地下式水電站主要散熱設備及分布特性

摘要

摘　要：介紹地下式水電站主要散熱設備類型，分析散熱設備的散熱機理、散熱特性。針對某地下式水電站，對不同場所散熱設備的散熱功率分布進行了估算。針對地下式水電站設備散熱量

摘　要：介紹地下式水電站主要散熱設備類型，分析散熱設備的散熱機理、散熱特性。針對某地下式水電站，對不同場所散熱設備的散熱功率分布進行了估算。針對地下式水電站設備散熱量計算中存在的問題，提出建議。

關鍵詞：地下式水電站；　散熱設備；分布特性

Main Radiating Equipment and Its Disribution Characteristics in Underground Hydropower Station

Abstract：The types of main radiating equipnlent in underground hydropower station are described，the radiating mechanism and characteristics of radiating equipment are analyzed，and the distribution of radiating power of radiating equipment at the various sites is estimated．Some suggestions on problems existing in calculation of heat release from equipment in underground hydropower station are made．

Keywords：underground hydropower station；radiating equipment；distribution characteristic

散熱設備的散熱是地下式水電站通風空調系統的負荷來源之一，但是目前對散熱設備散熱的特性研究還不深入，導致設計計算結果偏大，由此帶來通風空調設備容量偏大。因此，有必要對地下式水電站(以下簡稱水電站)散熱設備的散熱特性進行研究，以優化通風空調系統的負荷計算。本文將發電設備(包括輔助設備等)與燈具統稱為設備。

1　要散熱設備

水電站發電工藝流程較復雜，涉及到的發電及配套輔助設備種類繁多，根據散熱設備的散熱機理及自身蓄熱特性，散熱設備可分為：重型水冷設備，蓄熱能力大，如發電機及水冷變壓器。重型風冷設備，蓄熱能力較強，如母線、風冷變壓器等。輕型風冷設備，蓄熱能力小，如燈具、電氣盤柜、電機等設備。其中，重型水冷設備大部分散熱量由設備自帶的水冷卻系統帶走，其余散熱量散發到廠房空間，重型和輕型風冷設備全部散熱量散發到廠房空　間同系統(發電系統、水力機械輔助系統、廠用電系統、直流系統、照明系統等^[1-4])的散熱設備及作用見表1。

2　散熱機理及散熱特性

①散熱機理

水輪發電機組散熱來源主要是鐵損、銅損以及各類機械摩擦。水輪發電機組冷卻系統主要包括發電機冷卻、軸承冷卻。大中型發電機普遍采用密閉式冷卻系統，即大部分熱量被發電機組冷卻系統的冷卻介質(當發電機和軸承分別以空氣、油為直接冷卻介質時，以水對空氣和油進行二次冷卻)帶走，而不是直接排到廠房空間^[5]。由于發電機蓋板周邊有縫隙，機殼內部分高溫空氣散發到廠房空間，部分熱量通過機殼表面以對流和輻射的方式傳到廠房空間。因此，水輪發電機組散熱包括漏風散熱、機殼散熱。

變壓器主要包括主變壓器、勵磁變壓器、廠用變壓器，散熱來源主要是空載損耗、負載損耗。變壓器根據冷卻方式可以分為：風冷變壓器、水冷變壓器、蒸發冷卻變壓器。其中，水冷變壓器、蒸發冷卻變壓器的大部分散熱量由冷卻介質(油或碳氟化合物)流經外部散熱器，被水冷卻系統帶走。由于變壓器冷卻介質溫度高于周圍空氣和環境表面溫度，散熱量以對流和輻射的方式散發到廠房空間。風冷變壓器與空氣進行對流換熱，將熱量散發到廠房空間。

母線的散熱來源主要是母線自身電阻熱效應及電阻附加熱效應。交變電流通過母線導體時，產生“集膚效應”和“鄰近效應”，這兩種效應會使載流導體電阻增大，產生附加電阻。母線散熱量以對流和輻射的方式傳到廠房空間。

電氣盤柜主要包括電氣一次系統的開關柜，電氣二次系統的調速器、監控設備、勵磁調節器等，廠用電系統的配電盤及直流系統的直流屏等。盤柜內部元件繁多，散熱元件主要有斷路器、接觸器、繼配電柜、互感器、熔斷器、避雷器、電容器、電抗器、軟啟動器、變壓器、儀表等^[6]。電氣盤柜散熱量以對流和輻射方式傳到廠房空間。

水電站廠房內燈具一般使用熒光燈。燈具的散熱來源主要是電阻熱效應，通過對流及輻射方式將熱量傳到廠房空間。

電機主要包括濾油機、油泵、空壓機、水泵，散熱來源主要是鐵損和銅損。電機散熱功率較小，一般采用空氣冷卻，電機散熱量以對流和輻射的方式傳到廠房空間。

②散熱特性

20世紀90年代以來，隨著設備制造工藝的提高，水電站大部分設備耗損降低，散熱量也隨之減少。主要體現在以下方面。

a．新型發電機改進了蓋板構造，實際漏風量很小。采用雙層蓋板的發電機基本不漏風，漏風散熱幾乎為零，且實際上發電機機殼內空氣溫度并沒有文獻[7]指出的40～45℃這么高，為30℃左右。

b．目前變壓器主要采用S9系列，S9系列變壓器在產品性能和結構方面比以往型號(如S7型)有很大的改進，空載損耗和負載損耗分別降低了10.25％、22.36％，散熱功率降低了17.80％^[8]。

c．1985年前，國內普便采用的電機主要是JO2系列產品。目前，國內使用的電機主要是Y系列產品。Y系列電機采用硅鋼片和8級絕緣結構等新材料和新技術，與JO2系列電機相比，更高效節能，散熱小，體積平均縮小15％，重量減輕12％，平均啟動轉矩提高30％，效率提高0.4％，損耗降低了6.9％左右^[9]。

對多座水電站散熱設備散熱功率進行歸納，總結出水電站散熱設備散熱功率，表2為除燈具外各場所散熱設備的散熱功率(折算成發電機組單位發電功率的散熱功率)及散熱規律，表3為各場所燈具的散熱功率(折算成單位建筑面積的散熱功率)及散熱規律。由表2、3可知，除母線、直流屏、監控設備、燈具等設備的散熱功率無明顯變化外，技術革新后大部分散熱設備的散熱功率均有不同程度下降。若按技術革新前散熱設備的散熱功率計算設備散熱量，易導致通風空調設備容量偏大。