离相母线空气循环干燥法共分为3部分，其中包括装置本体的组装、进出口空气的组装以及连通管路的哟花与组装。

针对国电宝庆电厂的实际情况，建议将干燥装置本体安装于主厂房6.9m层，具体位置大致在原先放置微正压充气装置的位置附近，即靠近CCB和l/A排墙的位置。该位置也为引入AC380V 4.OkW的电源提供了方便。具体布置位置和固定方式待用户提供相关正式资料后协商确定。为装置通入AC380V 3P4.0KW的电源。接线端子位于装置本体控制箱内下方的端子排。装置的本体出气管需要同时向A相和C相的母线的外壳内送干燥后的空气，因此需要在母线A相和C相外壳上打孔并焊接管路接口法兰。然后利用现场焊接的镀锌钢管将装置本体出气口和相应的接口法兰连接起来。装置本体的进气管需要通过B相母线外壳回流来的空气。因此也需要在母线B相外壳上打孔并焊接管路接口法兰。然后利用现场焊接的镀锌钢管将装置本体进气口和相应的B相外壳接口法兰连接起来。装置配置了湿度传感器。该传感器需要安装在母线外壳的内侧，因此也需要在B相母线外壳上的适当位置开孔并焊接一个接口。需要说明的是将传感器固定于B相附近回气口的地方，放置于此只考虑到此处为整套母线的空气循环终端，此处是整套封闭母线中湿度最高的地方，此处数值的高低直接代表系统运行的实际成效。

考虑到空气循环通道的建设标准，应在离相母线中与相关设施连接处安装“E”型连通管组件。安装完毕后，离相母线中的A相与B相传输而来的空气就能够在连通组件处进行汇集，之后一定传输至母线B相中，为管道内部空气循环提供必要的基础条件。

根据国电宝庆电厂的实际情况，考虑在5个位置的母线外壳上安装三相连通管组件，具体是：靠近发电机出线箱的母线处、励磁变与母线接口处、高厂变高压侧与母线接口处、公用变高压侧与母线接口处、主变低压侧与母线接口处。安装时需要事先在母线上打孔并焊接铝制接口法兰。至于PT柜和母线接口由于位于励磁变和主母线之间，且距离较近，考虑到整个系统运行的效果，不考虑设置三相连通管组件。三相连通管组件中焊接于母线上的接口法兰和“E”型管路本体上的法兰之间在电气上是绝缘的，从而避免了由该连通管造成母线外壳的三相短路的情况。在安装调试阶段，考虑到流量分配均匀的需要，在B相和“E”型管连接的接口位置还需根据实际需要装入配套供货的截留孔板。由于高厂变、主变低压及高压侧与离线母线的衔接处暴露在户外环境中，运行条件相对较差。离相母线一旦出现严重凝露的想象，则极易在升高座中产生大量积水。为了最大程度地解决这一问题，考虑将这部分空间也纳入空气循环的通道中去。由于接口部位安装有绝缘套管（盆式绝缘子）将母线分成上下分开的两部分，所以就有必要设置铝制连通管，将上下两部分连通起来。这样下方的接口空间也可处于循环干燥的范围。

5.2 改造后离相母线使用情况

参照改造方法进行安装后，于2015年5月30日14时，进行干燥装置的启动工作，用过凝露监测装备检测出母线B向处的空气湿度达到87.3%RH，此数值代表当前离相母线内部空气湿度较高。通过24h空气干燥循环装置的工作，与2015年5月30日时再次展开空气湿度检测，此时的内部空气湿度为0.5%RH。此数值标志离相封闭母线中的空气湿度已经降至较低水平，空气状态较为干燥。

以上数据绘制成图，如图2所示。

图2直观的显示了封母内空气相对湿度的变化情况。由此表明，封母空气循环干燥装置在短时间内对干燥封母空气起到了很好效果。在安装了封母空气循环干燥装置后，该厂到目前为止，封母内相对湿度一直控制在设定安全范围内。

6 结语

空气循环干燥法在离相封闭母线中的应用具有以下优势特征：首先，考虑到日常检修与密封器件老化的原因，设备密封效果变差，直接影响了微正压充气装置的正常工作，降低了装置的实际使用成效。考虑到离相封闭母线的空气干燥装置需建立在大流量干燥空气的基础上，因此，就算某段离相母线出现空气泄漏的状况，进入的湿空气也会在大流量干燥空气的稀釋下被干燥处理。封母空气干燥装置对封母的密封性要求相对较低，而用罗茨风机替代空压机其可靠性更好。

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