熱管冷卻發(fā)電機(jī)斷路器在瀑布溝水電站的應(yīng)用

袁永生，李婷婷，向文平，蔣 敏

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源 625304）

熱管冷卻發(fā)電機(jī)斷路器在瀑布溝水電站的應(yīng)用

袁永生，李婷婷，向文平，蔣 敏

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源 625304）

主要介紹了采用熱管冷卻技術(shù)的發(fā)電機(jī)斷路器（以下簡稱G CB）在瀑布溝水電站的應(yīng)用。在G CB中，以往要增加G CB載流量，常采用強(qiáng)迫空氣循環(huán)或者采用電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇的熱交換器（有源冷卻系統(tǒng)），加快G CB熱量的傳遞，但對(duì)于G CB截流導(dǎo)體的熱量還是無法快速釋放。而熱管冷系統(tǒng)（無源冷卻系統(tǒng)）沒有像電機(jī)或者風(fēng)扇這樣的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件，但它可通過絕緣部件及導(dǎo)熱介質(zhì)，直接將G CB內(nèi)部導(dǎo)體熱量傳遞到外面，實(shí)現(xiàn)能量快速交換。無源冷卻系統(tǒng)取代有源冷卻系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高G CB的載流能力，同時(shí)也可以獲得一個(gè)高可靠性和長使用壽命。

發(fā)電機(jī)斷路器；熱管冷卻；溫升

瀑布溝水電站位于大渡河中游，地處四川省西部漢源和甘洛兩縣交界處，距成都市直線距離約200 km，靠近負(fù)荷中心。電站共裝設(shè)6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量3 600 MW，在系統(tǒng)中主要起調(diào)峰和事故備用作用，因此設(shè)置機(jī)組出口GCB，對(duì)于提高了并網(wǎng)的快速性和可靠性，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。

瀑布溝水電站發(fā)電機(jī)—變壓器組采用單元接線，在發(fā)電機(jī)和變壓器之間設(shè)置GCB，選用瑞士ABB，HECS-130XXL型SF6 GCB，額定電壓25.3 kV，額定電流23 kA，是世界第一臺(tái)采用熱管冷卻方式增加載流容量的GCB，發(fā)電機(jī)額定電壓20 kV，母線采用離相封閉母線。發(fā)電機(jī)與變壓器之間的單元接線如圖1所示：

圖1 發(fā)電機(jī)與變壓器之間的單元接線

1 瀑布溝發(fā)電機(jī)斷路器特點(diǎn)

瀑布溝GCB采用瑞士ABB，HECS-130系列中的XXLp型產(chǎn)品，是在原產(chǎn)品HECS-130XLp基礎(chǔ)上，不改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)情況下，通過熱管冷卻技術(shù)將GCB的載流量從13 000 A增加至23 000 A，GCB體積無變化。由于瀑布溝電站建于地下洞室中，設(shè)備體積減小可減少洞室開挖量，也有有利于設(shè)備的安裝。下面針對(duì)HECS-130XL采用熱管技術(shù)進(jìn)行介紹。

1.1 冷卻系統(tǒng)

1.1.1 熱管冷卻的原理

熱管冷卻是一種高效的熱傳輸元件，由一個(gè)包含著少量有效液體的密閉附件組成。充分利用這種有效液體的蒸發(fā)作用，把蒸餾器的潛在熱量傳輸給冷凝器，讓液體蒸氣在冷凝器中冷凝，然后讓冷凝物流回蒸餾器。熱管的原理如圖2所示。

圖2 熱管結(jié)構(gòu)圖

瀑布溝水電站GCB采用3M TMHFE-7100TM作為冷卻介質(zhì)，該介質(zhì)滿足環(huán)保要求，沸點(diǎn)為61℃。當(dāng)溫度低于61℃時(shí)，3MTMHFE-7100TM為液態(tài)，匯集在蒸餾器內(nèi)。當(dāng)斷路器運(yùn)行溫度超過61℃時(shí)，3M TMHFE-7100TM轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，將熱量轉(zhuǎn)遞到GCB上方的冷凝器中，然后再通過外部空氣對(duì)流散熱，達(dá)到降低GCB運(yùn)行溫度的目的。

1.1.2 熱管的應(yīng)用要求

（1）總體要求

冷卻系統(tǒng)的首要任務(wù)是把熱量從熱源傳輸?shù)街車?dāng)然冷卻系統(tǒng)也必須遵從GCB的其他的一些要求，比如環(huán)境狀況或者絕緣要求、GCB的電流遮斷能力等其他功能不能被冷卻系統(tǒng)所影響。顯而易見，在斷路器的使用期間，冷卻系統(tǒng)必須具有高可靠性。

1 ）熱管的熱傳導(dǎo)率

根據(jù)IECIEEE C37.013-1997《以對(duì)稱電流為基礎(chǔ)的交流高壓發(fā)電機(jī)斷路器》，主觸頭的最大可允許溫升為65 K。

2 ）電氣絕緣

由于冷卻系統(tǒng)對(duì)于熱量的傳輸要求很高，熱管必須將從導(dǎo)體散發(fā)的熱量傳輸?shù)剿b入熱交換器的周圍。因此這個(gè)冷卻系統(tǒng)就跨越了絕緣距離，所以必須滿足在任何工作狀況下的相應(yīng)絕緣等級(jí)。

3 ）機(jī)械要求

當(dāng)進(jìn)行開關(guān)操作的時(shí)候，在導(dǎo)體和裝入附件之間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的震動(dòng)，這就使得熱管系統(tǒng)承受的機(jī)械力增大。地震、運(yùn)輸和由溫度變化（比如周圍環(huán)境溫度的變化，負(fù)載電流變化，或者日夜交替）引起的熱脹冷縮等也會(huì)對(duì)其有影響。

4 ）環(huán)境狀況

工作地環(huán)境溫度可以從-40℃至+50℃，整個(gè)系統(tǒng)既適用于室內(nèi)安裝，又適用于室外安裝。

5 ）使用壽命，維護(hù)

為了不影響GCB的檢修周期，熱管系統(tǒng)應(yīng)保證有20年的使用壽命。

（2）熱管的導(dǎo)熱介質(zhì)

熱管單元中所使用的導(dǎo)熱介質(zhì)是一種英文名為hydrofluorether（HFE）的液體。除了它們的熱特性之外，這類液體還具有滿足在GCB中應(yīng)用的這些特性：

1 ）有優(yōu)良的絕緣特性，衰減強(qiáng)度值大約為15 kV/mm；

2 ）無毒性，因此液體的處理不再是問題；

3 ）可以溶解很多的材料；

4 ）不可燃；

5 ）無溫室效應(yīng)，對(duì)臭氧的損耗效應(yīng)為零。

為了達(dá)到前面提到的那些要求，HECS類型的GCB的冷卻系統(tǒng)每極由6個(gè)熱管系統(tǒng)組成。每個(gè)熱管的傳輸部分由兩部分組成，即一個(gè)絕緣部分和一個(gè)可彎曲的管子，可彎曲的管子用來減弱來自裝入GCB的附件的機(jī)械振動(dòng)。熱管的冷凝器被集成在GCB所裝入的附件中。連接到HECS型GCB的熱管，傳輸部分連接到包含在裝入附件中的冷凝器上，電纜是為了測試溫度上升而安裝的熱電偶。如圖3所示。

圖3 熱管在HECS型GCB中的安裝

1.2 熱管溫升型式試驗(yàn)

三相測試安裝如圖4所示。中間相在GCB的兩邊各裝了2 m長的母線管道（分相母線管IPB），用以模擬電廠可能的設(shè)備情況。母線管道的溫度按照周圍環(huán)境溫度調(diào)整，因此母線管的最大允許溫升不會(huì)超限。也就是說母線管有源部件的溫升被設(shè)置在50 K，母線管裝入附件的溫升被設(shè)置在30 K。中間相完整的裝設(shè)了斷路器，隔離開關(guān)，電流互感器，電壓互感器，一個(gè)避雷器和涌流吸收電容。在IPB的末端，有源部件和裝入附件通過銅桿連接起來，因此流過導(dǎo)體和裝入附件的電流是一樣的。GCB外面相由裝在裝入附件里的電加熱器加熱，以模擬這些相在運(yùn)行中的熱量散失。

圖4 斷路器溫升型式試驗(yàn)

溫升測試：按照IEC 62271-1和IEEE Std C37.013-1997，在HECS XXLp類型的GCB上通過23 kA（50 Hz）的電流等級(jí)下，溫度上升試驗(yàn)的表現(xiàn)令人滿意。如圖5所示，相對(duì)于HECS-130XLp型GCB（13 000 A，不使用熱管）的最大溫升而言，使用熱管后的最大溫升遠(yuǎn)低于IEEE Std C37.013-1997規(guī)定的65 K。同時(shí)，我們也看到，14 500 A不使用熱管情況下，GCB能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 導(dǎo)體溫度上升值圖

1.3 溫度報(bào)警系統(tǒng)

由于GCB采用3MTMHFE-7100TM作為冷卻介質(zhì)，沸點(diǎn)為61℃，如果冷卻系統(tǒng)密封不可靠，會(huì)造成冷卻介質(zhì)損失、冷卻效率降低。同時(shí)GCB導(dǎo)體溫度會(huì)迅速上升，應(yīng)對(duì)GCB導(dǎo)電部位溫度進(jìn)行監(jiān)視，確保GCB安全可靠運(yùn)行。當(dāng)GCB導(dǎo)體溫度達(dá)到一定溫度時(shí)，由溫度開關(guān)（圖6）發(fā)出溫度信號(hào)，送至監(jiān)控系統(tǒng)，便于運(yùn)行人員果斷采取降負(fù)荷措施。

圖6 溫度開關(guān)

2 運(yùn)行試驗(yàn)情況

試驗(yàn)之前，應(yīng)保證發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行至少2 h以上，記錄環(huán)境溫度及發(fā)電機(jī)負(fù)荷電流，對(duì)GCB負(fù)荷側(cè)端子、斷路器與隔離開關(guān)間導(dǎo)體及GCB電源側(cè)導(dǎo)體三極進(jìn)行測試，具體測試情況如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7

圖8

圖9

圖10

以上試驗(yàn)是在GCB安裝母線道通風(fēng)系統(tǒng)未啟用，周圍空氣自然對(duì)流情況下測試的。從測試圖可知，斷路器在滿負(fù)荷情況下長期運(yùn)行，冷凝器溫度最高溫度才50.5℃，完全能滿足安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求。

3 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)斷路器最主要性能指標(biāo)之一是通過負(fù)載電流的能力。對(duì)于一個(gè)確定的斷路器，可通過改善它和周圍環(huán)境的熱量傳輸來提高其載流等級(jí)，實(shí)現(xiàn)冷卻增容的目的。在之前，有源冷卻系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于提高GCB的負(fù)載電流能力，如ABB的HEC系例產(chǎn)品，但是有源冷卻系統(tǒng)也有幾個(gè)不利的因素，比如功率損耗，可靠性，維護(hù)要求，噪音，設(shè)備尺寸等。瀑布溝采用的冷卻系統(tǒng)可以克服這些缺點(diǎn)，采用熱管冷卻技術(shù)即無源冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)可以跨越電氣和完全無源元件之間的巨大鴻溝，從而獲得一個(gè)有效的熱量傳輸途徑，使有源冷卻系統(tǒng)的缺點(diǎn)可以完全的被避免。實(shí)踐證明，采用熱管冷卻技術(shù)的GCB在瀑布溝水電站發(fā)電機(jī)斷路器近一年來的運(yùn)行是成功的，可借鑒和推廣。

TM561

B

1672-5387（2010）06-0046-03

2010-10-08

袁永生（1964-），男，工程師，從事水電廠生產(chǎn)管理工作。