浅探水电站电气设备发热量确定.doc

浅探水电站电气设备发热量确定摘 要：本文探讨了水力发电站的电气设备发热量确定存在的一些问题，对水电站内的发电机、变压器、母线、电缆、电抗器、高低压盘柜、静态变频启动装置和照明设备等主要电气设备的发热量确定进行了介绍和研究。关键字：水电站 电气设备 发热量近二十年来，随着国民经济的高速发展，我国的水电建设也进入一个高速发展阶段内，大量现代科学及技术和先进设备在水电站得到广泛运用。随着技术的进步和生活水平的提高，对水电站运行环境的温、湿度要求也越来越被人们重视。一方面是为了满足机电设备，特别是电子控制元件对运行环境要求的提高，另一方面是满足运行人员的舒适度要求的提高。要较为准确的控制环境的温、湿度，就需要对厂房的热负荷及其特性有比较深入的了解，这是一个好的通风空调系统设计的基础。水电站厂房的热负荷主要来自两个方面，一方面是建筑围护结构的得热量，另一方面是来自于电站内各种机电设备的发热。这几年，随着国内大型电站和抽水蓄能电站建设和国际的接轨，大量国际先进的制造技术和发电设备被引进、消化、运用。我们在建设和实践中遇到越来越多的新问题。电气设备的发热主要来源于发电机组、各类变压器、母线、电缆、高低压配电盘柜、电抗器和照明设备等。在这里，我们主要对大型电站和抽水蓄能电站中的电气设备发热特性进行一些初步探讨。1. 发电机组发热量发电机组的散热量主要来自于两个方面，一是发电机组的盖板传热和机壳围护结构传热，另一是发电机组的冷却循环风的漏风所带来的热量。大、中型发电机组的冷却方式通常采用封闭式空气自循环冷却方式，发电机绕组的损耗传给冷却空气，空气的热量再通过机组水冷却器由冷却水带走。根据实测的数据，定子排出的空气温度一般不超过65，而进入转子的空气温度一般不低于5。发电机机壳的散热量可以按下式计算：w 其中：发电机机壳的传热系数 w/发电机机壳的面积 发电机冷却循环风的平均温度室内空气温度发电机的漏风散热量可以按下式计算：w 其中：漏风系数，钢盖板取0.3%发电机的冷却循环风量m3/h空气比热 w/kg空气容重取1.2kg/m3发电机漏风温度室内空气温度根据发电机组内部的冷却风温和发电机的表面积，我们不难计算机组壳体的传热量。但漏风热量的计算上却有较大的差异，随着机械制造技术的不断提高，特别是空气冷却器的效率的提高，发电机组的冷却循环风量各个厂商有较大区别。例如按机电设计手册计算，30万kw机组的冷却循环风量约为200m3/h，但多数国际厂商提供的冷却风量约为120m3/h，这就给计算结果产生较大的出入。机组的冷却风量不仅和机组的容量有关，而且和机组的水头、转速、尺寸有关。一般情况下，冷却风温越低，发电机的线圈温度也越低，发电机的效率就越高，但是冷却风温受冷却器的布置尺寸影响，冷却器大，机组的制造难度相对增大，经济性下降，冷却风温不可能无限降低，机组制造厂设计时考虑一个经济区域，达到机组的最大性价比。因此，在实际的设计计算中，应由发电机厂商提供冷却循环风量参数对漏风热量加以核算。2. 变压器发热量变压器散热散热主要指变压器内部的能量损耗，由铜损（电阻损耗）和铁损（铁磁损耗）两部分组成，其中铜损是随负荷大小而变化，而铁损与负荷的大小无关，可以看成一定值。通常将额定负荷时的铜损定为短路损耗，额定电压下的铁损定为空载损耗。自冷、风冷和干式变压器的损耗，全部散发到周围空气中，而水冷变压器的损耗则大部份由水冷却系统带走，一小部份由于油温高于周围空气温度而将热量散入空气中。一般情况下，封闭厂房、地下厂房和抽水蓄能电站，布置于厂房内部或地下的主变多采用库水冷却的主变，而电站中的其他变压器还有厂用变、照明变、事故变、励磁变等，多采用风冷或干式变压器。风冷变压器的散热量，简单地可以按下式计算： kw 其中：变压器的空载损耗 kw 变压器的短路损耗 kw水冷变压器的散热量可以按下式计算： kw 其中：油箱的平均油温 ，一般在6570之间室内气温 油箱的散热面积 电站的水冷却主变，受到冷却水温和水冷却器效率的影响较大，特别是抽水蓄能电站，由于库容较小，冷却水温受季节的影响较大，应按正常运行时，可能产生的最高水温核算变压器的散热量。3. 母线、电缆发热量在电站中，发电机和变压器之间的连接多用自冷却式封闭母线。母线的发热量包括母线的功率损耗发热和外壳感应散热两部分。由于主线的两端分别分别连接发电机和变压器设备，实际上母线与外壳之间的空气是封闭的，外壳起到一个保护和屏蔽电磁波的作用，以减少母线电磁场对周围电气设备和环境的影响，并没有减小母线的散热。母线的功率损耗散热传给母线和外壳间的空气，然后通过外壳壳体传入环境。而外壳感应散热则直接传入环境。母线功率损耗引起的散热量可以按下式计算： kw 母线外壳感应散热量可以按下式计算： kw 其中： 母线的相电流(a)母线在工作温度时的直流电阻（/m）母线外壳在工作温度时的直流电阻（/m）母线集肤效应系数母线外壳集肤效应系数母线的长度(m)以下是某电站的母线参数： 表1 母线参数 序号基本参数主母线分支母线启动母线1额定电压(kv)1818182工作电压(kv)19.819.819.83额定电流(a)1300025030004导体正常温度8750745外壳正常温度6747546导体截面积(mm2)21375335833587外壳截面积(mm2)15944836983698导体电阻/m1.3579外壳电阻/m1.879按上面两式计算，主母线单相的散热量约为550w/m，和母线制造商提供的母相散热损耗600 w/m基本相近。母线的发热损耗和母线的材质、制造技术、焊接工艺水平关系较大。材质越好，母线接头的焊接工艺水平越高，其直流电阻就越小，发热损耗也就越小。另外，在水电站厂房内敷设了各种电压等级的动力、照明、控制电缆，在运行中会散发出一定的热量，如果电缆温度过高，将导致电缆表面绝缘老化，电缆的载流量下降。在各种电缆中，低压动力电缆发热量较大，电气设计手册上，对电缆损耗大于150w/m的有通风要求。一般的3000v以下的铜芯电缆的散热损失较小。电缆截面350mm的发热量约为25w/m，3150mm的发热量约为40w/m，电压等级越高，散热量越小。因此，除在主厂房中设有大量的电缆桥架（如母线层、母线洞、水轮机层等）和专门的电缆层、电缆廊道应核算电缆的发热量，其他部位的电缆发热可以忽略不计。4. 电抗器发热量电抗器用于较大容量的配电装置中，起到限制短路电流的作用，也可以用于整流装置中作滤波电抗器。电抗器的散热量可以按下式计算： kw 其中：电抗器的利用系数，一般取=0.95电抗器的负荷系数，一般取=0.75电抗器在额定功率下的功率损耗(kw)，根据额定电流、额定电抗和型号确定。电抗器是由绕组组成的，发热特性是热容量和发热量较大，达到稳定发热量需要一段时间。如果是长期运行的电抗器，其发热量是稳定的，如果是间歇运行的电抗器，应按运行时间和电抗器的发热特性曲线确定发热量。5. 高、低压盘柜发热量高压配电盘柜的散热量可以按下式计算： kw 其中：高压开关的工作电流 (a)高压开关的额定电流 (a)高压开关的额定电流时的散热量 kw高压开关柜分为进线开关柜和馈电开关柜，一般说来进线开关柜的发热量要比馈电开关柜的发热量大。低压配电盘柜的散热量可以按下式计算： kw 其中： 盘柜的利用系数 盘柜的实耗系数低压盘柜的功率损耗之和 kw由于电站内各种盘柜的用途不同，盘柜的工作电流不同，一般说来，工作电流越大，盘柜内的电器元件发热量也越大。对于集中布置的配电盘柜尽可能由设备制造商提供发热量较为准确。特别的，对于重要的配电盘柜，由于制造商对盘柜内的电气元件的保护，防止运行湿度过大，绝缘性能的下降，在盘柜内本身另设有电加热器。一般每只盘柜在0.30.5kw左右，集中布置的继电保护室等应加以考虑。在高压盘柜中，励磁柜的发热量较大。根据某电站外商提供的发热资料：表2 励磁柜的发热量 序号名 称发热量1整流闸管8kw2母线组2kw3散热风机2kw4其它继电器2kw5合计14kw由于励磁系统关系到机组的安全启动和运行，对于集中或封闭布置的励磁盘柜应较为准确地核算其发热量。6. sfc静态变频启动装置发热量sfc称为静态变频启动装置，主要用于抽水蓄能电站的机组抽水工况的启动。它由输入电抗器、输出电抗器、滤波器、功率柜和直流电抗器组成。某个单机容量30万千瓦的抽水蓄能电站，根据外商提供的sfc装置各设备的容量如下：表3 sfc装置的容量 序号设备名称运行时停止时1输入电抗器27kw3kw2输出电抗器63kw03滤波器83kw28kw4功率柜15kw6kw5直流电抗器200kw06合计388kw37kw我们可以看出，如果按照满负荷计算，sfc装置的热量高达388kw。按照一些已运行的抽水蓄能电站的实际运行分析统计，一台机组的启动，从静止拖动到并网时间仅需240秒，六台机组的启动时间约为25分钟。根据外商提供的sfc装置运行特性曲线，输入电抗器、输出电抗器和直流电抗器运行25分钟，发热达到额定发热量的20%，滤波器、功率柜发热达到额定发热量的70%左右。按此计算sfc装置的发热量约为126.6kw，是额定发热量的32.6%。sfc装置的发热量和sfc的容量、运行时间有极为密切的关系，如果要较为准确的确定设备发热量，应请有关制造商提供设备的运行特性曲线，然后根据设备的容量和运行时间确定。7. 照明设备发热量大、中型电站随着建筑装修景观设计对灯光的需求，照明功率有增加的趋势。虽然照明设备的发展，电站的照明应用从白炽灯和荧光灯向碘钨灯和金卤灯等高亮度灯源转变。但照明设备散热量属于稳定得热，只要电压、功率稳定，散热量是不变化的。照明所耗电能的一部分直接转化为热能,此热能以对流、传导和向周围散出。光能以红外辐射方式向外辐射，但红外辐射不能直接被空气吸收，而是透过空气被周围物体吸收，尔后再给予空气。转化为光的那部分也是先射向周围物体，被物体吸收后再转化为热能，再以对流、传导或辐射等方式传给空气和其他物体。照明发热量为：kw 其中：镇流器消耗的功率系数，一般取1.2 照明灯具功率 kw一般情况下，全厂的照明发热量约为照明变压器容量的80%左右。但随着电站自动化程度的提高和无人值班的推广，厂房内部的实际照明设备开启情况变化较大，可考虑正常运行时照明的利用系数。工程应用技术的发展方向是多学科的不断融合，专业间的相互了解和相互渗透是工程设计的基础。电气专业较为准确地确定设备发热，