核电站主发电机封闭母线仓局部过热的原因和对策

姚亮

（海南核电有限公司 海南昌江 572700）

建国时，全国发电机装机容量1848.6MW；建国后，电力工业快速发展，但相对人均用电量等方面与先进水平相比存在较大差距。电力工业形成大型发电厂为中心的电力系统，机组自冷型离相封闭母线占地尺寸大，采用强迫风冷封闭母线可节约土建成本。目前，国内主要封闭母线制造厂未生产风冷式封闭母线，强迫风冷封闭数学模型不同于自冷封闭母线原理，研究封闭母线热计算程序等关键技术非常必要。

1 核电厂发电机封闭母线研究

母线设备是低压成套设备，母线把开关设备连接到发电机上，母线通常采用宽扁的铜材加工制造。开关成套设备电气参数、连接方式等由母线决定。大电流封闭母线用于发电系统中重要高压电气设备，随着传输电流的不断增大，要求母线具有更高的运输安全性。发电机母线电流最大，电流较小的母线具有扁平的矩形截面，单机容量为12MW。发电机容量增大，需采用大电流母线。

1.1 大电流母线类型

发电厂广泛使用母线连接电机电器，敞露母线暴露在环境中易受到物体偶然接触发生短路，绝缘子受污染性能下降，定期清扫工作量较大。封闭母线分为共相与分相母线。封闭式母线在交变电磁场下感应产生功率损耗，对母线性能产生影响。目前的保护措施不能解决母线应用中的问题，需要研究分析封闭母线屏蔽材料。

大电流敞露母线导体主要用于2～9kA线路。敞露母线减小集肤效应较差，圆角型双槽母线集肤效应小，敞露母线采用外胶装绝缘子附近钢结构发热增强。支持式母线导体通常选取支持式绝缘子，三相导体在平面内应用广泛。悬挂式母线导体采用悬式绝缘子，母线附近钢结构中发热损耗较小，火电厂中不采用悬挂式母线。敞露母线大多安装在室内，环境条件好，但易受到物体接触导致短路等故障发生，绝缘子易受到环境湿度影响出现故障。而封闭母线可避免相关问题。按分布形式，分为密集型与空气绝缘型；根据使用材料，包括铜铝母线；依据功能，有耐水、防火、照明等母线。

1.2 封闭母线电磁热学分析

随着电流增大，母线短路感应轴向电动势达100～200V。随着铝的氢弧焊接技术完善，焊接两端三相外壳铝板形成离相封闭母线，解决大电流母线钢构发热问题。环流数值约等于母线电流，全连式离相封闭母线提高密封性，解决随电流增大产生突出钢构发热问题，外壳起到电磁屏蔽作用。由于离相封闭母线诸多优点得到广泛应用，通常母线采用水平安装形式。

大电流母线为发热体，母线产生高温向周围环境发热。母线电阻发生损耗大温度高，大电流母线发热通过导热传递到环境中。传统封闭母线工作状态研究依靠经验公式，借助流行的ANYS 软件对封闭母线场域分析，可准确了解各类封闭母线电磁场分布。国内外学者求解温度场数学模型，根据温度场数学模型，得出温度分布，搭建研究对象物理模型。发电机封闭母线包括主回路封闭母线及厂用分支母线，主变中性点母线额定电流小采用自然冷却方式。金属封闭母线各部位温升如表1所示。

表1 金属封闭母线各部位温升

根据《金属封闭母线》要求，应在满足额定载流下最热点温度满足标准。大部分国家控制限额电流在2500A 左右。容量超过限额电流，发电机宜采用风冷封闭母线，减少占地面积。强迫风冷封闭母线空气冷却采用闭式系统，空气受热冷却后返回封闭母线，发电厂用循环水作冷却介质。闭式系统分单双内系统，单风系统是气流经相间消离子装置分为二股气流经两边相夹层；双面冷却系统是冷空气由每相母线导体管内引进母线，双风系统不需相间消离子系统。

2 管型发电机封闭母线磁热分析

管型封闭母线是利用铜管为导体，在导体层间包环氧树脂复合材料的母线，目前，最高电流达1200A，具有良好绝缘等特性。国外产品已有多年运行历史，国内由于技术研发能力等方面原因，应用集中于0.4～35kV电压等级产品。管型母线具有载流量大散、热性好等优点。ANSYS 大型通用有限元分析软件在航空机械能源交通等领域广泛应用。ANSYS 公司主要设计分析软件开发，研究使用ANSYS有限元分析软件对管型发电机封闭母线进行磁热分析。

根据封闭母线实体模型，有限元模型分为6层，绝缘层材料为环氧树脂，矩形箱体材料为302 型号不锈钢。加载求解前进行网格划分，模型有17810个单元。管型发电机封闭母线磁场分析选取PLANE53单元，建立有限元模型假设不考虑空间电荷影响，所有材料电参数为常数。定义AZ自由度为母线外壳单元选型，在ANSYS平台热场仿真采用FLUID141单元。

管型发电机封闭母线磁热分析基于ANSYS 软件平台建立，确定母线屏蔽层厚度依据磁场感应器强度。研究比较传统屏蔽材料铜屏蔽效果，选取屏蔽材料为铜，设定工频条件额定电流5000A。母线三相放置，通入导体电流在母线外壳感应电流。其余两相电压合成矢量阻碍变化的增强，相互抵消壳外大部分磁场，由于空气中磁感应强度小，矩形箱体磁感应强度分布在箱体上下板中间处。三相导体磁场分布集中于B 相，由主导体层外壳向外递减，大量磁场被屏蔽壳吸收，减小空气中磁场感应强度。通过电流时，B相导体受到AC相导体磁场影响。

3 核电站发电机封闭母线仓局部过热处理

主汽轮发电机参数如表2 所示。核电站1 号发电机投入运行后，封闭母线仓温度较高。巡检测量温度发电机有功功率为120MW，测得封闭母线仓温度超过100℃。封闭母线仓支撑腿固定在HM 厂方钢构架，电流数值从此测量得到。现场在功率平台下测量两组数据，如表3和表4所示。封闭母线仓过热在发电场发生频率高，机组投运后频繁出现局部高温现象。机组负荷开关与封闭母线外壳连接处温度如表5所示。

表2 主汽轮发电机参数

表3 原测量电流数据

表4 改造后测量电流数据

表5 机组负荷开关与封闭母线外壳连接处温度

封闭母线仓过热危害包括导致铝制外壳等局部熔化，极端情况下发生外壳与母线放电。外壳过热运行危害巨大，材料抗拉强度大幅下降，导致封闭母线内部温度升高，绝缘材料逐步老化，伴随接地电流过大导致烧毁。发电机定子主出现运行中感应磁场，核电站发电机出现电流大，核电站发电机封闭母线仓过热问题突出。减小发热点独立盖板面积，可减少磁通密度，封闭母线仓一根接地线分为多点接地，改造后，出现仓支撑腿采用绝缘结构。

4 结语

电力是社会经济发展的基础，要求供电系统各环节平稳运行。母线主要连接各种电机电气，通过配电装置分配电能，母线磁场屏蔽是检验母线长期安全稳定的重要因素。随着电力工业的发展，传输电流不断增大，要求母线具有更高的运行安全性。随着电流增大产生交变磁场，外壳发热降低母线使用寿命，对封闭母线研究成为生产企业关心的内容。本文研究介绍大电流母线类型，对封闭母线磁热进行分析，并结合工程项目，总结核电站住主发电机封闭母线仓局部过热原因，提出封闭母线仓过热问题处理策略，为发电机电气技术人员提供参考。