张水龙，张皖涵，王一凡，施卫华，陆炜伟，吴根印，罗镇城

(中核国电漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

漳州核电1、2号机组发电机的单机容量为1220 MW，定子电流达到28 986 A，发电机至主变压器和高压厂用变压器之间的连接采用全连式离相封闭母线(以下简称：离相封母)。根据同行电厂重要经验反馈，离相封母存在因单点接地导致外壳感应电压高、探头故障频发、风阀寿命严重偏低、风机可靠性低、智能防凝露装置不可用等多项问题，系统整体设计存在较多待改进项，缺陷频发，严重威胁机组的安全稳定运行。究其根本原因为设备厂家在进行国外离相封母技术国产化的过程中，对系统的设计、设备的结构原理转化存在一定偏差，导致设备在出厂时就存在“先天不足”。

为提升漳州核电1、2号机组离相封闭母线设备的可靠性以及经济性，结合研究同行电厂的经验反馈，在系统设计、设备制造阶段做出改进，避免同类问题再次发生。

1 封闭母线接地方式选型分析

由于发电机出口大电流母线的周围存在着强大的交变磁场，故位于其中的钢铁等磁性材料会由于涡流损耗而发热[1]。为解决上述问题，容量在1000 MW及以上的发电机引出线采用全连型离相封闭母线，母线外壳的屏蔽作用能改善钢构发热问题。但全连型离相封闭母线不同的外壳接地方式会影响环流分布，并影响外壳感应电压大小，进而产生人身安全问题。为解决这个问题，国内火电工程一般采用多点接地方式。

封闭母线采用多点接地方式亦存在一定的弊端，主要问题是母线外壳及钢支撑件环流、发热较为严重，为验证该环流及发热现象是否影响封闭母线系统的正常运行，特对采用多点接地方式的封闭母线外壳及钢支撑件环流、发热情况进行建模仿真，如图1所示。

图1 封母多点接地发热仿真图Fig.1 Heating simulation of the closed busbar with multi-point grounding

根据仿真结果可知，采用多点接地方式封闭母线外壳及钢支撑件的环流、发热情况在标准范围内，不存在明显的发热点，满足设计要求。

近年来随着涉外工程不断增加，外方一般要求全连型离相封闭母线采用单点接地方式，国内核电厂也有采用单点接地的方案。单点接地存在外壳感应电压随外壳长度增加而增大的缺点，有危及人身安全，需要谨慎选择这种接地方式。当发生故障，比如三相短路时，短路电流一般是正常电流的10～30倍，则此时外壳感应电压会升高，有可能会超过DL/T 5222—2005《导体和电器选择设计技术规程》第7.4.5条“当母线通过短路电流时，外壳的感应电压应不超过24 V”的要求。同时，封闭母线采用单点接地方式，还需在母线外壳与钢支撑件之间增加绝缘垫块，由于需要采购的绝缘垫块数量众多，对封闭母线的经济性影响较大；采用多点接地方式则不存在此问题。

综上，1000 MW及以上发电机组的离相封闭母线采用多点接地的方式在安全性方面满足设计要求，且在经济性方面存在显著优势，故漳州核电1、2号机组离相封母在设计选型时采用多点接地的方案。

2 封闭母线防凝露装置可靠性提升

离相封闭母线由于其外壳封闭性、运行温度较环境温度高、绝缘密封件多等特点，主要有以下原因造成母线内产生结露[2]：

1)温差效应。机组运行时离相封闭母线的导体和外壳温度较高，机组停运时导体和外壳温度快速下降，同时母线内空气温度也快速下降并接近环境温度[3]，导致母线内空气温度低于露点温度，在母线外壳内壁或者绝缘子表面出现结露。

2)潮气入侵。机组的振动、土建基础的位移、密封件老化、绝缘子更换后未有效紧固密封等因素会使离相封闭母线密封不严，导致外界的潮湿空气侵入母线内部。

目前国内核电厂离相封闭母线防结露装置主要有以下4种类型：

1)电加热装置。通过加热装置产生热量，提高母线内部空气温度，使空气温度高于露点温度，达到防止结露效果。

2)热风保养装置。在离相封闭母线的充气管路中加装热风保养装置，在机组启动前投入，将干燥的热风通入母线内部，置换出母线内的潮湿空气，从而降低母线内部空气湿度，降低空气露点温度，防止结露产生。

3)空气循环干燥装置：将离相封闭母线外壳内空气整体闭式循环至空气循环干燥装置，进行干燥净化后再送回母线外壳内，母线内的空气被连续干燥，不断降低湿度；当母线内空气达到设定的湿度值时，设备停止工作。

4)微正压装置：在离相封闭母线外壳内充入干燥、洁净的空气，并使母线内的空气压力略高于外界大气压，起到气封的作用，防止外界潮湿的空气进入母线内部，保持母线内部湿度在较低水平。

国内某核电厂离相封闭母线智能防凝露装置采用微正压设计方案，自带空压机用于保持系统压力，调试人员进行封闭母线智能防结露装置(BAC)单体试验时，发现BAC装置本体空压机无法打压至设计压力(2500 Pa)，只能打压至约700 Pa，无法向封闭母线提供可靠的微正压气源，不能实现循环除湿等设计功能。经对比分析，如采用原始设计方案，漳州核电离相封闭母线也将存在相同的问题。因此，经过详细的分析论证后，提出如下设计改进方案：采用增加厂用气源(仪用压缩空气系统)方案进行BAC装置厂用气源接入设计改进。

具体设计原理如图2所示，增加三只闸阀、一只减压阀、一只压力表、一只安全阀及相应管道可靠连接,安装在相应位置，以仪用压空气源代替空压机打压气源，以提高系统运行的稳定性及经济性。

图2 智能防凝露装置改进前后对比图Fig.2 Comparison of the intelligent anti-dew device before and after improvement

综上，采用仪用压空气源代替智能防凝露装置自带的空压机系统，一方面大幅提高了系统运行的稳定性与可靠性，另一方面也简化了防凝露系统的设计、提高了设备采购的经济性。

3 封闭母线冷却风机可靠性低分析

离相封闭母线强迫风冷系统的基本原理是利用离心风机和系统气路通道形成循环气流。在处于该循环通道中的母线本体外，设置“气-水”热交换器，对循环通道中的气流进行热冷却处理。循环的基本路径是：经过热交换器的冷空气→A、C相母线外壳→母线上的三相外壳连接通道→B相母线外壳→热交换器对热空气进行热交换。如此循环往复，整套母线内部就一直处于强迫对流冷却过程。大载流状态下的导体及外壳的温度就被限定在规定的范围内，如图3所示。

图3 国内封闭母线典型冷却系统示意图Fig.3 The schematic of the typical cooling system of domestic closed busbar

经对同行电厂的经验反馈进行综合分析，该系统存在以下问题：

1)发电机出线母线箱的冷却风机安装在封闭柜体内部、且采用双封式轴承结构，大幅提高风机检修的工作量及成本，风机轴承无法定期润滑、更换，存在运行过程中烧毁的风险。

2)从各核电厂冷却风机设计方案可以看出大部分核电厂冷却风机电机布置在风箱内，不具备在线测量振动和红外测温的条件，且如果电机PM周期设置不合理的话，一旦超出双封轴承的维护周期，风机可靠性将急剧降低。

3)在风机启动方式方面，根据原始设计方案，离相封母冷却风机采用变频器或软启动器的启动方式，不仅增加了设备采购成本，且根据同行电厂实际运行情况，变频器、软启动器故障率较高，降低了离相封母系统的整体可靠性。

4)为保证风阀整体的密封性，母线外壳上存在连杆密封结构，存在易磨损卡滞的问题，故障率高且不易发现。

经系统性研究，对漳州核电1、2号机组离相封母提出如下设计改进方案：

1)法兰连接改为圆形橡胶套结构。采用圆形管道接口及圆形橡胶套(如图4所示)，并配装紧固钢带，在管道接口处增加防脱环，防止脱离的同时也增加了密封性。

图4 国内封闭母线典型冷却系统示意图Fig.4 The schematic of the typical cooling system of domestic closed busba

2)取消电动风阀，采用风动型三通阀动作单元的风力作用于风阀板上(如图5所示)，相当于风阀的执行动力，推动风阀板运动，起到隔离另一单元的作用，轴端的透明视窗可观察风阀板的状态、位置。检修时采用手动方式，可以禁止自动切换，起到锁定作用。

图5 风动型三通阀Fig.5 Pneumatic three-way valve

3)风机布置改为开放式，电机挪到风箱外，便于巡检和维修，供风状态检测采用流量开关方式，利用PLC整合风机状态、风流量控制，并显示于电控柜屏幕上，如图6所示。

图6 风机布置改进前后对比图Fig.6 Comparison of the fan layout before and after improvement

4)增加设备检修堵筒。设备长时间移出检修时，可使用检修堵筒进行封堵，不影响另外一列设备的正常运行，且有利于系统的防异物管控。

4 改进项

1)对1000 MW及以上发电机组的离相封闭母线外壳采用多点接地的方式；

2)采用仪用压空气源代替智能防凝露装置自带的空压机系统，提高系统运行的稳定性与可靠性，简化防凝露系统的设计、提高了设备采购的经济性；

3)对发电机出线母线箱的风箱和风机布置方式进行重新设计，将冷却风机电机布置至风箱外，风机仍布置在风箱内，便于日常巡检和维修，监测电机的运行状况；

4)将电机轴承由双封轴承改为可加脂轴承，定期对轴承进行监测、润滑保养；

5)取消冷却风机电机的变频启动系统，改为直接启动的方式，其启动特性满足系统要求，且操作控制方便，维护简单，可靠性和经济性提升的效果显著；

6)离相封母的外壳，由法兰连接改为圆形橡胶套结构，并取消电动风阀，增设设备检修堵筒，提高系统运行的稳定性；

7)冷却风机布置改为开放式，增加电控屏，能够显示装置的运行状态、操作记录、报警信息，并可进行参数调整。

5 结论

通过对离相封闭母线的可靠性及经济性提升关键技术进行研究，取得以下效益：

1)通过论证分析并进行设计改进，取消智能防凝露空压机系统、冷却风机变频启动系统、母线外壳绝缘系统，简化系统设计，单台“华龙一号”核电机组节省设备采购费用超过150万元；

2)通过对离相封母及其附属设备的可靠性进行系统分析并制定落实设计改进措施，提升“华龙一号”核电机组的运行稳定性，对机组“减非停”、防止非计划降功率的贡献以及由此产生的经济效益显著。