優良員工提案專題 主變壓器與IMB開關設備間循環電流改善

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文、圖 林口發電廠 葉竣翔

林口發電廠更新擴建為三部全新設計,高效能、高效率與低污染排放的「超超臨界鍋爐機組」,每部發電機滿載出力800MW,三部機組總裝置容量2,400MW。1號機及2號機分別已於民國105年10月及106年4 月正式商轉,3號機則在試運轉中。

提案背景

林口發電廠主變壓器設計為三相分離,屋外油浸、迫油風冷,單相容量333MVA,總容量999MVA,從主變壓器到345kV開關場之間,設有IMB(Intermediate Bus Duct)作為銜接。

民國106年12月8日,林口發電廠2號機800MW滿載運轉,於變壓器區巡檢時,發現其主變壓器A相之H1套管座連接地線,因為溫度過高,導致接地線絕緣燒損,經量測接地循環電流高達688A,研判有危害運轉之虞,發電廠立即開立改善通知單,要求承攬商限期改善,並同步展開相關設備檢查。檢查結果發現,林口1號機及2號機的主變壓器A、B、C三相H1、H2套管座連接地線均有循環電流過高的狀況。

IMB開關設備循環電流問題分析

由於IMB本身結構為一種內外圈導體結構設計,根據電磁理論,此種內外圈導體結構設計,當內圈導體流過一極大的時變正弦交流電流時,基於磁力線為閉迴路之不可切割特性,及磁力線在鄰近導體內產生軸向感應電流等磁場效應,將使外圈導體感應出與內圈導體電流大小近乎相等、方向相反的感應電流,此感應電流會經由IMB與變壓器本體間的外殼連接線而流經變壓器外殼。

依據國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC) 62271-211 Section 5.1說明,變壓器外殼並不是設計用來承載大量連續循環電流,開關設備製造商應提供符合IEC 61936-1規定之不同單相開關設備間外殼連接介面方式,讓不同單相開關設備間的外殼連接,並能連續承載變壓器額定電流所產生的外殼循環電流。若開關設備與變壓器之間的循環電流可能大於250A,則在開關設備與變壓器彼此連接介面處,施以絕緣處理。

IEC 62271-211 Section 5.1文中說明依實際經驗,變壓器在負載電流達1250A的情況下,大約會有20%負載循環電流,也就是250A電流會流經變壓器與開關設備之間。以林口800MW機組發電量來看,主變壓器高壓側負載電流約1300A,依上述比例計算,約有260A的循環電流產生,在未施以絕緣處理情況下,會造成主變壓器與IMB之外殼連接線燒損。

考量現狀選擇妥適改善方案

依IEC 62271-211文中建議,共有兩處可施行絕緣處理,但若在其建議處施作絕緣處理,將會造成主變壓器及IMB結構高度上的改變。考量林口機組已是設計完成並上線之機組,所有組件機械結構都已固定,機組無法長時間停機進行結構上的改善,只能另選擇更妥適的改善方案。林口發電廠經研討及審慎評估後,選擇在主變壓器高壓側A、B、C及N相與IMB銜接處於IMB伸縮囊前端法蘭面隔離,使主變壓器外殼與IMB外殼彼此絕緣隔離,因為此處法蘭面本身即為絕緣,只需額外將其貫穿螺絲施以單邊絕緣處理即可,此改善方案可避免大幅度結構上的變動。

上述絕緣處理雖已阻斷感應之循環電流往主變壓器的路徑,但循環電流並未消失,因此需找尋另外的路徑讓此電流通過,故選擇在主變壓器高壓側A、B、C及其N相之IMB處安裝短路銅鋁板,並使用接地線在各相IMB電纜終端夾處相連接。經此改善後,感應之循環電流能在此連接的閉迴路中循環,而不流經主變壓器本體。林口1號機及2號機完成改善後,主變壓器高壓側各相循環電流量測數值大幅下降;當時林口3號機主變壓器由於尚在安裝階段,因此規劃直接進行改善,並已於去(107)年8月完成。

執行效益與推廣

主變壓器與IMB開關設備間循環電流改善之後,使主變壓器本體循環電流大幅下降,可以避免因大量外殼循環電流產生高溫,進而造成主變壓器套管的不可預期損傷。倘若主變壓器發生套管損害故障造成機組停機,以一部機組更換一相套管所產生替代燃料成本(燃氣機組替代燃煤機組)約1億元新臺幣。

本改善已同步平行展開到大林發電廠,以林口發電廠與大林發電廠合計共5部800MW機組來計算,省下的替代燃料成本將非常可觀。此外,林口發電廠亦填報工程意見回饋單給營建處,在變壓器及IMB設計審查時,應考量IMB循環電流對變壓器的影響,避免於竣工後再進行改善,以節省額外改善工程之人力及物力成本。

改善後感應循環電流路徑示意圖。

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