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第25卷2005钜第3期核科学与工程9月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineeringVo1.25NO.3Sep.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:02580918(2005)03020106AnalyzethereasonofoverheatinlowvoltagebushingoutgoinglineconnectionsectionofthemaintransformerandproposalZHONGHaowen,YUQingbin,ZHANGXiao-zhong,GAOChao(MaintenanceDepartment,DayaBayNuclearPowerOperationsandManagementCo.,Ltd.,ShenzhenofGuangdongProv.518124,China)Abstract:Sinceputthemain-transformerintooperation,theoverheatfaulthadhappenedmanytimesinitSlow-voltagebushingoutgoinglineconnectionsection.Accordingtothephenomenonoffault,thereasonoffaultinmanywayswasanalyzed,andanimprovableproposalwasputforward.Keywords:maintransformer;bushingconductorboard;softconnection;overheat1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:20050330;修回日期:20050606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(见表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Table1Relativelythetemperatureonthesamepartofthecaseoflow-voltageductroomXIandRoomx2inphase”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.202Wc相B*HA相图1主变压器低压接线端连接Fig.1Connecttoterminalofthemain-transformerlowvoltageoutlet软连接过渡板套管导电板图2低压套管出线端连接Fig.2Connecttoterminalofthelow-voltageductoutlet3.1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GB7639O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,6oOmml330mm图3低压套管仓室Fig.3Theroomofthelow-voltageduct9O;S为套管导电板的截面积,12omm25mm.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,25mm;h为套管导电板载流截面的长度,120mm;,为交流电源频率,50Hz.每m长导体的交流电阻为:R一1.20.016310一0.01961O(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(9040).?.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:Q15.898(9040)0.175O.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.055l2731o+090/一(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一1.708813.7(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I2O3空气导热系数,在20时,一2.521O(W/m?);空气的运动黏度系数,当空气温度2O时,一15.710(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-toO.13()3.142.521O5O0.84106.96(W)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一2.412819.3(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7O80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:2O4A一120807cf18582(mE),低压套管导电板载流面积A一120253000(mE.)比例为:A:A一8582:30002.86:1合理的设计一般接触面载流面积比导体载流面积大58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.4Theconnecterhadbeendismounted3.2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859O,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2000A,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进行改造方案一: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