大型蒸发冷却机组上集气环管感应电流分析及处理

刘国建，饶 蕾，徐长福，邓栋梁

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

蒸发冷却技术应用于水轮发电机是继目前已广泛采用的全空冷、定子水内冷方式后的新型冷却技术，不需要外加机械泵和消耗外加动力，即可实现无泵密闭自循环，具有自调节与自适应的技术特点。

某电厂的2 台700 MW 发电机组其定子绕组采用定子线棒密闭自循环蒸发冷却，汇流铜排、定子铁心及转子绕组空气冷却。每根定子线棒内设有32股实心导线和8 股空心导线，发电机运行时空心导线通入HFC-4310（二氢十氟戊烷，分子式C5H2F10）对发电机定子绕组进行冷却。蒸发冷却系统采用绝缘性能好的冷却介质，即使发生微量渗漏，不会影响发电机运行，从本质上去除了内冷系统中泄漏引发电气故障的技术难点，且运行时系统压力较低，运行可靠性大大增强。该电厂两台蒸发冷却发电机组在实际运行中存在上集气环管卡箍过流灼烧现象，本文针对这一现象的形成做详细分析，并提出可靠的解决方案。

1 蒸发冷却系统简介

某电厂蒸发冷却发电机的有关技术参数见表1。

表1 蒸发冷却发电机有关技术参数

蒸发冷却机组定子蒸发冷却自循环系统由6 部分组成[3-4]：定子绕组蒸发冷却系统、冷凝器、冷凝器供排水管路系统、均压排气管路系统、蒸发冷却供排液系统及控制系统。另外配置1 套移动式抽真空装置（2 台机共用）。

蒸发冷却系统各部件简要说明：

（1）定子线棒：由实心和空心股线编织换位制成，线棒两端配备液电分离接头。

（2）冷凝器：冷却系统热量交换部件，后面详细讲解。

（3）下集液环管：定子绕组下方配置的水平环管，简称下环管。按定子线棒数在环管上装设接口，经密封构件与绝缘引流管连接，以确保所有线棒中冷却介质均匀分配。

（4）绝缘引流管：定子线棒上、下两端通过绝缘引流管分别与上集气环管和下集液环管连接，形成蒸发冷却通路，并起电绝缘作用。

（5）上集气管：定子绕组上方配置的水平环管，简称上环管，其结构类似于下集液环管，将线棒出口的两相介质汇集于此，使其压力和温度均匀。

（6）上导流管：将两相介质从上集气环管引入冷凝器的连通管。

（7）回液管：冷凝器下部和下集液环管之间的连通管。

（8）均压管：全部冷凝器上部相互连通的环形管。

（9）排气管：均压管径直方向上对称装设与外部空间相连通的一段管路，依靠阀门动作排除系统内空气和释压保护，称为排气管，并可兼做系统灌液通道。

按照冷却介质的流动方向，包括：回液管、下集液环管、下绝缘引流管、定子线棒、上绝缘引流管、上集气环管、上导流管、冷凝器，以及管路内部充入适量的冷却介质等，同时各冷却单元通过冷凝器上部的均压管连接成整体，形成蒸发冷却循环回路。如图1 和图2 所示[1-2]。

图1 蒸发冷却系统示意图

图2 蒸发冷却系统模型图

基本原理：当机组运行时，定子线棒发热，线棒空心导体中的冷却介质（介质HFC-4310，二氢十氟戊烷，沸点55℃，无色透明，易挥发）吸收定子线棒的热量，当冷却介质温度达到一定时冷却介质部分沸腾汽化，由于空心导体内的介质为气液混合态，其密度小于回液管中纯液态介质的密度。回液管和空心导体间的密度差在重力加速度作用下，生成流动压头。该压头克服回路中的阻力压降维持一定流量的循环，使含热两相介质进入系统中压力最低的冷凝器，经与二次冷却介质——水进行热交换后还原为纯液态再流到回液管进行新一轮循环，如此往复把热量传到外部，从而冷却发电机定子线棒[5]。

简单来说，介质HFC-4310 冷却定子线棒，技术供水用于冷却介质HFC-4310。蒸发冷却系统能自行调整蒸发点位置、介质流量和蒸气干度，这一过程不依靠外力，是自循环调整方式。当二次冷却水足量时，冷凝器内介质所在空间几为零压状态，而系统中各种部件所承受的压力仅是其内含液态介质重力的反映，各部分压力远远低于纯水系统压力，运行可靠性大幅度上升。

蒸发冷却系统的发展历史相对其他冷却方式较短，且缺乏大规模的工业应用，运行经验积累相对较少，运行规律大多也基于理论计算，在实际运行中出现的问题要具体对待。

（1）为防止蒸发冷却机组运行过程中集液管形成较大的感应电流，在蒸发冷却系统集液管与接地铜板支架连接一条铜编织接地线。检修期间进行发电机耐压试验或者摇绝缘时需将此接地线解除。摇测绝缘方法参照水内冷机组进行操作，摇表使用水内冷摇表。

（2）HFC-4310 挥发性强，密度大于空气，可造成窒息，进入发电机风洞、水车室等部位工作时，应检查介质探测报警器HFC-4310 气体含量和含氧量在正常范围内，尽量避免一人进入上述区域进行巡视，且不要长时间逗留。HFC-4310 介质发生泄漏时，应戴有氧防毒面具，并启动机组水车室排风机。HFC-4310 在高温（500 ℃）条件下分解出有毒气体，在未排液情况下风洞内不应进行动火作业。应禁止将头伸入含有HFC-4310 蒸气浓度的槽体或容器中。HFC-4310 沸点55℃，禁止将盛HFC-4310 的容器存放至环境温度超过40℃处。人体吸入过量HFC-4310，会有晕眩、抽搐、窒息、不规则心跳、失去意识等症状。应立即移至新鲜空气处，保持冷静；若呼吸困难，立即实施人工呼吸；当持续呼吸困难，立即给予氧气并呼叫医生。

2 蒸发冷却机组在运行中面临上集气环管卡箍过流问题

上集气管为整环分段结构，由16 段集气管组成，均采用不锈钢管，相邻两段集气管端部用Straub（斯特劳勃）接头连接。环管通过16 根集气支管与冷凝器相连，支管连接法兰处采用8 mm 厚三元乙丙橡胶密封垫，法兰连接螺栓设有绝缘套管，上集气环管采用一点接地。在实际运行中，上集气环管存在卡箍处过流灼烧的现象。检修时发现卡箍一侧（靠近主引出线侧）有黑色黏着物、外表面有明显过热痕迹。将其解剖并从环管上取下后发现，里面密封橡胶一侧已经严重碳化，钢夹片有部分熔化，且该侧的不锈钢密封齿已经融合在一起，而卡箍另外一侧包括密封橡胶、不锈钢，钢夹片、密封齿则完好无损。将受损卡箍更换为新卡箍，运行一段时间后发现更换新卡箍的两端连接铜辫子明显过热，表面发黑并变形；检查其余15 个卡箍测温片，发现1 个达到满刻度127 ℃，其余14 个最高温度在77 ℃以下。

造成过流的原因有两点：

（1）上集气环管卡箍存在设计缺陷；

（2）上集气环管与冷凝器之间法兰密封安装不到位及螺栓间的绝缘垫片材质差。

在实际运行中，由于卡箍结构的局限性，在振动或者有温度变化的情况下会造成卡箍的紧固螺栓松动，使卡箍与上集气环管的接触不牢固，加上集气管在有多点接地的情况下，环管中局部存在较大环流，最高温度的卡箍与环管一侧接触电阻大，造成损耗发热，卡箍过流，严重时可导致放电灼烧，内侧密封橡胶炭化等现象（图3 和图4 显示为上集气环管的卡箍结构和卡箍过流烧熔处）。

图3 集气管卡箍结构图

图4 卡箍处过流

假设两点接地的情况，如图5。由于上集气环管用卡箍连接方式分成16 段，其中R1 等代表每段的等效电阻。假设1 卡箍（对应R1）出现螺栓松动的情况，R1 的两侧出现较大的电位差u，等效如图6所示。上集气环管处在交变的磁场中，由电磁感应原理，在其表面会产生感应电流，由于u的出现，导致接地点a、b 的电位不同，造成环流。由于电流的集肤效应，螺栓松动卡箍中靠近环管的一侧会有较大电流通过，产生过流，机组长此运行下去，造成该处灼烧碳化。而在实际运行中，存在多点接地，使得过流情况更为严重。

图5 两点接地示意图

图6 卡箍过流等效电路图

3 上集气环管卡箍处过流灼烧的解决方案

（1）针对卡箍设计问题，将发电机蒸发冷却系统集气环管上的16 个卡箍接头更换为法兰。在发电机中性点附近的一处法兰螺栓孔内套“T”型绝缘套，再用螺栓把紧，确保螺栓与法兰不直接接触，测两侧法兰之间绝缘电阻≥2 MΩ，使集气环管在此处形成断开点，然后连接其它法兰，在对侧进行可靠接地。

（2）针对多点接地情况，更换法兰密封及螺栓间的绝缘垫片，将原有的绝缘垫片更换为新型材料。安装时要求垫片与法兰完全贴合。且选取断开点正对立面（180°）的一根集气支管作为一点接地，将这根集气支管与集气管间连接法兰直接用接地铜编织线进行短接。

（3）对集气环管上另外15 个法兰两端用接地铜编织线进行可靠连接（图7），集气管和法兰上贴上测温片。

图7 法兰两端用接地铜编织线可靠连接

（4）上述步骤完成后，进行电气耐压试验。

（5）电气耐压试验合格后，进行蒸发冷却系统气密性试验。

（6）气密性试验合格后机组试运行，检查蒸发冷却系统泄露和测温片显示。

（7）机组热稳定运行。

4 结语

通过分析某电厂上集气环管卡箍处过流灼烧现象形成原因，对现场可能出现的故障区域逐一排查，找出缺陷形成的原因是上集气环管卡箍存在设计问题和上集气环管与冷凝器之间法兰密封安装紧固螺栓松动，法兰密封材质及螺栓间的绝缘垫片材质问题两个方面。

从2013 年改造完成至今，未出现蒸发冷却机组上集气环管局部过流的状况。从根本上解决了上集气环管卡箍处过流灼烧的问题。确保了机组的安全稳定运行。