淺探水電站電氣設(shè)備發(fā)熱量確定

1、淺探水電站電氣設(shè)備發(fā)熱量確定摘 要：本文探討了水力發(fā)電站的電氣設(shè)備發(fā)熱量確定存在的一些問(wèn)題，對(duì)水電站內(nèi)的發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、電纜、電抗器、高低壓盤(pán)柜、靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置和照明設(shè)備等主要電氣設(shè)備的發(fā)熱量確定進(jìn)行了介紹和研究。關(guān)鍵字：水電站 電氣設(shè)備 發(fā)熱量近二十年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的水電建設(shè)也進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展階段內(nèi)，大量現(xiàn)代科學(xué)及技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備在水電站得到廣泛運(yùn)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步和生活水平的提高，對(duì)水電站運(yùn)行環(huán)境的溫、濕度要求也越來(lái)越被人們重視。一方面是為了滿足機(jī)電設(shè)備，特別是電子控制元件對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求的提高，另一方面是滿足運(yùn)行人員的舒適度要求的提高。要較為準(zhǔn)確的控制環(huán)境的溫、濕度

2、，就需要對(duì)廠房的熱負(fù)荷及其特性有比較深入的了解，這是一個(gè)好的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。水電站廠房的熱負(fù)荷主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一方面是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱量，另一方面是來(lái)自于電站內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的發(fā)熱。這幾年，隨著國(guó)內(nèi)大型電站和抽水蓄能電站建設(shè)和國(guó)際的接軌，大量國(guó)際先進(jìn)的制造技術(shù)和發(fā)電設(shè)備被引進(jìn)、消化、運(yùn)用。我們?cè)诮ㄔO(shè)和實(shí)踐中遇到越來(lái)越多的新問(wèn)題。電氣設(shè)備的發(fā)熱主要來(lái)源于發(fā)電機(jī)組、各類(lèi)變壓器、母線、電纜、高低壓配電盤(pán)柜、電抗器和照明設(shè)備等。在這里，我們主要對(duì)大型電站和抽水蓄能電站中的電氣設(shè)備發(fā)熱特性進(jìn)行一些初步探討。1. 發(fā)電機(jī)組發(fā)熱量發(fā)電機(jī)組的散熱量主要來(lái)自于兩個(gè)方面，一是發(fā)電機(jī)組的蓋板傳熱和機(jī)殼圍護(hù)

3、結(jié)構(gòu)傳熱，另一是發(fā)電機(jī)組的冷卻循環(huán)風(fēng)的漏風(fēng)所帶來(lái)的熱量。大、中型發(fā)電機(jī)組的冷卻方式通常采用封閉式空氣自循環(huán)冷卻方式，發(fā)電機(jī)繞組的損耗傳給冷卻空氣，空氣的熱量再通過(guò)機(jī)組水冷卻器由冷卻水帶走。根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，定子排出的空氣溫度一般不超過(guò)65，而進(jìn)入轉(zhuǎn)子的空氣溫度一般不低于5。發(fā)電機(jī)機(jī)殼的散熱量可以按下式計(jì)算：w 其中：發(fā)電機(jī)機(jī)殼的傳熱系數(shù) w/發(fā)電機(jī)機(jī)殼的面積 發(fā)電機(jī)冷卻循環(huán)風(fēng)的平均溫度室內(nèi)空氣溫度發(fā)電機(jī)的漏風(fēng)散熱量可以按下式計(jì)算：w 其中：漏風(fēng)系數(shù)，鋼蓋板取0.3%發(fā)電機(jī)的冷卻循環(huán)風(fēng)量m3/h空氣比熱 w/kg空氣容重取1.2kg/m3發(fā)電機(jī)漏風(fēng)溫度室內(nèi)空氣溫度根據(jù)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的冷卻風(fēng)溫和發(fā)電機(jī)

4、的表面積，我們不難計(jì)算機(jī)組殼體的傳熱量。但漏風(fēng)熱量的計(jì)算上卻有較大的差異，隨著機(jī)械制造技術(shù)的不斷提高，特別是空氣冷卻器的效率的提高，發(fā)電機(jī)組的冷卻循環(huán)風(fēng)量各個(gè)廠商有較大區(qū)別。例如按機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算，30萬(wàn)kw機(jī)組的冷卻循環(huán)風(fēng)量約為200m3/h，但多數(shù)國(guó)際廠商提供的冷卻風(fēng)量約為120m3/h，這就給計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的出入。機(jī)組的冷卻風(fēng)量不僅和機(jī)組的容量有關(guān)，而且和機(jī)組的水頭、轉(zhuǎn)速、尺寸有關(guān)。一般情況下，冷卻風(fēng)溫越低，發(fā)電機(jī)的線圈溫度也越低，發(fā)電機(jī)的效率就越高，但是冷卻風(fēng)溫受冷卻器的布置尺寸影響，冷卻器大，機(jī)組的制造難度相對(duì)增大，經(jīng)濟(jì)性下降，冷卻風(fēng)溫不可能無(wú)限降低，機(jī)組制造廠設(shè)計(jì)時(shí)考慮一個(gè)經(jīng)濟(jì)區(qū)

5、域，達(dá)到機(jī)組的最大性?xún)r(jià)比。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)由發(fā)電機(jī)廠商提供冷卻循環(huán)風(fēng)量參數(shù)對(duì)漏風(fēng)熱量加以核算。2. 變壓器發(fā)熱量變壓器散熱散熱主要指變壓器內(nèi)部的能量損耗，由銅損（電阻損耗）和鐵損（鐵磁損耗）兩部分組成，其中銅損是隨負(fù)荷大小而變化，而鐵損與負(fù)荷的大小無(wú)關(guān)，可以看成一定值。通常將額定負(fù)荷時(shí)的銅損定為短路損耗，額定電壓下的鐵損定為空載損耗。自冷、風(fēng)冷和干式變壓器的損耗，全部散發(fā)到周?chē)諝庵?，而水冷變壓器的損耗則大部份由水冷卻系統(tǒng)帶走，一小部份由于油溫高于周?chē)諝鉁囟榷鴮崃可⑷肟諝庵?。一般情況下，封閉廠房、地下廠房和抽水蓄能電站，布置于廠房?jī)?nèi)部或地下的主變多采用庫(kù)水冷卻的主變，而電站中的

6、其他變壓器還有廠用變、照明變、事故變、勵(lì)磁變等，多采用風(fēng)冷或干式變壓器。風(fēng)冷變壓器的散熱量，簡(jiǎn)單地可以按下式計(jì)算： kw 其中：變壓器的空載損耗 kw 變壓器的短路損耗 kw水冷變壓器的散熱量可以按下式計(jì)算： kw 其中：油箱的平均油溫 ，一般在6570之間室內(nèi)氣溫 油箱的散熱面積 電站的水冷卻主變，受到冷卻水溫和水冷卻器效率的影響較大，特別是抽水蓄能電站，由于庫(kù)容較小，冷卻水溫受季節(jié)的影響較大，應(yīng)按正常運(yùn)行時(shí)，可能產(chǎn)生的最高水溫核算變壓器的散熱量。3. 母線、電纜發(fā)熱量在電站中，發(fā)電機(jī)和變壓器之間的連接多用自冷卻式封閉母線。母線的發(fā)熱量包括母線的功率損耗發(fā)熱和外殼感應(yīng)散熱兩部分。由于主線的兩

7、端分別分別連接發(fā)電機(jī)和變壓器設(shè)備，實(shí)際上母線與外殼之間的空氣是封閉的，外殼起到一個(gè)保護(hù)和屏蔽電磁波的作用，以減少母線電磁場(chǎng)對(duì)周?chē)姎庠O(shè)備和環(huán)境的影響，并沒(méi)有減小母線的散熱。母線的功率損耗散熱傳給母線和外殼間的空氣，然后通過(guò)外殼殼體傳入環(huán)境。而外殼感應(yīng)散熱則直接傳入環(huán)境。母線功率損耗引起的散熱量可以按下式計(jì)算： kw 母線外殼感應(yīng)散熱量可以按下式計(jì)算： kw 其中： 母線的相電流(a)母線在工作溫度時(shí)的直流電阻（/m）母線外殼在工作溫度時(shí)的直流電阻（/m）母線集膚效應(yīng)系數(shù)母線外殼集膚效應(yīng)系數(shù)母線的長(zhǎng)度(m)以下是某電站的母線參數(shù)： 表1 母線參數(shù) 序號(hào)基本參數(shù)主母線分支母線啟動(dòng)母線1額定電壓(k

8、v)1818182工作電壓(kv)19.819.819.83額定電流(a)1300025030004導(dǎo)體正常溫度8750745外殼正常溫度6747546導(dǎo)體截面積(mm2)21375335833587外殼截面積(mm2)15944836983698導(dǎo)體電阻/m1.3579外殼電阻/m1.879按上面兩式計(jì)算，主母線單相的散熱量約為550w/m，和母線制造商提供的母相散熱損耗600 w/m基本相近。母線的發(fā)熱損耗和母線的材質(zhì)、制造技術(shù)、焊接工藝水平關(guān)系較大。材質(zhì)越好，母線接頭的焊接工藝水平越高，其直流電阻就越小，發(fā)熱損耗也就越小。另外，在水電站廠房?jī)?nèi)敷設(shè)了各種電壓等級(jí)的動(dòng)力、照明、控制電纜，在運(yùn)

9、行中會(huì)散發(fā)出一定的熱量，如果電纜溫度過(guò)高，將導(dǎo)致電纜表面絕緣老化，電纜的載流量下降。在各種電纜中，低壓動(dòng)力電纜發(fā)熱量較大，電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)上，對(duì)電纜損耗大于150w/m的有通風(fēng)要求。一般的3000v以下的銅芯電纜的散熱損失較小。電纜截面350mm的發(fā)熱量約為25w/m，3150mm的發(fā)熱量約為40w/m，電壓等級(jí)越高，散熱量越小。因此，除在主廠房中設(shè)有大量的電纜橋架（如母線層、母線洞、水輪機(jī)層等）和專(zhuān)門(mén)的電纜層、電纜廊道應(yīng)核算電纜的發(fā)熱量，其他部位的電纜發(fā)熱可以忽略不計(jì)。4. 電抗器發(fā)熱量電抗器用于較大容量的配電裝置中，起到限制短路電流的作用，也可以用于整流裝置中作濾波電抗器。電抗器的散熱量可以按

10、下式計(jì)算： kw 其中：電抗器的利用系數(shù)，一般取=0.95電抗器的負(fù)荷系數(shù)，一般取=0.75電抗器在額定功率下的功率損耗(kw)，根據(jù)額定電流、額定電抗和型號(hào)確定。電抗器是由繞組組成的，發(fā)熱特性是熱容量和發(fā)熱量較大，達(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱量需要一段時(shí)間。如果是長(zhǎng)期運(yùn)行的電抗器，其發(fā)熱量是穩(wěn)定的，如果是間歇運(yùn)行的電抗器，應(yīng)按運(yùn)行時(shí)間和電抗器的發(fā)熱特性曲線確定發(fā)熱量。5. 高、低壓盤(pán)柜發(fā)熱量高壓配電盤(pán)柜的散熱量可以按下式計(jì)算： kw 其中：高壓開(kāi)關(guān)的工作電流 (a)高壓開(kāi)關(guān)的額定電流 (a)高壓開(kāi)關(guān)的額定電流時(shí)的散熱量 kw高壓開(kāi)關(guān)柜分為進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜和饋電開(kāi)關(guān)柜，一般說(shuō)來(lái)進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱量要比饋電開(kāi)關(guān)柜的發(fā)熱

11、量大。低壓配電盤(pán)柜的散熱量可以按下式計(jì)算： kw 其中： 盤(pán)柜的利用系數(shù) 盤(pán)柜的實(shí)耗系數(shù)低壓盤(pán)柜的功率損耗之和 kw由于電站內(nèi)各種盤(pán)柜的用途不同，盤(pán)柜的工作電流不同，一般說(shuō)來(lái)，工作電流越大，盤(pán)柜內(nèi)的電器元件發(fā)熱量也越大。對(duì)于集中布置的配電盤(pán)柜盡可能由設(shè)備制造商提供發(fā)熱量較為準(zhǔn)確。特別的，對(duì)于重要的配電盤(pán)柜，由于制造商對(duì)盤(pán)柜內(nèi)的電氣元件的保護(hù)，防止運(yùn)行濕度過(guò)大，絕緣性能的下降，在盤(pán)柜內(nèi)本身另設(shè)有電加熱器。一般每只盤(pán)柜在0.30.5kw左右，集中布置的繼電保護(hù)室等應(yīng)加以考慮。在高壓盤(pán)柜中，勵(lì)磁柜的發(fā)熱量較大。根據(jù)某電站外商提供的發(fā)熱資料：表2 勵(lì)磁柜的發(fā)熱量 序號(hào)名 稱(chēng)發(fā)熱量1整流閘管8kw2母線

12、組2kw3散熱風(fēng)機(jī)2kw4其它繼電器2kw5合計(jì)14kw由于勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)系到機(jī)組的安全啟動(dòng)和運(yùn)行，對(duì)于集中或封閉布置的勵(lì)磁盤(pán)柜應(yīng)較為準(zhǔn)確地核算其發(fā)熱量。6. sfc靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置發(fā)熱量sfc稱(chēng)為靜態(tài)變頻啟動(dòng)裝置，主要用于抽水蓄能電站的機(jī)組抽水工況的啟動(dòng)。它由輸入電抗器、輸出電抗器、濾波器、功率柜和直流電抗器組成。某個(gè)單機(jī)容量30萬(wàn)千瓦的抽水蓄能電站，根據(jù)外商提供的sfc裝置各設(shè)備的容量如下：表3 sfc裝置的容量 序號(hào)設(shè)備名稱(chēng)運(yùn)行時(shí)停止時(shí)1輸入電抗器27kw3kw2輸出電抗器63kw03濾波器83kw28kw4功率柜15kw6kw5直流電抗器200kw06合計(jì)388kw37kw我們可以看出，如

13、果按照滿負(fù)荷計(jì)算，sfc裝置的熱量高達(dá)388kw。按照一些已運(yùn)行的抽水蓄能電站的實(shí)際運(yùn)行分析統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)機(jī)組的啟動(dòng)，從靜止拖動(dòng)到并網(wǎng)時(shí)間僅需240秒，六臺(tái)機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間約為25分鐘。根據(jù)外商提供的sfc裝置運(yùn)行特性曲線，輸入電抗器、輸出電抗器和直流電抗器運(yùn)行25分鐘，發(fā)熱達(dá)到額定發(fā)熱量的20%，濾波器、功率柜發(fā)熱達(dá)到額定發(fā)熱量的70%左右。按此計(jì)算sfc裝置的發(fā)熱量約為126.6kw，是額定發(fā)熱量的32.6%。sfc裝置的發(fā)熱量和sfc的容量、運(yùn)行時(shí)間有極為密切的關(guān)系，如果要較為準(zhǔn)確的確定設(shè)備發(fā)熱量，應(yīng)請(qǐng)有關(guān)制造商提供設(shè)備的運(yùn)行特性曲線，然后根據(jù)設(shè)備的容量和運(yùn)行時(shí)間確定。7. 照明設(shè)備發(fā)熱量大、

14、中型電站隨著建筑裝修景觀設(shè)計(jì)對(duì)燈光的需求，照明功率有增加的趨勢(shì)。雖然照明設(shè)備的發(fā)展，電站的照明應(yīng)用從白熾燈和熒光燈向碘鎢燈和金鹵燈等高亮度燈源轉(zhuǎn)變。但照明設(shè)備散熱量屬于穩(wěn)定得熱，只要電壓、功率穩(wěn)定，散熱量是不變化的。照明所耗電能的一部分直接轉(zhuǎn)化為熱能,此熱能以對(duì)流、傳導(dǎo)和向周?chē)⒊?。光能以紅外輻射方式向外輻射，但紅外輻射不能直接被空氣吸收，而是透過(guò)空氣被周?chē)矬w吸收，爾后再給予空氣。轉(zhuǎn)化為光的那部分也是先射向周?chē)矬w，被物體吸收后再轉(zhuǎn)化為熱能，再以對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射等方式傳給空氣和其他物體。照明發(fā)熱量為：kw 其中：鎮(zhèn)流器消耗的功率系數(shù)，一般取1.2 照明燈具功率 kw一般情況下，全廠的照明發(fā)熱量約為照明變壓器容量的80%左右。但隨著電站自動(dòng)化程度的提高和無(wú)人值班的推廣，廠房?jī)?nèi)部的實(shí)際照明設(shè)備開(kāi)啟情況變化較大，可考慮正常運(yùn)行時(shí)照明的利用系數(shù)。工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向是多學(xué)科的不斷融合，專(zhuān)業(yè)間的相互了解和相互滲透是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。電氣專(zhuān)業(yè)較為準(zhǔn)確地確定設(shè)備發(fā)熱，