申雁鵬 王聲學(xué)

10kV箱變改造為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱電源的研究與應(yīng)用

申雁鵬 王聲學(xué)

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

在某核電站汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子首次檢修和繞組發(fā)生絕緣缺陷時，需要采用感應(yīng)加熱法拆除轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)進(jìn)行檢查與處理。本文結(jié)合電站實際情況及護(hù)環(huán)拆裝需求，經(jīng)過分析與計算，按照最優(yōu)的單繞組供電方案將工程建設(shè)期退役的10kV箱式變電站改造成拆裝發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)所需的感應(yīng)加熱電源，并在兩臺百萬千瓦級汽輪發(fā)電機(jī)的首次大修和轉(zhuǎn)子絕緣缺陷處理中實現(xiàn)成功應(yīng)用，有效保障了核電站發(fā)電機(jī)大修工期，節(jié)約了大修成本。

箱式變電站；發(fā)電機(jī)；護(hù)環(huán)；感應(yīng)加熱

0 引言

國內(nèi)某核電站1、2號機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)是從俄羅斯進(jìn)口，根據(jù)廠家技術(shù)文件規(guī)定，發(fā)電機(jī)首次大修時需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行拆護(hù)環(huán)檢查；另外，依據(jù)文獻(xiàn)[1]，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)絕緣缺陷時，也必須拆卸轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)進(jìn)行檢查處理，以恢復(fù)其絕緣性能，從而延長發(fā)電機(jī)的使用壽命[2]。因此，在發(fā)電機(jī)首次大修和轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)絕緣缺陷時均需要拆卸轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)。在進(jìn)行大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拆護(hù)環(huán)操作時，感應(yīng)加熱是一種較好的方法[3]，但需要提供非標(biāo)準(zhǔn)電壓的大容量交流電源。經(jīng)調(diào)研，目前護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱電源主要是發(fā)電機(jī)制造廠使用的中頻電源裝置，工程現(xiàn)場也會采用大型電焊機(jī)作為加熱電源。但是，電站現(xiàn)場無適用的加熱電源，為了解決該難題，本文結(jié)合現(xiàn)場實際，考慮將一臺工程建設(shè)期退役的10kV箱式變電站（以下簡稱箱變）改造為護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱電源。

1 感應(yīng)加熱電源參數(shù)要求和廠用電概況

1.1 感應(yīng)加熱電源參數(shù)要求

感應(yīng)加熱電源容量為150～160kV?A，電源電流為1 200～1 500A，電源電壓為120～130V，連續(xù)加熱時間為50～90min。

1.2 現(xiàn)場廠用電概況

廠用電系統(tǒng)有6kV和400V兩個電壓等級，6kV母線電壓一般達(dá)到6.3kV，母線上有備用開關(guān)可用，距離發(fā)電機(jī)平臺70m左右；400V的電壓和容量無法滿足護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱電源參數(shù)要求。

2 箱變的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

2.1 箱變的結(jié)構(gòu)

箱式變電站箱體是集中裝設(shè)中壓開關(guān)設(shè)備、變壓器和低壓配電設(shè)備的箱體，一般分為高壓室、變壓器室及低壓室[4]。變壓器室安裝有一臺干式變壓器；高壓室安裝有高壓真空負(fù)荷開關(guān)；低壓室安裝一臺萬能式斷路器（低壓主開關(guān)）和多臺配電空氣開關(guān)及控制、測量、保護(hù)裝置。箱變電氣回路原理接線如圖1所示。

圖1 箱變電氣回路原理接線

2.2 箱變主要技術(shù)參數(shù)

1）箱變總體技術(shù)參數(shù)

箱變型號為ZB105—1000/10，額定容量為1 000kV?A，額定電壓為10.5kV/0.4kV，總質(zhì)量為6 380kg。

2）干式變壓器技術(shù)參數(shù)

干式變壓器型號為SCB8—1000/10.5，額定容量為1 000kV?A，聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為Dyn11，短路阻抗為6.26%，高壓側(cè)5擋額定電壓分別為10 000V/ 10 250V/10 500V/10 750V/11 000V，低壓側(cè)額定電壓為400V，高壓側(cè)額定電流為55.0A，低壓側(cè)額定電流為1 443A。

3）高壓真空負(fù)荷開關(guān)技術(shù)參數(shù)

高壓真空負(fù)荷開關(guān)型號為HVGN15A—12（F），額定電壓為10kV，額定電流為75A。

4）萬能式斷路器（低壓主開關(guān)）技術(shù)參數(shù)

萬能式斷路器型號為DW15—2500，額定電流n=2 000A。

3 箱變改造方案分析計算

根據(jù)上述護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱電源參數(shù)的要求和現(xiàn)場條件，以及箱變的銘牌參數(shù)，同時考慮感應(yīng)加熱的速度，改造后的箱變需滿足低壓側(cè)輸出電壓120～130V，電流按最大值1 500A考慮。因使用時箱變的高壓側(cè)接6kV廠用電，按照變壓器的相電壓比進(jìn)行初步計算，輸出電壓可以滿足要求，改造時應(yīng)重點考慮電流是否滿足要求。經(jīng)初步分析，有“單繞組供電”和“雙繞組并聯(lián)供電”兩種改造方案。

3.1 方案一：單繞組供電方案

將箱變內(nèi)部干式變壓器的三相繞組拆開，使各相繞組獨立?？紤]輸出電壓不要過高，分接位置初調(diào)到“1”，選用A、B、C三相中任意一相（本方案選用B相）繞組作為感應(yīng)加熱的供電繞組，改成一個單相變壓器工作方式。A、C相高、低壓繞組的首端懸空且保證足夠的絕緣距離，末端接地。B相高壓繞組首、末端分別連接高壓室的高壓真空負(fù)荷開關(guān)A、B、C三相中任意兩相（本方案選用A、C兩相）出線端，低壓繞組首、末端分別連接至低壓室的低壓主開關(guān)的A、C相進(jìn)線端。按方案一改造后的箱變電氣回路原理接線如圖2所示。

圖2 單繞組供電方案電氣回路原理接線

依據(jù)文獻(xiàn)[5-6]，對方案一進(jìn)行如下計算。

1）單繞組供電時，容量為總?cè)萘康?/3，變壓器歸算到低壓側(cè)的漏抗為

2）變壓器1分接下相電壓比（匝數(shù)比）為

式中：為變壓器1分接下相電壓比；1為變壓器高壓額定電壓，1分接取11 000V；2為變壓器低壓側(cè)額定電壓（V）。

3）改造后變壓器接至6kV系統(tǒng)的低壓側(cè)電壓為

4）改造后變壓器非工作相電壓分析

當(dāng)B相接上1=6 300V電源工作時，設(shè)流過B相鐵心柱的磁通為m，B相高壓繞組的感應(yīng)電動勢為1，由于B相磁通經(jīng)過A、C相鐵心柱分路，依據(jù)文獻(xiàn)[7]，在理想變壓器狀態(tài)下，有1=1= 6 300V；A、C相的磁通均為m/2，繞組的感應(yīng)電動勢均為1/2=3 150V（低于額定電壓）。

3.2 方案二：雙繞組并聯(lián)供電方案

將箱變內(nèi)部干式變壓器的三相繞組拆開，使各相繞組獨立?？紤]輸出電壓不要過高，分接位置初調(diào)到“1”，再把高壓繞組AX與BY并聯(lián)，低壓繞組ax與by并聯(lián)，兩高壓繞組并聯(lián)后的首末端分別連接到高壓室的高壓真空負(fù)荷開關(guān)A、B、C三相中任意兩相（本方案選用A、C兩相）出線端，兩低壓繞組并聯(lián)后的首末端分別接至低壓室的低壓主開關(guān)的A、C相進(jìn)線端。另外，變壓器C相高低壓繞組的首端懸空且保證足夠的絕緣距離，末端接地。按方案二改造后的箱變電氣回路原理接線如圖3所示。

圖3 雙繞組并聯(lián)供電方案電氣回路原理接線

方案二的相關(guān)計算如下。

1）雙繞組并聯(lián)供電時，變壓器歸算到低壓側(cè)的漏抗為

式中，T2為雙繞組并聯(lián)供電時，變壓器歸算到低壓側(cè)的漏抗（W）。

2）變壓器相電壓比（匝數(shù)比）與單繞組供電方案時相同，如式（2）所示。

3）變壓器改造后接至6kV系統(tǒng)的低壓側(cè)電壓與單繞組供電方案時相同，如式（3）所示。

4）變壓器改造后非工作相電壓分析

當(dāng)A、B相并聯(lián)后接上1=6 300V電源工作時，設(shè)流過A、B相鐵心柱的磁通分別為m，在A、B相高壓繞組的感應(yīng)電動勢為1，由于A、B相磁通都要經(jīng)過C相鐵心柱，在理想變壓器狀態(tài)下，有1=1=6 300V，C相的磁通為2m，C相繞組的感應(yīng)電動勢為21=12 600V（高于額定電壓）。

3.3 兩種方案的可行性分析與比較

為了驗證改造方案的計算結(jié)果，確認(rèn)其可行性，在兩種改造方案下分別進(jìn)行400V低電壓試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 兩種改造方案的400V低電壓試驗結(jié)果

從表1的試驗結(jié)果看，電壓測量值與理論計算基本吻合，兩方案都具備可行性。兩種改造方案的優(yōu)缺點比較見表2。

表2 兩種改造方案比較

通過上述計算和分析比較可知，方案一明顯優(yōu)于方案二，因此采用方案一對箱變進(jìn)行改造應(yīng)用。

4 箱變改造后的實際應(yīng)用

改造后的箱變按照DL/T 596—2021《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》[8]和《電氣試驗》[9]對干式變壓器和開關(guān)設(shè)備的要求進(jìn)行相關(guān)電氣試驗，同時參考文獻(xiàn)[10]對改造后的箱變進(jìn)行整體調(diào)試及功能試驗。試驗合格后，按照圖4所示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱原理接線，將高壓側(cè)用動力電纜接至事先選好的6kV廠用電母線備用斷路器負(fù)荷側(cè)的A、C相，低壓主開關(guān)的輸出端連接到感應(yīng)線圈，并接測量表計。由于箱變高壓側(cè)接6kV電源，低壓側(cè)電壓達(dá)不到380V和220V，所以從外界接入380V和220V控制電源。停送電用6kV廠用電系統(tǒng)的6kV真空斷路器和箱變內(nèi)的高壓負(fù)荷開關(guān)、低壓主開關(guān)來控制，低壓輸出電流、電壓可通過感應(yīng)線圈的纏繞匝數(shù)（技術(shù)文件規(guī)定20～25匝之間）和變壓器分接頭適量調(diào)整。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱原理接線

因感應(yīng)加熱線圈的阻抗參數(shù)不確定，在發(fā)電機(jī)首次大修拆汽側(cè)護(hù)環(huán)時，即第一次加熱時，變壓器選擇“1”分接（輸出電壓最低），感應(yīng)線圈在護(hù)環(huán)上纏繞21匝，對將改造后的箱變作為感應(yīng)加熱電源的方案進(jìn)行調(diào)試。合上低壓主開關(guān)開始加熱時，感應(yīng)線圈的實測電壓為118V、電流為1 401A，加熱25min后，因護(hù)環(huán)溫度上升較慢，斷電停止加熱。

為了提高加熱速度，根據(jù)實測結(jié)果重新分析計算，并調(diào)整變壓器分接頭位置和感應(yīng)線圈的纏繞匝數(shù)，具體如下。

1）單匝感應(yīng)線圈阻抗1為

式中：L為感應(yīng)線圈的實測電壓（V）；L為感應(yīng)線圈的實測電流（A）；為感應(yīng)線圈匝數(shù)。

2）因變壓器歸算到低壓側(cè)的漏抗為0.01W，在額定電流1 443A下，繞組自身壓降達(dá)14.43V，因此可把變壓器分接頭調(diào)到“5”，此時變壓器電壓比和低壓側(cè)空載電壓分別為

式中：為變壓器5分接下相電壓比；1為變壓器高壓額定電壓，5分接取10 000V。

3）在額定電流時，感應(yīng)線圈的總阻抗L和纏繞匝數(shù)分別為

式中，2n為變壓器低壓側(cè)額定電流（A）。

4）為確保變壓器低壓輸出電流不超過額定值，將線圈匝數(shù)增加到24匝，此時感應(yīng)加熱線圈的總阻抗L、計算電流2、輸出電壓2分別為

通過上述對改造箱變的調(diào)試及分析計算，把變壓器的分接位置改調(diào)到“5”，感應(yīng)線圈增加到24匝，重新送電開始加熱，這時感應(yīng)線圈的實測電壓為132V、初始電流為1 341A，變壓器工作正常，持續(xù)60min左右，護(hù)環(huán)加熱到規(guī)定溫度，隨后從轉(zhuǎn)子上順利拆下，成功地完成了發(fā)電機(jī)首次大修轉(zhuǎn)子汽側(cè)護(hù)環(huán)拆卸感應(yīng)加熱。應(yīng)用改造后的10kV箱變提供感應(yīng)加熱電源，使之后的勵側(cè)護(hù)環(huán)拆卸和兩側(cè)護(hù)環(huán)回裝得以順利完成，有效保證了發(fā)電機(jī)的大修工期，同時節(jié)約了采購專用感應(yīng)加熱電源裝置的成本。與緊急采購專用加熱電源裝置或采用電焊機(jī)提供電源的方案相比，本文方案在技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯優(yōu)勢。本文方案與其他方案的對比見表3。

表3 本文方案與其他方案的對比

5 結(jié)論

本文所提大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)感應(yīng)加熱電源方案是在對變壓器原理深入研究的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有資源并結(jié)合現(xiàn)場檢修實際需要而完成改造的。在電站的兩臺發(fā)電機(jī)首次大修和多次發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣缺陷處理中，采用改造后的箱變作為拆裝轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的感應(yīng)加熱電源，成功完成了轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的拆裝，在發(fā)電機(jī)大修和搶修過程中起到了關(guān)鍵性的作用。同時，這一改造方案的成功應(yīng)用，解決了工程現(xiàn)場無非標(biāo)準(zhǔn)電壓大容量電源的難題，保證了大型汽輪發(fā)電機(jī)的檢修工期，在工程實踐中具有參考意義。

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Research and application of transforming 10kV box-type substation into induction heating power source for generator rotor retaining ring

SHEN Yanpeng WANG Shengxue

(Jiangsu Nuclear Power Co., Ltd, Lianyungang, Jiangsu 222042)

When the rotor of a turbine generator in a nuclear power plant is repaired for the first time and insulation defects occur in the winding, the rotor retaining ring should be removed by induction heating method for inspection and treatment. According to the actual situation of the power station and the demand of the retaining ring disassembly, after analysis and calculation, this paper uses the 10kV box-type substation decommissioned during the construction period as the induction heating power supply for generator rotor retaining ring according to the optimal single-winding power supply scheme, and it has been successfully applied in the first overhaul of two million-kilowatt turbogenerators and the treatment of rotor insulation defects, which effectively guarantees the overhaul period of nuclear power plant generators and saves the overhaul cost.

box-type substation; generator; retaining ring; induction heating

2023-11-10

2024-02-07

申雁鵬（1979—），男，貴州務(wù)川人，本科，高級工程師，主要從事核電廠高壓電氣設(shè)備維修、試驗及管理工作。