10kV箱變改造為發電機轉子護環感應加熱電源的研究與應用

申雁鵬 王聲學

10kV箱變改造為發電機轉子護環感應加熱電源的研究與應用

申雁鵬 王聲學

（江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

在某核電站汽輪發電機轉子首次檢修和繞組發生絕緣缺陷時，需要采用感應加熱法拆除轉子護環進行檢查與處理。本文結合電站實際情況及護環拆裝需求，經過分析與計算，按照最優的單繞組供電方案將工程建設期退役的10kV箱式變電站改造成拆裝發電機轉子護環所需的感應加熱電源，并在兩臺百萬千瓦級汽輪發電機的首次大修和轉子絕緣缺陷處理中實現成功應用，有效保障了核電站發電機大修工期，節約了大修成本。

箱式變電站；發電機；護環；感應加熱

0 引言

國內某核電站1、2號機組汽輪發電機是從俄羅斯進口，根據廠家技術文件規定，發電機首次大修時需要對轉子進行拆護環檢查；另外，依據文獻[1]，當發電機轉子繞組出現絕緣缺陷時，也必須拆卸轉子護環進行檢查處理，以恢復其絕緣性能，從而延長發電機的使用壽命[2]。因此，在發電機首次大修和轉子繞組出現絕緣缺陷時均需要拆卸轉子護環。在進行大型發電機轉子拆護環操作時，感應加熱是一種較好的方法[3]，但需要提供非標準電壓的大容量交流電源。經調研，目前護環感應加熱電源主要是發電機制造廠使用的中頻電源裝置，工程現場也會采用大型電焊機作為加熱電源。但是，電站現場無適用的加熱電源，為了解決該難題，本文結合現場實際，考慮將一臺工程建設期退役的10kV箱式變電站（以下簡稱箱變）改造為護環感應加熱電源。

1 感應加熱電源參數要求和廠用電概況

1.1 感應加熱電源參數要求

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

1.2 現場廠用電概況

廠用電系統有6kV和400V兩個電壓等級，6kV母線電壓一般達到6.3kV，母線上有備用開關可用，距離發電機平臺70m左右；400V的電壓和容量無法滿足護環感應加熱電源參數要求。

2 箱變的結構和技術參數

2.1 箱變的結構

箱式變電站箱體是集中裝設中壓開關設備、變壓器和低壓配電設備的箱體，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荷開關；低壓室安裝一臺萬能式斷路器（低壓主開關）和多臺配電空氣開關及控制、測量、保護裝置。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 箱變主要技術參數

1）箱變總體技術參數

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，總質量為6 380kg。

2）干式變壓器技術參數

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

3）高壓真空負荷開關技術參數

高壓真空負荷開關型號為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）技術參數

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

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

3.1 方案一：單繞組供電方案

將箱變內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荷開關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的A、C相進線端。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

依據文獻[5-6]，對方案一進行如下計算。

1）單繞組供電時，容量為總容量的1/3，變壓器歸算到低壓側的漏抗為

2）變壓器1分接下相電壓比（匝數比）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為變壓器低壓側額定電壓（V）。

3）改造后變壓器接至6kV系統的低壓側電壓為

4）改造后變壓器非工作相電壓分析

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

3.2 方案二：雙繞組并聯供電方案

將箱變內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，分接位置初調到“1”，再把高壓繞組AX與BY并聯，低壓繞組ax與by并聯，兩高壓繞組并聯后的首末端分別連接到高壓室的高壓真空負荷開關A、B、C三相中任意兩相（本方案選用A、C兩相）出線端，兩低壓繞組并聯后的首末端分別接至低壓室的低壓主開關的A、C相進線端。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 雙繞組并聯供電方案電氣回路原理接線

方案二的相關計算如下。

1）雙繞組并聯供電時，變壓器歸算到低壓側的漏抗為

式中，T2為雙繞組并聯供電時，變壓器歸算到低壓側的漏抗（W）。

2）變壓器相電壓比（匝數比）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系統的低壓側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A、B相并聯后接上1=6 300V電源工作時，設流過A、B相鐵心柱的磁通分別為m，在A、B相高壓繞組的感應電動勢為1，由于A、B相磁通都要經過C相鐵心柱，在理想變壓器狀態下，有1=1=6 300V，C相的磁通為2m，C相繞組的感應電動勢為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果，確認其可行性，在兩種改造方案下分別進行400V低電壓試驗，試驗結果見表1。

表1 兩種改造方案的400V低電壓試驗結果

從表1的試驗結果看，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，方案一明顯優于方案二，因此采用方案一對箱變進行改造應用。

4 箱變改造后的實際應用

改造后的箱變按照DL/T 596—2021《電力設備預防性試驗規程》[8]和《電氣試驗》[9]對干式變壓器和開關設備的要求進行相關電氣試驗，同時參考文獻[10]對改造后的箱變進行整體調試及功能試驗。試驗合格后，按照圖4所示發電機轉子護環感應加熱原理接線，將高壓側用動力電纜接至事先選好的6kV廠用電母線備用斷路器負荷側的A、C相，低壓主開關的輸出端連接到感應線圈，并接測量表計。由于箱變高壓側接6kV電源，低壓側電壓達不到380V和220V，所以從外界接入380V和220V控制電源。停送電用6kV廠用電系統的6kV真空斷路器和箱變內的高壓負荷開關、低壓主開關來控制，低壓輸出電流、電壓可通過感應線圈的纏繞匝數（技術文件規定20～25匝之間）和變壓器分接頭適量調整。

圖4 發電機轉子護環感應加熱原理接線

因感應加熱線圈的阻抗參數不確定，在發電機首次大修拆汽側護環時，即第一次加熱時，變壓器選擇“1”分接（輸出電壓最低），感應線圈在護環上纏繞21匝，對將改造后的箱變作為感應加熱電源的方案進行調試。合上低壓主開關開始加熱時，感應線圈的實測電壓為118V、電流為1 401A，加熱25min后，因護環溫度上升較慢，斷電停止加熱。

為了提高加熱速度，根據實測結果重新分析計算，并調整變壓器分接頭位置和感應線圈的纏繞匝數，具體如下。

1）單匝感應線圈阻抗1為

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

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

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，感應線圈的總阻抗L和纏繞匝數分別為

式中，2n為變壓器低壓側額定電流（A）。

4）為確保變壓器低壓輸出電流不超過額定值，將線圈匝數增加到24匝，此時感應加熱線圈的總阻抗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試及分析計算，把變壓器的分接位置改調到“5”，感應線圈增加到24匝，重新送電開始加熱，這時感應線圈的實測電壓為132V、初始電流為1 341A，變壓器工作正常，持續60min左右，護環加熱到規定溫度，隨后從轉子上順利拆下，成功地完成了發電機首次大修轉子汽側護環拆卸感應加熱。應用改造后的10kV箱變提供感應加熱電源，使之后的勵側護環拆卸和兩側護環回裝得以順利完成，有效保證了發電機的大修工期，同時節約了采購專用感應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提供電源的方案相比，本文方案在技術可行性和經濟性方面具有明顯優勢。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 結論

本文所提大型發電機轉子護環感應加熱電源方案是在對變壓器原理深入研究的基礎上，利用現有資源并結合現場檢修實際需要而完成改造的。在電站的兩臺發電機首次大修和多次發電機轉子絕緣缺陷處理中，采用改造后的箱變作為拆裝轉子護環的感應加熱電源，成功完成了轉子護環的拆裝，在發電機大修和搶修過程中起到了關鍵性的作用。同時，這一改造方案的成功應用，解決了工程現場無非標準電壓大容量電源的難題，保證了大型汽輪發電機的檢修工期，在工程實踐中具有參考意義。

[1] 王聲學, 鄒曉, 申雁鵬, 等. TBB—1000型發電機轉子繞組絕緣缺陷的處理與分析[J]. 大電機技術, 2013(4): 17-20.

[2] 高俊國, 孟睿瀟, 胡海濤, 等. 電機定子絕緣老化壽命預測研究進展[J]. 電工技術學報, 2020, 35(14): 3065-3074.

[3] 楊曉斌, 楊軍. 感應加熱法在發電機轉子檢修中的應用[J]. 黑龍江電力, 2000, 22(2): 49-52.

[4] 范振代. 10kV變電所型式特點和應用[J]. 電氣技術, 2018, 19(9): 101-103.

[5] 王錫凡. 電力工程基礎[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 1998.

[6] 李建明, 朱康. 高壓電氣設備試驗方法[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2001.

[7] 謝毓城. 電力變壓器手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2003.

[8] 電力設備預防性試驗規程: DL/T 596—2021[S]. 北京: 中國電力出版社, 2021.

[9] 陳天翔, 王寅仲, 溫定筠, 等. 電氣試驗[M]. 3版. 北京: 中國電力出版社, 2016.

[10] 高低壓預裝式變電站: GB/T 17467—2020[S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.

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，貴州務川人，本科，高級工程師，主要從事核電廠高壓電氣設備維修、試驗及管理工作。