發(fā)電機(jī)出口槽型母線(xiàn)支撐鋼構(gòu)過(guò)熱原因分析與處理

王桂嶺，王雨川

（1.水利部海委引灤工程管理局，河北 遷西 064309；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，天津 300222）

1 鋼構(gòu)過(guò)熱的出現(xiàn)

潘家口水電站為1980年發(fā)電的老水電站，其中1號(hào)機(jī)組為容量150 MW的常規(guī)機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓15.75 kV，定子額定電流達(dá)6 470 A。發(fā)電機(jī)出口母線(xiàn)采用的是鋁制槽型母線(xiàn)，其支撐采用的是工字鋼組成的鋼構(gòu)支撐。當(dāng)1號(hào)機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)后發(fā)現(xiàn)出口母線(xiàn)配電室的室溫比較高，通過(guò)用無(wú)線(xiàn)測(cè)溫儀仔細(xì)測(cè)量各個(gè)設(shè)備的溫度后發(fā)現(xiàn)支撐槽型母線(xiàn)的鋼構(gòu)溫度普遍達(dá)到100～120 ℃以上，溫度最高的部位達(dá)到140 ℃。這說(shuō)明室溫高是由于鋼構(gòu)過(guò)熱造成的。

2 鋼構(gòu)過(guò)熱分布規(guī)律

槽型母線(xiàn)采用敞露式槽型鋁母線(xiàn)，母線(xiàn)下部由工字鋼組成的鋼構(gòu)支撐，這些鋼結(jié)構(gòu)材料距離通過(guò)大電流的槽型母線(xiàn)很近，處于強(qiáng)烈的交變電磁場(chǎng)中，在強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)感應(yīng)作用下會(huì)在鋼構(gòu)中產(chǎn)生渦流并最終在鋼構(gòu)形成的環(huán)路中形成環(huán)流，使得支撐鋼構(gòu)發(fā)熱嚴(yán)重，不少支撐鋼構(gòu)溫度達(dá)到120 ℃以上。在三相母線(xiàn)空間交叉磁場(chǎng)集中的某些部位溫度高達(dá)140 ℃，其中的規(guī)律是母線(xiàn)稀疏的地方其支撐鋼構(gòu)的溫度相對(duì)較低，母線(xiàn)越是交叉集中的位置支撐鋼構(gòu)的溫度越高。這說(shuō)明溫度高低與鋼構(gòu)所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度的高低有關(guān)。過(guò)高的溫度超過(guò)了規(guī)程中規(guī)定的人不可觸及的鋼構(gòu)不能超過(guò)100 ℃的規(guī)定，而且這會(huì)造成大量電能損失，同時(shí)還造成周?chē)h(huán)境溫度明顯上升，使得整個(gè)配電室的溫度升高明顯，從而影響安裝在配電室的發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)和勵(lì)磁變壓器等重要電氣設(shè)備的散熱，嚴(yán)重影響了這些設(shè)備正常安全運(yùn)行，最終影響到整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，必須想法解決這一安全隱患。

3 設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定

《電氣工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》電氣一次部分中規(guī)定，發(fā)電機(jī)出口母線(xiàn)的截面積根據(jù)發(fā)電機(jī)容量和額定電壓、額定電流的不同而不同，隨著發(fā)電機(jī)容量的增加，發(fā)電機(jī)的額定電流越來(lái)越大，手冊(cè)規(guī)定當(dāng)母線(xiàn)工作電流大于1 500 A時(shí)就要考慮鋼構(gòu)發(fā)熱問(wèn)題，不應(yīng)使每相導(dǎo)體支撐鋼構(gòu)及導(dǎo)體支撐夾板的零件構(gòu)成閉合的磁路。

當(dāng)工作電流大于4 000 A時(shí)，鋼構(gòu)損耗可能接近或者超過(guò)導(dǎo)體本身的電阻形成的損耗，從而在磁滯損耗和電阻損失的疊加作用下引起鋼構(gòu)過(guò)熱，危及人身安全和電器的正常工作，影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此對(duì)大電流母線(xiàn)附近的鋼構(gòu)過(guò)熱應(yīng)積極采取措施。

按照DL/T5222-2005《導(dǎo)體和電器的選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，額定電流大于4 000 A的裸導(dǎo)體的附近鋼構(gòu)應(yīng)避免構(gòu)成閉合磁路或者裝設(shè)短路環(huán)等措施來(lái)降低鋼構(gòu)中的渦流，從而減少環(huán)流，限制鋼構(gòu)溫度升高的幅度。

表1 鋼構(gòu)允許溫度表

從表1中可以看出人不可觸及的鋼構(gòu)最高運(yùn)行溫度為100 ℃，而1號(hào)機(jī)組的母線(xiàn)支撐鋼構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)了這個(gè)限值。

4 過(guò)熱原因分析

由電磁場(chǎng)理論得知在大型發(fā)電機(jī)組槽型母線(xiàn)周?chē)臻g存在著強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，母線(xiàn)中的電流越大其產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁場(chǎng)隨著離開(kāi)母線(xiàn)的距離由近及遠(yuǎn)逐漸衰減。緊挨著母線(xiàn)的支撐鋼鐵構(gòu)件處于這個(gè)交變強(qiáng)磁場(chǎng)中。母線(xiàn)周?chē)慕^緣子的金具、支撐母線(xiàn)的鋼梁、金屬管路、防護(hù)遮攔的鋼柱以及混凝土中的鋼筋都會(huì)因這強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)而形成磁滯損耗和渦流損耗從而造成鋼鐵材料的設(shè)備發(fā)熱。如果鋼構(gòu)組成有閉合回路還會(huì)因磁場(chǎng)感應(yīng)形成的環(huán)流而引起鋼鐵構(gòu)件附加發(fā)熱。鋼構(gòu)中的損耗和發(fā)熱溫度隨著母線(xiàn)中電流的增加而急劇增高。鋼構(gòu)表面的溫升和損耗成正比。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的具體溫度數(shù)值分布和母線(xiàn)的交叉情況可以分析得出，母線(xiàn)越集中的部位其支撐鋼構(gòu)溫度越高，三相母線(xiàn)交叉空間匯聚的地方溫度最高。幾個(gè)溫度達(dá)到140 ℃的位置就是三相母線(xiàn)交叉最密集的地方，這可以用電磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)磁滯損耗越嚴(yán)重，渦流越大的電磁場(chǎng)理論來(lái)得到解釋。

5 過(guò)熱問(wèn)題處理

發(fā)電廠(chǎng)電氣部分教科書(shū)中給出的減少鋼構(gòu)損耗和發(fā)熱的措施有如下4條：

（1）加大鋼構(gòu)和導(dǎo)體之間的距離，加大距離能使得鋼構(gòu)周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度減弱，因而可以降低渦流和磁滯損耗。但對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行期的水電站，這一條不好實(shí)施，因配電室已經(jīng)形成已有空間，不允許再加大距離，即使空間足夠，實(shí)施起來(lái)成本也會(huì)很高。

（2）斷開(kāi)鋼構(gòu)閉合回路，并加上絕緣墊就能消除環(huán)流。這一個(gè)辦法對(duì)于已經(jīng)發(fā)電運(yùn)行的發(fā)電機(jī)也不容易實(shí)施，改造的部位太多，投資也大，

（3）采用電磁屏蔽，在磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的部位套上短路環(huán)，利用短路環(huán)中感應(yīng)電流的去磁作用降低導(dǎo)體的磁場(chǎng)。

（4）采用分相母線(xiàn)，每相母線(xiàn)分別用鋁制外殼包住。外殼上的渦流和環(huán)流能起到雙重屏蔽作用，殼內(nèi)和殼外磁場(chǎng)均大大降低，從而附近鋼構(gòu)發(fā)熱得到改善?，F(xiàn)在的新建大型機(jī)組采用的離相封閉母線(xiàn)就是根據(jù)這條原理進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，效果非常好，有效地解決了鋼構(gòu)發(fā)熱問(wèn)題。

我們?cè)缙谕懂a(chǎn)的大型機(jī)組由于現(xiàn)場(chǎng)母線(xiàn)和鋼構(gòu)已經(jīng)成型，采用離相封閉母線(xiàn)改造成本過(guò)高，于是我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)采用了比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的第3條措施，即采用電磁屏蔽，在幾個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的部位加裝鋁板制做的矩形短路環(huán)來(lái)封閉磁場(chǎng)，達(dá)到減少磁滯損耗和渦流損耗的目的。

我們?cè)O(shè)計(jì)了由5 m厚度的鋁板焊接成的矩形短路環(huán)將磁場(chǎng)比較集中的8處鋼構(gòu)用兩頭開(kāi)口的矩型鋁板封閉起來(lái)，原來(lái)溫度很高的鋼構(gòu)被鋁板給包裹起來(lái)，讓原來(lái)母線(xiàn)中電流產(chǎn)生的磁力線(xiàn)路徑被鋁板擋住，只能沿鋁板走更長(zhǎng)的路經(jīng)才能形成閉合回路，這樣磁力線(xiàn)遇到的磁阻顯著增加，原來(lái)溫度高的部位的鋼構(gòu)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度就明顯減弱了，以前處于比較強(qiáng)烈交變磁場(chǎng)中的工字鋼鋼構(gòu)輻射接受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度就可以明顯減弱，在鋼構(gòu)中的磁滯損失和渦流損耗明顯減少，也就減少了該部位的渦流進(jìn)而減少鋼構(gòu)中的環(huán)流，達(dá)到降低鋼構(gòu)發(fā)熱程度的效果。具體封閉鋁板的尺寸為：厚度5 mm，長(zhǎng)度500 mm，寬度由工字鋼的外形決定，做到貼緊包裹好工字鋼就好。如圖1所示。

圖1 鋁板包裹工字鋼

6 處理后降溫效果

經(jīng)過(guò)用鋁板對(duì)磁場(chǎng)集中的幾個(gè)重點(diǎn)部位封閉后，在開(kāi)機(jī)帶滿(mǎn)負(fù)荷150 MW幾個(gè)小時(shí)后測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)降溫效果非常明顯，所有支撐鋼構(gòu)的溫度都不同程度的有所降低，原來(lái)溫度高達(dá)140 ℃的鋼構(gòu)部位經(jīng)過(guò)鋁板封閉后溫度降至40 ℃左右，溫度降幅達(dá)到100 ℃，沒(méi)有被鋁板包裹的部位原來(lái)120 ℃左右的溫度也降低到了80 ℃左右。這使得鋼構(gòu)各處的溫度均降低到符合規(guī)程規(guī)定，即人不可觸及的鋼構(gòu)不超過(guò)100 ℃的規(guī)定，效果非常好。這既減少了大量的電能損耗，也降低了發(fā)電機(jī)出口配電室的環(huán)境溫度，使得發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)和勵(lì)磁用變壓器工作在一個(gè)較低溫度的環(huán)境，不會(huì)影響這些重要設(shè)備的正常運(yùn)行，給安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件。

7 結(jié)論

現(xiàn)在新建的大型發(fā)電機(jī)多數(shù)采用離相封閉母線(xiàn)設(shè)計(jì)，完全避免了鋼構(gòu)發(fā)熱的問(wèn)題，但早期投產(chǎn)的發(fā)電機(jī)多數(shù)采用敞開(kāi)式母線(xiàn)設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)場(chǎng)溫度確實(shí)達(dá)到甚至超過(guò)規(guī)程規(guī)定的溫度，特別是當(dāng)這樣的溫度嚴(yán)重影響到發(fā)電機(jī)出口配電室內(nèi)其他重要設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)就可以采用這種辦法來(lái)解決。通過(guò)局部用鋁板封閉鋼構(gòu)減少磁場(chǎng)集中部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度從而達(dá)到降低過(guò)高溫度的效果，是解決此類(lèi)問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)可行的辦法。比方法投資很少，效果卻非常明顯，希望對(duì)同行有所啟發(fā)和幫助。