电厂全绝缘浇注励磁母线选型分析

曹 霆 徐国祥

（国电江苏电力有限公司谏壁发电厂，江苏 镇江 212006）

摘要 针对励磁系统共箱母线存在易结露、绝缘降低等问题，本文对谏壁发电厂两台330MW机组励磁系统改造时选择使用全绝缘浇注母线作为励磁母线，进行了深入分析，从其技术参数选型验证及仿真分析等方面论证其在励磁改造中的安全可靠性，为全绝缘浇注母线在发电厂励磁系统的应用提供借鉴。

关键词：电厂；全绝缘浇注母线；选型；分析

Selection and analysis of all insulated pouring excitation bus

in power plant

Cao Ting Xu Guoxiang

(Jianbi power plant of Guodian Jiangsu Power Co., Ltd, Zhenjiang, Jiangsu 250200)

Abstract In view of the problems of easy condensation and insulation reduction of the common box bus in the excitation system. This paper analyzed on the excitation bus of two 330MW generator excitation system during the rehabilitation of the excitation system of the Jian Bi power plant deeply. And demonstrated the safety and reliability of the excitation rehabilitation from the selection and verification of technical parameters and simulation analysis.It can be used for reference for the selection of all insulated pouring bus in power plant excitation system.

Keywords：power plant; all insulated pouring bus; selection; analysis

励磁系统对发电机组运行的可靠性、电力系统壳体积小，维护难度和工作量大，现场处理较为困

[1]

的稳定性有着重要的作用。为了改善发电厂励磁难且花费时间较长，影响机组正常起动。 母线易受潮以及绝缘低等现象，引入全绝缘浇注母

2 改造方案

线，其绝缘层采用复合绝缘材料浇注而成，具有优越的电气绝缘性能[2]，投运后不受环境因素影响。为了彻底消除上述问题，决定对励磁母线进行本文从全绝缘浇注母线主要技术参数选型验证，论改造。调研了解到浇注母线是一种固体绝缘母线。证浇注母线在励磁系统改造应用中的安全可靠性。 固体绝缘材料由多种无机矿物、环氧树脂及固化剂

1 励磁母线运行中存在的问题

国电江苏电力有限公司谏壁发电厂11号、12号两台330MW机组的励磁采用共箱母线布置。由于环境温差、密封件老化导致密封性相对较差，两台330MW机组的励磁母线在机组负荷发生变化、起停机或外界环境发生变化时，易发生母线内部结露现象，加上内部污秽物沉积，降低了母线的绝缘性能，给机组安全运行带来隐患。起机前需开展共箱母线内部结露、污物的清除工作，方能满足起机要求。但由于励磁母线尺寸为400mm×600mm，外

按一定比例真空混合搅拌浇注成型。环氧类固化物具有优异绝缘性能和韧性，无机填料大幅度提高了固化物强度、硬度和导热性。

全绝缘浇注母线为固体绝缘母线，不存在内部结露情况，从根本上避免了励磁母线结露现象[3-5]。因此，由环氧树脂与固化剂混合物可有效满足母线电气和机械性能，从而彻底解决母线内部结露，绝缘降低的问题。

3 技术参数选型

电气设备通过电流时将产生损耗，包括载流导

210

2018年第8期

体的电阻损耗、载流导体周围金属结构件处于交变磁场中所产生的磁滞和涡流损耗、绝缘材料内部的介质损耗等，这些损耗都将会使电气设备的温度升高[6-8]。温升过高将对设备产生不利影响。

同时，导体还受到电动力的作用。如果电动力超过允许值，将使导体变形或损坏。由此可见，发热和电动力是电气设备参数选型中必须注意的问 题[9-10]。

国电江苏电力有限公司谏壁发电厂11号、12号两台330MW机组励磁浇注母线是技术参数拟初步选型见表1。

表1 技术参数选型

序号 名称 参数 1 额定电压/kV 1 2 频率/Hz 50 3 连续电流/A 3150 4 3S热稳定电流/kA 68.8 5 动稳定电流（峰值）/kA

185 6 导体材料 铜排 7

导体规格

160×8 8

全绝缘浇注母线外形尺寸/mm2

355×210

3.1 全绝缘浇注母线热平衡计算

全绝缘浇注母线在运行时，母线导体载流时由于电阻存在而产生热量，该热量通过热传导的形式传递给包覆在母线导体外表面的绝缘层，最终通过绝缘层外表面以对流及辐射换热的形式传递给周围环境，在热平衡的情况下，母线导体的发热量等于母线外表面对流及辐射热量之和。

1）母线导体发热量[11]Pm

Pm=Im2

rmoKfm （1）

式中，Im为母线额定电流；Kfm为母线导体的集肤效应系数；电阻rmo=ρ20×[1+0.004×(tm−20)]/Sm，

ρ20为铜排20℃时的电阻率，取0.0174Ω/mm2

，Sm 为导体截面积，160×8mm2，tm为导体运行温度。

2）全绝缘浇注母线外表面对流散热[11]Qkd 

Qkd=αkdF(tk−t0) （2）

式中，αkd为对流换热系数（W/m2·℃）。

励磁母线位于户内，对流条件为自然对流，该状态下空气自然对流散热系数为

αkd=1.5(tk−t0)0.35

其 他

式中，t0为环境温度；tk为母线绝缘体外表面温度。

3）全绝缘浇注母线外表面辐射散热[11]Qkf Q=ε⎡⎛t+273⎞4⎛t+273⎞4⎤

kf

kc0F⎢⎢⎣⎜k⎝100⎟⎠−⎜0⎝100⎟⎠⎥⎥(1−ϕ) ⎦

（3）

式中，εk为辐射表面的黑度，取0.95；c0为黑体的辐射系数，c0=5.67(W/m2⋅K4)；F为母线外壳单位长度的面积，1.13m2；ϕ为角系数。

工程计算时，环境温度取40℃，对于全绝缘浇注母线，当

Qkf+Qkd−Pm

P＜4%时，即表示母线已

m

达热平衡，对应的tm和tk为母线运行时导体及绝缘体外表面最终温度。

实际计算时，分别设定母线外壳和导体处在某一温度，如tm=85℃，求得母线导体发热量、绝缘体温差、母线外表面散热量，比较后对设定温度进行调整，运用计算机，采用逐次逼近法编程计算，可求得满足热平衡的tm和tk。

采用逐次逼近法，交流励磁母线计算结果见表2。

表 2

母线导体温度/℃

84.7 温升/K 44.7 母线外壳温度/℃

68.0 温升/K

28.0 损耗值/W

610

温度及温升要求见表3。

表 3

全绝缘浇注母线

允许温度/℃

允许温升/K

导体

90 50 全绝缘浇注导体接头

105 65 母线绝缘体外表面

70 30 可见，母线选型满足母线安全运行要求。 4）母线电磁场、损耗仿真

全绝缘浇注母线温升计算同样是满足母线损耗与外散热相互平衡关系。热传导、辐射散热和对流散热这3种散热方式均有成熟理论公式直接进行计算[11]，但是母线三相导体损耗主要依据经验公式进行计算。由于母线采用矩形导体、相间距相对较小，在交变磁场影响下电流分布不均匀，导致母线损耗增大。鉴于此情况，针对额定电流3150A交流母线

2018年第8期 211

其 他 进行电磁仿真分析，通过对磁场和损耗分析，进一步验证设计选型。 通过Magnet电磁分析软件，网格化标准段进行仿真分析计算，母线磁场强度分布云图如图1所示。 （a）网格化标准段 （b）磁场强度分布 图1 母线磁场强度分布云图 导体上下两端磁场强度最大，由于磁场导致的集肤效应和临近效应影响着母线电流分布和导体损耗分布，母线导体损耗分布云图如图2所示。 图2 母线损耗分布云图 可见，损耗也主要集中在导体上下两端，与磁场强度分布保持一致。 三相导体损耗值见表4，三相交流损耗基本一致，总和612W，但相对直流电阻损耗，由于交变磁场影响导致母线损耗增加约20%。 表4 母线三相导体损耗列表 导体 损耗/W A 202.777241 B 205.6961951 C 203.2039306 212 2018年第8期 损耗值仿真结果与前文程序计算结果610W损耗吻合，设计选型合理。 3.2 短路电动力母线强度校核 浇注母线正常运行时，由工作电流引起的导体间相互作用力较小，但在发生短路故障时，短路冲击电流将产生较大的电动力，必须保证发生短路时母线免于电动力破坏。发生三相短路时产生电动力要大于两相短路，且中间相短路电动力大于边相短路电动力，故设计时仅需按最大短路电动力进行计算。根据浇注母线结构形式，将其简化为多跨简支梁支撑结构进行强度校核。 1）短路电动力[1] Fmax=1.73×10−71aich2β （4） 式中，Fmax为最大短路电动力；ich为动稳定电流（峰值），取185kA；i为该段导体长度，取2m；α为两根导体轴线间的距离，150mm；β为动态应力系数，取1.05。 2）强度校核[1] ⎧⎪M1max=FmaxL2⎪⎪8⎨ （5） ⎪σb=Mmax⎪W⎪⎩σb≤[σ]式中，Mmax为最大弯矩；L为均布载荷简支梁跨距，2m；W为浇注母线抗弯模量，9.15×105mm3；σb为最大弯曲应力；[σ]为材料许用应力，查表得40MPa。 经计算，本母线参数选型的结果如下： 最大短路电动力：82893N。 最大弯曲应力：22MPa＜[σ]。 满足母线安全运行要求。 3.3 全绝缘浇注母线热稳定校核 由于发生短路的时间很短，一般不超过几秒钟，短路电流引起导体发热不考虑传导给绝缘材料，即假设导体是绝热状态，短路电流在导体中产生的热量完全用来使导体温度升高。 导体短路时温度计算 θI2ρk=CγS2tk （6） 式中，θk为导体短路时温度；I为短路电流，取70kA；ρ为导体电阻率；C为导体比热容；γ为导体的比重，115kg/m；S为导体的截面积；tk为短路其 他

时间，取4s。

经计算，本母线参数选型的结果如下： 

1）交流励磁母线导体温度及温升：133.8℃/ 54.6K。

2）浇注母线铜排短路允许温度及温升：300℃/ 210K。

计算结果显示该规格全绝缘浇注母线完全能够满足工程参数及安全运行要求。

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4 结论

从上面的分析可以看出，国电江苏电力有限公

司谏壁发电厂励磁母线改造所选用的全绝缘浇注母线是理想可靠的，满足相关技术参数要求。全绝缘浇注励磁母线具有优良的绝缘性能，散热性能好、防腐防潮、占用空间小、便于布置安装等优点，可有效解决原励磁母线结露、绝缘性能降低的问题。

全绝缘浇注母线免维护的特性，降低了后期维护成本，保证设备安全可靠运行，保障系统安全稳定。相信全绝缘浇注母线在励磁系统及其他金属封闭母线改造中都将得到广泛的运用。

参考文献

[1] 熊信银. 发电厂电气部分[M]. 3版. 北京: 中国电力

收稿日期：2018-03-23 作者简介

曹 霆（1979-），男，江苏省镇江市人，工程师，主要从事发电厂设备管理工作。

出版社, 2004.

中科院外籍院士王中林获世界能源领域“诺奖”

从中国科学院北京纳米能源与系统研究所获悉，中科院外籍院士、该所所长王中林23日荣获享有世界能源领域“诺贝尔奖”之称的埃尼奖（Eni Award），是迄今为止获此殊荣的第一位华人科学家。该奖与计算机界图灵奖、数学界菲尔兹奖等并称为领域性最高奖项。

王中林是国际公认的纳米科学与技术领域的领军型科学家，位居全球纳米领域H指数及学术影响力第1名。根据谷歌学术搜索（Google Scholar）6月的公开数据，王中林的学术论文被引用16.15万次以上，被引用H因子达207。其科研成果丰硕，在国际一流刊物上发表1500多篇论文（其中发表在《科学》《自然》及其子刊上文章

40余篇），拥有200项专利。

埃尼奖组委会科学委员会最终决定，将2018年度埃尼“前沿能源奖”授予王中林院士，奖金为20万欧元（折合人民币153万元），以表彰他首次发明纳米发电机、开创自驱动系统与蓝色能源两大原创领域，以及将纳米发电机应用于物联网、传感网络、环境保护、人工智能等新时代能源领域等先驱性重大贡献。根据组委会安排，埃尼奖颁奖仪式将于10月22日在罗马市奎里纳尔宫举行，届时意大利总统马塔雷拉及意大利埃尼集团董事长、首席执行官等公司高管将出席颁奖仪式。

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