離相封閉母線可靠性與經(jīng)濟性提升關(guān)鍵技術(shù)研究

張水龍，張皖涵，王一凡，施衛(wèi)華，陸煒偉，吳根印，羅鎮(zhèn)城

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

漳州核電1、2號機組發(fā)電機的單機容量為1220 MW，定子電流達到28 986 A，發(fā)電機至主變壓器和高壓廠用變壓器之間的連接采用全連式離相封閉母線(以下簡稱：離相封母)。根據(jù)同行電廠重要經(jīng)驗反饋，離相封母存在因單點接地導致外殼感應電壓高、探頭故障頻發(fā)、風閥壽命嚴重偏低、風機可靠性低、智能防凝露裝置不可用等多項問題，系統(tǒng)整體設(shè)計存在較多待改進項，缺陷頻發(fā)，嚴重威脅機組的安全穩(wěn)定運行。究其根本原因為設(shè)備廠家在進行國外離相封母技術(shù)國產(chǎn)化的過程中，對系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理轉(zhuǎn)化存在一定偏差，導致設(shè)備在出廠時就存在“先天不足”。

為提升漳州核電1、2號機組離相封閉母線設(shè)備的可靠性以及經(jīng)濟性，結(jié)合研究同行電廠的經(jīng)驗反饋，在系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備制造階段做出改進，避免同類問題再次發(fā)生。

1 封閉母線接地方式選型分析

由于發(fā)電機出口大電流母線的周圍存在著強大的交變磁場，故位于其中的鋼鐵等磁性材料會由于渦流損耗而發(fā)熱[1]。為解決上述問題，容量在1000 MW及以上的發(fā)電機引出線采用全連型離相封閉母線，母線外殼的屏蔽作用能改善鋼構(gòu)發(fā)熱問題。但全連型離相封閉母線不同的外殼接地方式會影響環(huán)流分布，并影響外殼感應電壓大小，進而產(chǎn)生人身安全問題。為解決這個問題，國內(nèi)火電工程一般采用多點接地方式。

封閉母線采用多點接地方式亦存在一定的弊端，主要問題是母線外殼及鋼支撐件環(huán)流、發(fā)熱較為嚴重，為驗證該環(huán)流及發(fā)熱現(xiàn)象是否影響封閉母線系統(tǒng)的正常運行，特對采用多點接地方式的封閉母線外殼及鋼支撐件環(huán)流、發(fā)熱情況進行建模仿真，如圖1所示。

圖1 封母多點接地發(fā)熱仿真圖Fig.1 Heating simulation of the closed busbar with multi-point grounding

根據(jù)仿真結(jié)果可知，采用多點接地方式封閉母線外殼及鋼支撐件的環(huán)流、發(fā)熱情況在標準范圍內(nèi)，不存在明顯的發(fā)熱點，滿足設(shè)計要求。

近年來隨著涉外工程不斷增加，外方一般要求全連型離相封閉母線采用單點接地方式，國內(nèi)核電廠也有采用單點接地的方案。單點接地存在外殼感應電壓隨外殼長度增加而增大的缺點，有危及人身安全，需要謹慎選擇這種接地方式。當發(fā)生故障，比如三相短路時，短路電流一般是正常電流的10～30倍，則此時外殼感應電壓會升高，有可能會超過DL/T 5222—2005《導體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)程》第7.4.5條“當母線通過短路電流時，外殼的感應電壓應不超過24 V”的要求。同時，封閉母線采用單點接地方式，還需在母線外殼與鋼支撐件之間增加絕緣墊塊，由于需要采購的絕緣墊塊數(shù)量眾多，對封閉母線的經(jīng)濟性影響較大；采用多點接地方式則不存在此問題。

綜上，1000 MW及以上發(fā)電機組的離相封閉母線采用多點接地的方式在安全性方面滿足設(shè)計要求，且在經(jīng)濟性方面存在顯著優(yōu)勢，故漳州核電1、2號機組離相封母在設(shè)計選型時采用多點接地的方案。

2 封閉母線防凝露裝置可靠性提升

離相封閉母線由于其外殼封閉性、運行溫度較環(huán)境溫度高、絕緣密封件多等特點，主要有以下原因造成母線內(nèi)產(chǎn)生結(jié)露[2]：

1)溫差效應。機組運行時離相封閉母線的導體和外殼溫度較高，機組停運時導體和外殼溫度快速下降，同時母線內(nèi)空氣溫度也快速下降并接近環(huán)境溫度[3]，導致母線內(nèi)空氣溫度低于露點溫度，在母線外殼內(nèi)壁或者絕緣子表面出現(xiàn)結(jié)露。

2)潮氣入侵。機組的振動、土建基礎(chǔ)的位移、密封件老化、絕緣子更換后未有效緊固密封等因素會使離相封閉母線密封不嚴，導致外界的潮濕空氣侵入母線內(nèi)部。

目前國內(nèi)核電廠離相封閉母線防結(jié)露裝置主要有以下4種類型：

1)電加熱裝置。通過加熱裝置產(chǎn)生熱量，提高母線內(nèi)部空氣溫度，使空氣溫度高于露點溫度，達到防止結(jié)露效果。

2)熱風保養(yǎng)裝置。在離相封閉母線的充氣管路中加裝熱風保養(yǎng)裝置，在機組啟動前投入，將干燥的熱風通入母線內(nèi)部，置換出母線內(nèi)的潮濕空氣，從而降低母線內(nèi)部空氣濕度，降低空氣露點溫度，防止結(jié)露產(chǎn)生。

3)空氣循環(huán)干燥裝置：將離相封閉母線外殼內(nèi)空氣整體閉式循環(huán)至空氣循環(huán)干燥裝置，進行干燥凈化后再送回母線外殼內(nèi)，母線內(nèi)的空氣被連續(xù)干燥，不斷降低濕度；當母線內(nèi)空氣達到設(shè)定的濕度值時，設(shè)備停止工作。

4)微正壓裝置：在離相封閉母線外殼內(nèi)充入干燥、潔凈的空氣，并使母線內(nèi)的空氣壓力略高于外界大氣壓，起到氣封的作用，防止外界潮濕的空氣進入母線內(nèi)部，保持母線內(nèi)部濕度在較低水平。

國內(nèi)某核電廠離相封閉母線智能防凝露裝置采用微正壓設(shè)計方案，自帶空壓機用于保持系統(tǒng)壓力，調(diào)試人員進行封閉母線智能防結(jié)露裝置(BAC)單體試驗時，發(fā)現(xiàn)BAC裝置本體空壓機無法打壓至設(shè)計壓力(2500 Pa)，只能打壓至約700 Pa，無法向封閉母線提供可靠的微正壓氣源，不能實現(xiàn)循環(huán)除濕等設(shè)計功能。經(jīng)對比分析，如采用原始設(shè)計方案，漳州核電離相封閉母線也將存在相同的問題。因此，經(jīng)過詳細的分析論證后，提出如下設(shè)計改進方案：采用增加廠用氣源(儀用壓縮空氣系統(tǒng))方案進行BAC裝置廠用氣源接入設(shè)計改進。

具體設(shè)計原理如圖2所示，增加三只閘閥、一只減壓閥、一只壓力表、一只安全閥及相應管道可靠連接,安裝在相應位置，以儀用壓空氣源代替空壓機打壓氣源，以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟性。

圖2 智能防凝露裝置改進前后對比圖Fig.2 Comparison of the intelligent anti-dew device before and after improvement

綜上，采用儀用壓空氣源代替智能防凝露裝置自帶的空壓機系統(tǒng)，一方面大幅提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，另一方面也簡化了防凝露系統(tǒng)的設(shè)計、提高了設(shè)備采購的經(jīng)濟性。

3 封閉母線冷卻風機可靠性低分析

離相封閉母線強迫風冷系統(tǒng)的基本原理是利用離心風機和系統(tǒng)氣路通道形成循環(huán)氣流。在處于該循環(huán)通道中的母線本體外，設(shè)置“氣-水”熱交換器，對循環(huán)通道中的氣流進行熱冷卻處理。循環(huán)的基本路徑是：經(jīng)過熱交換器的冷空氣→A、C相母線外殼→母線上的三相外殼連接通道→B相母線外殼→熱交換器對熱空氣進行熱交換。如此循環(huán)往復，整套母線內(nèi)部就一直處于強迫對流冷卻過程。大載流狀態(tài)下的導體及外殼的溫度就被限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，如圖3所示。

圖3 國內(nèi)封閉母線典型冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.3 The schematic of the typical cooling system of domestic closed busbar

經(jīng)對同行電廠的經(jīng)驗反饋進行綜合分析，該系統(tǒng)存在以下問題：

1)發(fā)電機出線母線箱的冷卻風機安裝在封閉柜體內(nèi)部、且采用雙封式軸承結(jié)構(gòu)，大幅提高風機檢修的工作量及成本，風機軸承無法定期潤滑、更換，存在運行過程中燒毀的風險。

2)從各核電廠冷卻風機設(shè)計方案可以看出大部分核電廠冷卻風機電機布置在風箱內(nèi)，不具備在線測量振動和紅外測溫的條件，且如果電機PM周期設(shè)置不合理的話，一旦超出雙封軸承的維護周期，風機可靠性將急劇降低。

3)在風機啟動方式方面，根據(jù)原始設(shè)計方案，離相封母冷卻風機采用變頻器或軟啟動器的啟動方式，不僅增加了設(shè)備采購成本，且根據(jù)同行電廠實際運行情況，變頻器、軟啟動器故障率較高，降低了離相封母系統(tǒng)的整體可靠性。

4)為保證風閥整體的密封性，母線外殼上存在連桿密封結(jié)構(gòu)，存在易磨損卡滯的問題，故障率高且不易發(fā)現(xiàn)。

經(jīng)系統(tǒng)性研究，對漳州核電1、2號機組離相封母提出如下設(shè)計改進方案：

1)法蘭連接改為圓形橡膠套結(jié)構(gòu)。采用圓形管道接口及圓形橡膠套(如圖4所示)，并配裝緊固鋼帶，在管道接口處增加防脫環(huán)，防止脫離的同時也增加了密封性。

圖4 國內(nèi)封閉母線典型冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.4 The schematic of the typical cooling system of domestic closed busba

2)取消電動風閥，采用風動型三通閥動作單元的風力作用于風閥板上(如圖5所示)，相當于風閥的執(zhí)行動力，推動風閥板運動，起到隔離另一單元的作用，軸端的透明視窗可觀察風閥板的狀態(tài)、位置。檢修時采用手動方式，可以禁止自動切換，起到鎖定作用。

圖5 風動型三通閥Fig.5 Pneumatic three-way valve

3)風機布置改為開放式，電機挪到風箱外，便于巡檢和維修，供風狀態(tài)檢測采用流量開關(guān)方式，利用PLC整合風機狀態(tài)、風流量控制，并顯示于電控柜屏幕上，如圖6所示。

圖6 風機布置改進前后對比圖Fig.6 Comparison of the fan layout before and after improvement

4)增加設(shè)備檢修堵筒。設(shè)備長時間移出檢修時，可使用檢修堵筒進行封堵，不影響另外一列設(shè)備的正常運行，且有利于系統(tǒng)的防異物管控。

4 改進項

1)對1000 MW及以上發(fā)電機組的離相封閉母線外殼采用多點接地的方式；

2)采用儀用壓空氣源代替智能防凝露裝置自帶的空壓機系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，簡化防凝露系統(tǒng)的設(shè)計、提高了設(shè)備采購的經(jīng)濟性；

3)對發(fā)電機出線母線箱的風箱和風機布置方式進行重新設(shè)計，將冷卻風機電機布置至風箱外，風機仍布置在風箱內(nèi)，便于日常巡檢和維修，監(jiān)測電機的運行狀況；

4)將電機軸承由雙封軸承改為可加脂軸承，定期對軸承進行監(jiān)測、潤滑保養(yǎng)；

5)取消冷卻風機電機的變頻啟動系統(tǒng)，改為直接啟動的方式，其啟動特性滿足系統(tǒng)要求，且操作控制方便，維護簡單，可靠性和經(jīng)濟性提升的效果顯著；

6)離相封母的外殼，由法蘭連接改為圓形橡膠套結(jié)構(gòu)，并取消電動風閥，增設(shè)設(shè)備檢修堵筒，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；

7)冷卻風機布置改為開放式，增加電控屏，能夠顯示裝置的運行狀態(tài)、操作記錄、報警信息，并可進行參數(shù)調(diào)整。

5 結(jié)論

通過對離相封閉母線的可靠性及經(jīng)濟性提升關(guān)鍵技術(shù)進行研究，取得以下效益：

1)通過論證分析并進行設(shè)計改進，取消智能防凝露空壓機系統(tǒng)、冷卻風機變頻啟動系統(tǒng)、母線外殼絕緣系統(tǒng)，簡化系統(tǒng)設(shè)計，單臺“華龍一號”核電機組節(jié)省設(shè)備采購費用超過150萬元；

2)通過對離相封母及其附屬設(shè)備的可靠性進行系統(tǒng)分析并制定落實設(shè)計改進措施，提升“華龍一號”核電機組的運行穩(wěn)定性，對機組“減非?！?、防止非計劃降功率的貢獻以及由此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著。