风冷式封闭母线在岭澳核电工程中的实践

收稿日期!$%!+!$(文章编号!!#!$%$%#!!!&)!)风冷式封闭母线在岭澳核电工程中的实践姜鹤!广东省电力设计研究院广东广州&!((*$摘要!在分析强迫冷却式!简称风冷式$离相封闭母线技术特点的基础上根据大型核电站大电流&常规岛厂房尺寸不大的实际情况提出了岭澳核电站二期工程$台兆瓦级压水堆核电机组采用风冷式离相封闭母线的设计方案介绍了冷却系统&控制系统&母线接地方式和相关设备优化布置的设计思想%该设计方案为国内大电流风冷式离相封闭母线的设计应用提供了方向和思路%关键词!兆瓦级核电机组#离相封闭母线#强迫冷却中图分类号!M)($*’!!!!!文献标志码!D6FF5,&$-,()(/K(%&+6,%*((5,).A#(5$-+HF’$#E2#-(?,).T$(2&5$%0(1%C-$-,()0K$’(R5(F7+,;3+,&A59?8*9B3C58O56*,+K+6?*?F?5$(F7+,S:3F$(F7+,;3+,&!((*$:*+7#67#-%$&-!D765;3+7+7A=S*+,?:5?59:+*97A9:7879?58*6?*963@@3895;7*8933A*+,*63A7?5;!G:765IF6$7+;3+7993F+?3@?:5:*,:9F885+?3@A78,5+F9A578G3C586?7?*3+7+;?:5A*/*?5;6*S53@?:593+5+?*3+7A*6A7+;$?:5;56*,+69:5/5F6*+,@3895;7*8933A*+,*63A7?5;!G:765IF6*6G83G365;@38?C3/5,7C7??!A55A+F9A578G3C58F+*?6C*?:G8566F85C7?588579?38BP4#*+B:765KK3@Q*+,Z73’F9A578B3C58-?7?*3+’M:5;56*,+?:3F,:?3@933A*+,6=6?5/$93+?83A6=6?5/$IF6,83F+;*+,/3;57+;3G?*/*S5;A7=3F?3@85A57+?5JF*G/5+?*6*+?83;F95;’M:5;56*,+69:5/5G83*;5685@585+95@38?:5;56*,+7+;7GGA*97?*3+3@;3/56?*9:*,:!9F885+?@3895;7*8933A*+,*63A7?5;!G:765IF6’891(%+#!/5,7C7??!A55A+F9A578G3C58F+*?%*63A7?5;!G:765IF6%@3895;933A*+,!!岭澳核电站二期工程规划建设$台兆瓦级压水堆核电机组$发电机最大连续出力为!$#+)N$$发电机端额定电压为$)HN$发电机-变压器组采用单元接线$主回路封闭母线的额定电流高达*$’&H$&如此大的电流$对封闭母线提出了很高的要求$既要考虑厂房尺寸的限制$又要在满足温度和温升要求的前提下具有很高的载流量$并能安全)可靠地运行&可见$封闭母线的合理设计与选型$对确保大机组电站强大的电力输出及安全)可靠运行具有十分重要的意义&本文从工程实际应用出发$依托岭澳核电站二期工程的设计方案$总结强迫冷却式离相封闭母线的设计经验&!!封闭母线的选型封闭母线的额定电流大于+H$时一般都采用离相封闭母线$而离相封闭母线的选型主要是考虑冷却方式&离相封闭母线的冷却方式可以分为两类!自然冷却式以下简称自冷式#$以空气为介质进行自然冷却%强迫冷却式以下简称风冷式#$用冷却介质进行强迫冷却&无论哪种冷却方式$在额定载流的情况下$金属封闭母线最热点的温度和温升的允许值都必须满足文献’!(的要求$数据见表!&由于是根据温升来选择母线的$在此限制下$导体的载流量与设备的制造水平密切相关&根据文献’$($当离相封闭母线的额定电流小于$&H$时$封闭母线的冷却方式宜采用自冷式%当离相封!第$$卷第!!期广东电力N3A’$$’3’!!!!$%年!!月:;6:4=:?*@!A*0=B!’3’$%!表!!金属封闭母线最热点的温度和温升值金属封闭母线部件最高允许温度+W最高允许温升+[导体%&螺栓紧固的导体或外壳的接触面镀银#!&(&螺栓紧固的导体或外壳的接触面不镀银##*外壳及支持结构#*闭母线的额定电流大于$&H$时$可采用风冷式&事实上$世界各国对主封闭母线冷却方式的选择并没有统一的标准$欧洲各国选择在$&H$左右过渡$而美国和日本的过渡电流为!&H$&另外$冷却方式的选择往往也取决于母线在电站中的布置和结构尺寸&与自冷式离相封闭母线相比$采用风冷式离相封闭母线可以大大减小封闭母线的外形尺寸$节省土地$节约土建成本数亿元$经济效益非常显著%此外$受限于大型核电厂常规岛的空间尺寸要求$也需要采用风冷式离相封闭母线新技术&岭澳核电站二期工程的主回路额定电流高达*$’&H$$而且$由于受常规岛空间尺寸的限制$离相封闭母线穿出常规岛侧的南山墙两柱之间的跨距仅为+/$自冷式离相封闭母线无法满足厂房的尺寸要求$因此$岭澳核电站二期工程的离相封闭母线采用风冷式离相封闭母线&$!岭澳核电站二期工程风冷式离相母线的设计思路及方案!!岭澳核电站二期工程的设计是在参考岭澳核电站一期工程的基础上$消化)吸收了国外的设计理念和技术$结合经验反馈)新技术应用和核安全发展的要求$进行适当的改进$使其在设计上更为经济)合理$是我国自主品牌核电技术B4!示范工程$在我国核电发展中具有承上启下的作用&$#!!主封闭母线特性参数在充分考虑了各种技术因素和要求后$确定了岭澳核电站二期工程主封闭母线的主要技术参数&额定正常线电压为$)HN.!:&T#$系统最高电压设计电压#为$+’+HN%在绝缘水平方面$!/*+额定工频耐受电压为+HN$额定雷电冲击耐受电压峰值#为!+&HN%对于发电机侧短路电流$峰值为)%&H$$初始对称值为!+*’(+H$$)/6交流对称值为!*#’)H$$)/6时直流分量百分数为!+T%对于系统侧短路电流$峰值为)*H$$初始对称值为!(#’%*H$$)/6交流对称值为!%$H$$)/6时直流分量百分数为#(T%!:连续运行最大)最小频率分别为&$’$RS及))’!+RS%导体材料为铝$圆管$外直径#&//$横截面积*(+%&//$%外壳材料为铝$外直径!’*#/$厚度%//$横截面积*+)+!//$&$#$!冷却系统选择及考虑风冷式封闭母线的空气冷却采用闭式系统$即空气在封闭母线中受热后进入冷却器$冷却后又返回封闭母线$循环使用&闭式系统分单风系统和双风系统&单风系统是指母线导体中只有外表面与空气流直接接触$即只有单面风冷却$需要配置相间消离子系统&双风系统是指母线导体内)外表面都与空气接触$即双面风冷却$双风系统不需要相间消离子系统$但风机和冷却器的数量比单风系统多&岭澳核电站二期工程采用了单风系统$有效地减少了风机和冷却器数量$降低了电能损耗%同时$在封闭母线冷却时$空气-水换热器的冷却介质来自除盐水冷却系统的除盐水$既综合利用了冷却除盐水$又提高了整个系统的冷却效率&纯净的干燥空气在厂用仪用空气系统中降至合适的压力后$通过管道连接至风冷装置&风冷装置的压力系统是微正压装置$在离相封闭母线外壳内部产生一个略高于外部大气压的干燥气压差$使外界环境中的潮气)灰尘)盐雾等不能侵入离相封闭母线的外壳内$使绝缘子)外壳与导体间的工作环境始终保持洁净)干燥状态$提高了封闭母线的整体健康运行水平&$#!控制系统设计及控制原则为确保风冷式封闭母线安全)可靠地运行$每一套风冷装置至少由$个!T额定负荷运行的风扇和换热器组成$当某一风扇或换热器#出现故障时能自动转换到另一个风扇或换热器#运行&当整个风冷系统故障或风冷装置退出运行时$相当于采用自冷式$母线应可继续在额定出力运行!:而无永久性损坏%如超过!:$系统需减负荷运行$控制好机组出力$确保母线运行电流不超过!#H$&风冷装置配置一套控制系统$对主封闭母线和风冷系统的各种运行状态进行监控)报警和自动切&&!第!!期姜鹤!风冷式封闭母线在岭澳核电工程中的实践换&各种运行状态包括正常运行)特殊稳态运行包括带厂用电运行)发电机终端外壳通风故障时运行)冷却器故障时运行#)特殊瞬态运行包括负荷切换)特殊的电压和频率条件)稳态电压)短路故障#)启动和正常停机&控制系统的基本控制原则是!发电机出口断路器合闸后$相关辅助系统被激活$并自动启动%当一台运行的风冷装置的风扇故障时$可自动切换到另一台备用的风冷装置$不影响发电机的输出%风冷系统故障全停后$在维持!:最大额定输出后$其额定出力将降低%空气温度由传感器检测$当温度过高时发出报警&$#’!母线接地及绝缘封闭母线的外壳要与周围钢铁架绝缘隔离$每个单相在以下地方连接在一起!末端)发电机附近)主变压器)高压厂用变压器)励磁变压器和电压互感器柜&!*发电机中性点柜%$*终端箱冷却装置%**电压互感器柜%)*励磁变压器%&*风冷装置%(*发电机出口断路器%#*电流互感器控制箱%+*微正压控制箱图!!离相封闭母线断面布置图外壳仅在发电机端部一点接地$以使外壳上感生的环流与母线导体上流过的工作电流反相$外壳以外为无电磁安静环境&$#-!离相封闭母线及相关设备的整体布置岭澳核电站二期工程常规岛内运转层为!(’!#/$中间层为(’$/$主机布置在运转层$主封闭母线及其附属设备布置在中间层&在设备布置设计时$分析论证了多个方案$统筹考虑了常规岛(’$/层的土建结构)设备的外形尺寸)运行检修空间)接线顺序$特别是冷却装置的位置对效率的影响等因素$最终的布置方案如图!所示&$’&’!!离相封闭母线离相封闭母线安装在汽轮机房的南端$根据主机在常规岛内的布置位置$最终确定发电机出线端子标高为!$’&$/$并考虑到端部出线小室的高度空间$确定主封闭母线中心高度为!’/$与汽轮发电机成一直线$其主要母线段是支撑在汽轮机房(’$/层上$并穿过汽轮机房南山墙进入变压器场区$然后母线分开形成三角形连接$并分别与主变压器的三个单相终端接上&$’&’$!发电机端部出线小室为了达到三相隔离$采用独立的出线小室&母线与发电机终端的连接采用软连接方式$发电机端部出线小室安装在发电机底部的出线端子处&$’&’*!发电机出口断路器发电机出口断路器置于离相封闭母线的线段中间$安装在一个钢结构平台上$该平台则支撑在汽轮机房的(’$/层地面&发电机出口断路器的控制柜也安装在此平台上&$’&’)!励磁变压器)电压互感器柜等设备考虑主封闭母线中心高度为!’/$封闭母线外径为!’*#/$封闭母线最下侧距离地面约*/$并根据主接线的顺序及厂房的结构)各个设备的尺寸)需要预留的检修空间等$选择将励磁变压器)电压互感器柜等设备按照图!布置在主封闭母线下面$各设备的就地控制箱布置在(’$/层主封闭母线旁的柱上$便于操作&$’&’&!风冷装置的布置岭澳核电站二期工程设置$套风冷装置$一套用于发电机终端冷却开式循环#$一套用于离相封闭母线冷却闭式循环#&发电机终端冷却装置放置在发电机出线处下方的(’$/层上$为出线小室(&广东电力第$$卷!提供单独的通风冷却$既可防止在氢泄漏时发电机接口密封处积累R$$也可给电流互感器散热&而离相封闭母线冷却装置的布置则是通过建立冷却系统模型)传热分析及热平衡计算$并综合考虑设备的尺寸)钢柱的位置)接线的顺序等因素$以效率最高为目标最终确定的$如图!所示&*!结论随着高电压)大电流兆瓦级机组的推广建设$特别是核电事业的蓬勃发展$风冷式离相封闭母线的应用将会越来越广泛&如何充分发挥风冷式封闭母线的技术优势$完善该技术应用中的关键环节$对国内电力设备制造)设计研究等行业提出了挑战&本文对岭澳核电站二期工程中大电流风冷式离相封闭母线的应用研究$为国内大电流风冷式离相封闭母线的设计应用提供了方向和思路$对国内同类项目具有一定参考和借鉴价值&参考文献!’!((D+M+*)%*$$金属封闭母线’-(’(D+M+*)%!$$)5?7A!5+9A365;DF6’-(’’$(OQ+M&$$$*$&$导体和电器选择设计技术