【doc】 主变压器低压套管出线连接过热分析及建议

【doc】 主变压器低压套管出线连接过热分析及建议 主变压器低压套管出线连接过热分析及建 议 第25卷 2005钜 第3期核科学与工程 9月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineering Vo1.25NO.3 Sep.2005 主变压器低压套管出线连接过热分析及建议 钟浩文,于庆斌,张小重,高超 (大亚湾核电运营管理有限责任公司维修部,广东深圳518124) 摘要:主变压器低压套管出线连接白投运以来多次发生过热现象.根据故障现象,多方面分析故障原 因,并提出改进建议. 关键词:主变压器;套管导电板;软连接;过热 中图分类号:TM407文献标识码:B文章编号:0258—0918(2005)03—0201—06 Analyzethereasonofoverheatinlow’voltagebushingoutgoingline connectionsectionofthemain—transformerandproposal ZHONGHao—wen,YUQing—bin,ZHANGXiao-zhong,GAOChao (MaintenanceDepartment,DayaBayNuclearPowerOperationsandManagementCo.,Ltd., ShenzhenofGuangdongProv.518124,China) Abstract:Sinceputthemain-transformerintooperation,theoverheatfaultha dhappened manytimesinit’Slow-voltagebushingoutgoinglineconnectionsection.Accordingto thephenomenonoffault,thereasonoffaultinmanywayswasanalyzed,andanim— provableproposalwasputforward. Keywords:main—transformer;bushingconductorboard;soft—connectio n;overheat 1主变压器低压套管出线连接过 热事件回顾 1995年4月201大修和1996年4月102 大修期间,先后发现1,2号机组主变压器低压 套管出线连接过热,几乎每相都存在过热现象. 维修部电气处对铜软编线(以下简称软连接)进 行了更换,并对套管导电板和过渡板的接触面 进行了处理. 201大修后,用红外热像仪对2号机组主 变C相X,X低压套管出线连接部件进行测 温,最高点温度达160?,位于过渡板与软连接 的连接部位. 1996年1O月202大修期间,再次发现绝 大部分低压套管出线连接过热. 在203/103大修期间,为了解决主变压器 低压套管出线过热问题,对主变压器低压套管 仓室的冷却方式进行了改造,利用SAT系统的 收稿日期:2005—03—30;修回日期:2005—06—06 作者简介:钟浩文(1964一),男,广东五华人,高级工程师,硕士,从事核 电站电气维修工作 2O1 干燥压缩空气对主变压器低压套管仓室内进行 强制风冷,同时改造后每年对连接部件进行处 理,之后没再发生过热.直到109大修期间,主 变压器A相X/X均再次出现过热,两套管共 48根软连接均有不同程度变黑.经讨论,对 X的其中14根进行了更换.主变压器投运 后,发现A相X仓室外壳温度明显偏高(见 1).在接地人孔处对软连接内部进行测温,温 度达183?. 表1A相低压套管仓x.和x2外壳相同部位温度对照 Table1Relativelythetemperatureonthesamepart ofthecaseoflow-voltageductroomXI andRoomx2inphase”A”? 2主变压器低压出线连接的结构 主变压器是三台单相变压器组,低压套管 经软连接与母线IPB板连成三角形(见图1), 高压侧是星形连接,形成YNd一11.低压套管 由8块导电板引出,导电板与套管是焊接连接. 由于导电板的设计与软连接不匹配(原因不 明),加装了过渡板,以满足每块导电板连接3 根软连接(共24根).套管导电板与过渡板由 4个M16螺栓连接,每根软连接与过渡板或母 线IPB板由2个M12螺栓连接(见图2).套 管导电板的材料是铝合金,表面镀银,软连接经 过搪锡处理(新备件没有搪锡),过渡板和母线 IPB板均是铝金属. 3主变低压出线过热的原因分析 经过若干次的过热处理,特别是109大修 后发生过热,经试验,测量,处理和分析,过热点 主要发生在连接部位,具体分析如下. 202 W c相B*HA相 图1主变压器低压接线端连接 Fig.1Connecttoterminalofthe main-transformerlow—voltageoutlet 软连接 过渡板 套管导电板 图2低压套管出线端连接 Fig.2Connecttoterminal ofthelow-voltageductoutlet 3.1过热的主要原因分析(设计和维修两个方 面) 3.1.1低压套管设计容量裕度偏小 1)主变压器低压套管仓室未通入干燥空 气前载流量估算 根据国家标准GB763—9O规定,铝或裸铝 合金在长期工作时的发热最高允许温度为90 ?,电力变压器周围空气温度按4O?计算l_1]. 每个低压套管导电板载流量估算如下(低 压套管仓室尺寸见图3): (1)交流电阻R的计算 1000rn长铝合金导体的直流电阻计算公 式为: 尺dc一1ooo 式中:.为2O?时铝合金的电阻率,0.0379n? rnlTl2/rn;a为铝合金的电阻温度系数, 0.0042/?;t为长期工作允许发热温度, 6oOmm l330mm 图3低压套管仓室 Fig.3Theroomofthelow-voltageduct 9O?;S为套管导电板的截面积,12omm×25 mm. 代入上式得:Rd一O.0163Q. 根据?一55.38,及b一25一5,查得 矩形导体的集肤系数Kt一1.2. 式中:b为套管导电板载流截面的宽度,25 mm;h为套管导电板载流截面的长度,120 mm;,为交流电源频率,50Hz. 每m长导体的交流电阻为: R一1.2×0.0163×10,一0.0196×1O(Q) (2)自然对流换热量Q的计算 Q1一口1(—t0)F1 式中:a为对流换热系数;t.为变压器周围空 气温度;t为长期工作允许发热温度,9O?;F 为每m长导体对流换热面积. l一1.5(t一t0).?.一1.5(90—40).?.一 5.898(W/m??). 考虑低压套管导电板内侧对流条件差,不计有 效面积,故 F1_A1+2A一+2_o.17(m) 代入上式得:Q1—5.898×(90—40)×0.17— 5O.133(W). (3)辐射换热量Ql的计算 Q-s.7e[(),()] 式中:F为每m长导体的辐射换热面积;e为 铝导体的辐射率,e=0.055. E一2(A1+A2)一2(+)29(mz) 代入上式得:Q一5.7XO.055l\273 1o + 0 90~ /一 (273+40)]X0.29_7.o6(w). (4)单个套管导电板的载流量,的计算 ,一 ?一_/5.0.133+×7.063708(kA)0019610-’R.×., 低压套管总的载流量为:一8J一1.708× 8—13.7(kA). 封闭母线设计额定载流量27kA(含厂用 电),即三角形连接的主变压器低压侧的线电流 27kA,那么单一低压套管的额定载流量最小 应达到15.59kA,低压套管设计额定载流量是 16kA(最高允许温度120?).从上面计算可 见,在允许最高温度达9O?时实际载流量只有 13.7kA,并且未考虑邻近效益和太阳辐射的 影响,否则,载流量还要减小.在正常运行状态 下,主变压器低压侧运行的线电流是24kA,即 低压套管实际运行电流是13.86kA.显然,在 正常运行状态下,自然对流换热,就算不考虑接 触面的影响,套管导电板的温度也会超过 9O?,必然引起螺栓连接的接触面温度较高氧 化,使得接触电阻增大,接触电阻增大又使接触 面温度继续升高,造成恶性循环(简称螺栓连接 的接触面过热的恶性循环). 最初的两次大修在厂家指导下处理接触 面,也解决不了低压套管出线连接的过热问题, 造成低压套管漏胶和损坏,软连接发黑. 2)主变压器低压套管仓室通入干燥空气 后载流量估算 低压套管仓室改造通入干燥空气强迫风冷 后,载流量提高,估算如下: 强迫对流换热量Q的计算 由图3知,导体直径D为600mm; 通风截面的直径为1330mm; 通风量为200m./h; 风速V一LUU一0?126(m/s); 兀I—』 2O3 空气导热系数,在20?时,一2.52× 1O(W/m??); 空气的运动黏度系数,当空气温度2O? 时,一15.7×10(m/s); 努谢尔特准则数N一0.13f1; 风向与导体形成角度一45.,修正系数卢 的计算公式为: 卢一0.42+0.58(sin45).一0.84 根据经验公式得: Q一o.13()tm--to O.13()×3.14×2.52× 106.96(W) 1O×5O×0.84— 单个套管导电板的载流量J的计算 J一 ?__/1.06.96-t×-7.06i412(kA)0019610-R.×. 总的载流量为:I总一8I一2.412×8—19.3 (kA) 进一步估算,在正常运行的状态下,假定接 触良好,不考虑邻近效应和太阳辐射,按低压套 管实际运行电流13.86kA估算,套管导电板 的温度应在7O,80?左右.这与投运一周后 测量结果相吻合.但是,效果的好坏与通人冷 却的空气流量和太阳辐射息息相关.空气流量 越大,太阳辐射越小,效果越好.不过现场的不 利因素还有:一方面,主变压器风冷的冷却器安 装在防火墙侧,冷却器进风温度就不低,出风口 又刚好对着主变低压套管仓室外壳;另一方面, 低压套管一端浸在主变压器顶部油箱内,这部 分油不参与强迫循环冷却(装了挡流板,只能自 然循环),温度不低于6O?,而上述计算是按环 境温度4O?计算.因此,改造后,低压套管载 流裕度仍偏小,运行温度高容易引起螺栓连接 的接触面发热. 3.1.2低压套管导电板与过渡板连接的接触 面面积设计偏小 低压套管导电板接触面长120122122,宽 80mE,与过渡板螺栓连接有4个直径18mE 的孔,即低压套管导电板与过渡板的有效接触 面面积A为: 2O4 A一120×80—7cf1—8582(mE)\, 低压套管导电板载流面积A一120×25— 3000(mE.) 比例为:A:A一8582:3000—2.86:1 合理的设计一般接触面载流面积比导体载 流面积大5,8倍,在导体载流面积已经偏小的 情况下,设计的接触面面积更加不足,增加了接 触面接触不良的概率,降低了可靠性. 要提高其性能,只有依靠短周期的维修和 良好的维修技能.但随着对接触面的打磨处 理,低压套管导电板的载流面积会越来越小. 3.1.3维修存在缺陷 虽然作过主变低压软连接仓过热改造,增 加通风冷却,但不能根本解决由设计不足带来 的问题,只能依靠良好的维护来维持设备的健 康运行. 2003年8月16日处理1号主变压器A相 X仓过热时,发现如下几个现象: 1)8块过渡板与低压套管导电板接触部 分偏上位置均出现硫化腐蚀斑点,过渡板表面 相应部位形成凹坑(见图4); 2)低压套管导电板接触面边缘下凹(俗称 “飞边”),且从过渡板接触面上导电膏的痕迹 看,表面并没有全部接触,估计有效接触面积减 小2O; 3)低压套管导电板与过渡板连接的螺栓 孔边缘发黄,说明有效接触面积减小后,螺栓也 参与导电,有过热迹象(见图4); 4)低压套管导电板与过渡板连接的接触电 阻最小15FD,,最大305Q(标准为小于10m) 5)大部分软连接发黑,并且低压套管导电 板与过渡板连接的接触电阻小的,相应的软连 接也更黑; 6)接触面的导电膏干枯; 7)力矩检查犬部分松动. 从上述现象分析,上次大修对主变压器低 压出线连接接触面未处理真正故障接触面,紧 固力矩不足,有效接触面积减小,氧化,温度升 高,造成螺栓连接的接触面过热的恶性循环,引 起主变压器A相X低压出线连接过热. 图4拆下的过渡板 Fig.4Theconnecterhadbeendismounted 3.2主变压器低压出线连接过热的其他原因 分析 大电流母线的连接应尽量采用焊接连接, 只有需要拆装的接头以及与设备连接的接头才 采用螺栓连接.虽然导体(铝,铜)可在较高温 度下使用而不影响其机械强度,但是容易造成 螺栓连接的接触面过热的恶性循环,导致接触 部分损坏.因此,电接触面的氧化问题就成为 限制母线温度的主要因素.母线允许温度85, 9O?,限制因素就是螺栓连接.接触面镀银, 允许的温度可提高至105?_2].由于只有低压 套管导电板镀银,因此运行温度也应该控制在 9O?以内.引起主变低压软连接仓室内电连 接过热的其他原因有: 1)低压软连接仓室内螺栓连接接头过多 主变低压套管经过渡板,软连接接至母线, 有3个螺栓连接的接头.由于套管导电板接触 面小,增加过渡板,这就使每个导电支路增加了 一 个螺栓连接的接触面,也就是增加了一个发 热点,使总的发热量增加,也增加了一个故障隐 患点,属设计不合理.虽然套管导电板镀银,但 是多次接触面的打磨处理,难免磨损,特别是过 热后处理.就算改造增加通风冷却,但风速不 大,且接上软连接后,形成笼网状,内侧对流换 热条件差,难以有效散热,导体局部温度就很可 能超过允许温度,引起接头接触面过热的恶性 循环. 2)导电支路电流分配不均 主变低压套管通过8块导电板流通16kA 电流,理想的情况下,每块导电板流通2000 A,这对减小集肤效应是有好处的.但是,如果 某一个或几个连接接触不良或导体局部过热, 其接触电阻增大后,就会造成各支路电流分配 不均,存在某支路超过允许的载流量,其运行温 度也就超过允许值,引起电连接接触面过热的 恶性循环. 3)螺栓松动 主变压器经过一个周期的运行后停机检 修,电连接的接触面通过大电流后再冷却,接触 面产生变形引起螺母紧固力矩不足.另外,长 期在振动状态下运行,也会引起螺栓松动.螺 栓松动,电连接接触不良. 4)铜铝直接连接 软连接与套管导电板或母线IPB板的连 接均为铜铝直接连接.两种不同电介质金属直 接接触,特别是在大电流和相对高温作用下易 引起电腐蚀. 5)导电膏老化 由于电连接导电回路运行在其设计允许温 度的上限段,长期运行易造成导电膏老化,干 枯.丧失其对接触面的防氧化性能,将加快接 触面氧化腐蚀,接触电阻增大发热. 4改善主变压器低压套管仓室内 电连接过热的建议 4.1进行改造 一:套管导电体仍为铝质,只增大低压 套管导电板的载流面积和接触面积,取消过渡 板,减少螺栓连接的接头. 方案二:套管导体改用铜质,提高容量,并 减少铜一铝直接连接;或将原来额定电流为16kA 的套管改用25kA的套管,并取消过渡板. 另外,为降低接头总体发热量,将软连接一 分为二,由原本单面连接改为双面连接,或将软 连接下端一分为二,由原来软连接下端的单面 连接改为双面连接,增加接触面积. 方案的选择需要综合比较效果与成本后才 能确定.岭澳核电站主变低压套管选用2kA 铝质套管,8个导电板各接4根软连接(共32 根软连接)没有过渡板.这种方式值得借鉴. 4.2增加维修频率和质量控制 在不进行任何改造的情况下,建议每次大 修都要进行连接部件检查处理,并要求在拆开 2O5 螺栓连接之前,检查力矩,接触电阻及变色 情况,便于跟踪分析.维修频率的增加将 带来:?经常打磨,低压套管导电板磨损引 起载流面积变小.?增加了检修工期和人 力物力. 控制质量就是使有效接触面能够真正可靠 接触.质量控制要注意3点:?接触面打磨处 理后,必须用平度尺进行整体的接触面平整度 检查,0.02mm塞尺不允许通过.?打磨处理 后的接触面必须尽快涂上导电膏,并在30min 内进行连接,防止表面氧化.?重新处理后的 电连接的接触电阻不超过2Q.原来标准是5 Q,由于测量接触电阻时,只通过100A电流 (一块低压套管导电板与过渡板的接触面流过 2000A电流),如果接触面积减小,但测量电流 比实际电流小得多,测量结果可能还在5Q 以内. 206 4.3在线监测 1)在运行状态下,红外测量主变低压套管 仓室外壳温鹰,通过数据跟踪分析,诊断内部电 连接是否过热; 2)加强监视通入干燥空气的流量. 5结论 主变压器低压出线的连接方式有问题,应 取消过渡板,增加低压套管载流面积和连接部 位的接触面积.当然,短周期,高质量的维修也 能抑制过热事件发生,但必然增加工期和消耗 人力物力,同时缩短低压套管的使用寿命. 参考文献: [1]GB763—90,交流高压电器在长期工作时的发热[S]. [2]吴励坚.大电流母线的理论基础与设计EM3.北京:水 利电力出版社,1985.