封闭母线自然冷却的温度场分析【电子类】【2张图纸】【优秀】

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封闭母线自然冷却的温度场分析54页 22000字数+说明书+2张CAD图纸【详情如下】IPB断面布置图.dwg内封.doc发电机变压器组主接线图.dwg封闭母线自然冷却的温度场分析说明书.doc摘要.doc目录.doc秦山核电母线温度场分析程序.cpp秦山核电温度场分析数据-20.txt秦山核电温度场分析数据.txt目录前言11 母线及其分类31.1 母线结构的演变和大电流母线的技术特点31.1.1 母线的结构31.1.2 大电流母线的技术特点41.2 母线的类型和应用41.2.1 敞露母线41.2.2 离相封闭母线52 母线的传热原理72.1 对流换热概说82.1.1 自然对流和强制对流82.1.2 层流与紊流82.2 自然对流换热92.2.1 自然对流换热的机理92.2.2 大空间自然对流换热92.3 热辐射及辐射换热102.3.1 热辐射的基本概念102.4 太阳辐射113 封闭母线冷却方式的选择和防结露措施123.1 冷却方式的选择133.2 封闭母线防结露方案的确定153.2.1 采取防结露措施的必要性153.2.2 封闭母线的几种防结露措施及特点163.2.3 空调冷气微正压系统的结构及工作原理173.2.4 结论184封闭母线的热平衡计算194.1 母线导体损耗计算194.2 外壳损耗计算204.3 散热计算214.4 解热平衡方程255 温度场分析275.1研究目的275.2利用网格法对封闭母线的温度场进行分析275.3外壳散热的分析285.4导体温度的计算335.5 程序及其计算结果345.6 结果及分析376 技术经济分析397 结论41致谢42摘要母线是发电厂和变电所电能输送设备的重要组成部分, 主要用于联结大容量发电机的主出线和主变的低压侧，传递几千安培的大电流。如果母线发生故障,将造成发电厂和变电所停电,从而对电力系统的安全运行带来严重危害,因此,对母线可靠性的设计提出了很高的要求。本文主要介绍了母线的结构特征及分类，母线的温度场分析，并在此基础上选择了母线的冷却方式及防冷凝方案。我国在高垂直段母线方面的技术还比较落后，但对很多情况下需要设计研究高垂直布置母线。本文对秦山核电站的母线作了75米垂直布置分析研究。主要利用传热学原理对其温度场进行了分析，并用VC+语言对其进行了编程计算，得出了垂直布置母线的温度分布规律。依据该规律工程技术人员可以设计出经济可靠的母线系统，保证母线在允许的温度范围内工作。关键词：离相封闭母线；垂直安装；温度场分析AbstractBus bar is the importance part of power station and electric changing station,used for primarily the lord of the big capacity generator out export and the low-pressure side of electric transformer, delivering several thousand electric current. The power will be cut off if the occurrence breaks down, that brings the serious bane to the safe movementing of the electric power system. Therefore, it is very high request to the dependablly designing of bus bar.The construction and classifications of bus was described in the text. Analysising and investigating the temperature of bus bars is the main part of the text. How to choose cool way to enclose bus and defending congealed also was introduced. Our countrys study on vertical enclosed bus bars is laggard, but it is large needing of high vertical enclosed bus bars. The height of the Qinshan nuclear stations vertical enclosed bus bars is one seventy-five meters. The text analysis and investigate the temperature of vertical bus bars, and calculation the value by VC+. The analysis of temperature is help for engineers and workers. According to the regulation，engineers can design a more economy and dependable bus system, also, the workers at spot can check the system in the allow scope temperature.Key words: enclosed bus of separated phase; vertical installation; analysis and investigate the temperature of bus bars

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关键词：: 封闭母线自然冷却温度场分析电子类图纸封闭母线自然冷却

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封闭母线自然冷却的温度场分析

54页 22000字数+说明书+2张CAD图纸【详情如下】

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前言1

1 母线及其分类3

1.1 母线结构的演变和大电流母线的技术特点3

1.1.1 母线的结构3

1.1.2 大电流母线的技术特点4

1.2 母线的类型和应用4

1.2.1 敞露母线4

1.2.2 离相封闭母线5

2 母线的传热原理7

2.1 对流换热概说8

2.1.1 自然对流和强制对流8

2.1.2 层流与紊流8

2.2 自然对流换热9

2.2.1 自然对流换热的机理9

2.2.2 大空间自然对流换热9

2.3 热辐射及辐射换热10

2.3.1 热辐射的基本概念10

2.4 太阳辐射11

3 封闭母线冷却方式的选择和防结露措施12

3.1 冷却方式的选择13

3.2 封闭母线防结露方案的确定15

3.2.1 采取防结露措施的必要性15

3.2.2 封闭母线的几种防结露措施及特点16

3.2.3 空调冷气微正压系统的结构及工作原理17

3.2.4 结论18

4封闭母线的热平衡计算19

4.1 母线导体损耗计算19

4.2 外壳损耗计算20

4.3 散热计算21

4.4 解热平衡方程25

5 温度场分析27

5.1研究目的27

5.2利用网格法对封闭母线的温度场进行分析27

5.3外壳散热的分析28

5.4导体温度的计算33

5.5 程序及其计算结果34

5.6 结果及分析37

6 技术经济分析39

7 结论41

致谢42

摘要

母线是发电厂和变电所电能输送设备的重要组成部分, 主要用于联结大容量发电机的主出线和主变的低压侧，传递几千安培的大电流。如果母线发生故障,将造成发电厂和变电所停电,从而对电力系统的安全运行带来严重危害,因此,对母线可靠性的设计提出了很高的要求。

本文主要介绍了母线的结构特征及分类，母线的温度场分析，并在此基础上选择了母线的冷却方式及防冷凝方案。

我国在高垂直段母线方面的技术还比较落后，但对很多情况下需要设计研究高垂直布置母线。本文对秦山核电站的母线作了75米垂直布置分析研究。主要利用传热学原理对其温度场进行了分析，并用VC++语言对其进行了编程计算，得出了垂直布置母线的温度分布规律。依据该规律工程技术人员可以设计出经济可靠的母线系统，保证母线在允许的温度范围内工作。

关键词：离相封闭母线；垂直安装；温度场分析

Abstract

Bus bar is the importance part of power station and electric changing station,used for primarily the lord of the big capacity generator out export and the low-pressure side of electric transformer, delivering several thousand electric current. The power will be cut off if the occurrence breaks down, that brings the serious bane to the safe movementing of the electric power system. Therefore, it is very high request to the dependablly designing of bus bar.The construction and classifications of bus was described in the text. Analysising and investigating the temperature of bus bars is the main part of the text. How to choose cool way to enclose bus and defending congealed also was introduced.

Our country’s study on vertical enclosed bus bars is laggard, but it is large needing of high vertical enclosed bus bars. The height of the Qinshan nuclear station’s vertical enclosed bus bars is one seventy-five meters. The text analysis and investigate the temperature of vertical bus bars, and calculation the value by VC++. The analysis of temperature is help for engineers and workers. According to the regulation，engineers can design a more economy and dependable bus system, also, the workers at spot can check the system in the allow scope temperature.

Key words: enclosed bus of separated phase; vertical installation; analysis and investigate the temperature of bus bars

内容简介：: 中文题目：封闭母线自然风冷的温度场分析外文题目：THE TEMPERATURE ANALYSIS AND INVESTIGATE OF VERTICAL INSTALLATION ENCLOSED BUS BARS毕业设计（论文）共 68 页（其中：外文文献及译文13页）图纸共2张完成日期 2006年6月答辩日期 2006年6月目录前言11 母线及其分类31.1 母线结构的演变和大电流母线的技术特点31.1.1 母线的结构31.1.2 大电流母线的技术特点41.2 母线的类型和应用41.2.1 敞露母线41.2.2 离相封闭母线52 母线的传热原理72.1 对流换热概说82.1.1 自然对流和强制对流82.1.2 层流与紊流82.2 自然对流换热92.2.1 自然对流换热的机理92.2.2 大空间自然对流换热92.3 热辐射及辐射换热102.3.1 热辐射的基本概念102.4 太阳辐射113 封闭母线冷却方式的选择和防结露措施123.1 冷却方式的选择133.2 封闭母线防结露方案的确定153.2.1 采取防结露措施的必要性153.2.2 封闭母线的几种防结露措施及特点163.2.3 空调冷气微正压系统的结构及工作原理173.2.4 结论184封闭母线的热平衡计算194.1 母线导体损耗计算194.2 外壳损耗计算204.3 散热计算214.4 解热平衡方程255 温度场分析275.1研究目的275.2利用网格法对封闭母线的温度场进行分析275.3外壳散热的分析285.4导体温度的计算335.5 程序及其计算结果345.6 结果及分析376 技术经济分析397 结论41致谢42参考文献43附录A 英文译文44附录B 英文翻译原文50附录C 温度场分析源程序58摘要母线是发电厂和变电所电能输送设备的重要组成部分, 主要用于联结大容量发电机的主出线和主变的低压侧，传递几千安培的大电流。如果母线发生故障,将造成发电厂和变电所停电,从而对电力系统的安全运行带来严重危害,因此,对母线可靠性的设计提出了很高的要求。本文主要介绍了母线的结构特征及分类，母线的温度场分析，并在此基础上选择了母线的冷却方式及防冷凝方案。我国在高垂直段母线方面的技术还比较落后，但对很多情况下需要设计研究高垂直布置母线。本文对秦山核电站的母线作了75米垂直布置分析研究。主要利用传热学原理对其温度场进行了分析，并用VC+语言对其进行了编程计算，得出了垂直布置母线的温度分布规律。依据该规律工程技术人员可以设计出经济可靠的母线系统，保证母线在允许的温度范围内工作。关键词：离相封闭母线；垂直安装；温度场分析AbstractBus bar is the importance part of power station and electric changing station,used for primarily the lord of the big capacity generator out export and the low-pressure side of electric transformer, delivering several thousand electric current. The power will be cut off if the occurrence breaks down, that brings the serious bane to the safe movementing of the electric power system. Therefore, it is very high request to the dependablly designing of bus bar.The construction and classifications of bus was described in the text. Analysising and investigating the temperature of bus bars is the main part of the text. How to choose cool way to enclose bus and defending congealed also was introduced. Our countrys study on vertical enclosed bus bars is laggard, but it is large needing of high vertical enclosed bus bars. The height of the Qinshan nuclear stations vertical enclosed bus bars is one seventy-five meters. The text analysis and investigate the temperature of vertical bus bars, and calculation the value by VC+. The analysis of temperature is help for engineers and workers. According to the regulation，engineers can design a more economy and dependable bus system, also, the workers at spot can check the system in the allow scope temperature.Key words: enclosed bus of separated phase; vertical installation; analysis and investigate the temperature of bus bars0 前言随着生产和科学技术的发展，电能已成为工业、农业、国防、交通及国民经济各个部门不可缺少的动力，成为改善和提高人们物质文化的重要因素，一个国家电力工业的发展水平，往往是反映国民经济发达程度的重要标志。母线是发电厂和变电所电能输送设备的重要组成部分，其性能关系到发电厂和变电所及整个电力系统的安全运行，母线发生故障,将造成发电厂和变电所停电,从而对电力系统的安全运行带来严重危害,因此,对母线设计的可靠性提出了很高的要求.将带电的母线用外壳加以封闭保护，即为封闭母线。封闭母线主要用于联结大容量发电机的主出线和主变的低压侧。它的导体和外壳均由铝板卷制后焊接而成，导体和外壳之间由支柱绝缘子支持，与设备（发电机，变压器等）联结处，导体端部焊有带接线端子的金具，将导体端部封死。封闭母线通常分段制造，根据现场布置情况，长度从3米到6米不等，以便运输和安装。现场组装时，段与段之间由半圆弧形铝抱瓦焊接起来。导体和外壳均使用非导磁铝材，由于运行时外壳上感应出与导体电流大小近似相等而方向相反的电流，壳外漏磁场很弱，所以，可极大地减小涡流损耗和短路时的电动力，且安全可靠。因此，大容量发电机组的单元接线都采用封闭母线联结。封闭母线一般有水平安装、倾斜安装、垂直安装等形式. 通常母线采用水平安装的形式，此时,各零部件的受力情况良好,尤其是绝缘子,因处于垂直受压位置,故易满足强度要求。但随着机组容量的不断增大，并受地质条件和布置空间等因素的限制,封闭母线有时只能采用倾斜和垂直安装相组合的方式.为此需对垂直安装结构的合理布置进行分析.常规的安装方法是将水平安装的结构转90度。垂直安装设计简单,但零部件受力情况不好,尤其是绝缘子因处于水平位置,自身要受到导体重量引起的弯矩,其联接螺栓则受横向载荷及翻转力矩的共同作用,故强度差.因此,除对导体、外壳及焊缝进行强度计算外,需对联接螺栓、绝缘子、绝缘子座及联接板详细地进行受力分析和强度计算。除此之外，母线在实际运行中由于存在着电阻损耗而发热,这一热量如不能及时散失,将使母线温度升高, 导致导体的载流能力下降，发电机的输出功率下降，甚至把接头烧坏，并且绝缘子的绝缘性能也会降低，从而影响母线的工作性能。为了保证垂直布置的封闭母线工作的安全性和可靠性,需对其发热问题进行热分析。目前，我国自行研制的最高垂直段离相封闭母线为27.1米，而国外发达国家的垂直段离相封闭母线已达300米以上，技术水平差距很大，现在世界上各个国家都在充分利用水力资源，大力发展低污染的水电建设，机组容量是越来越大，垂直布置的母线是越来越高，所以发展大容量高垂直段离相封闭母线已是大势所趋。根据国家“十五”电力发展规划要大力发展水电，实现西电东送，而水电建设环境比较复杂，在我国电源结构中，水电比重达到25%，重点开发黄河上游，长江中上游及其它支流，红水河，澜长江中下游和乌江等流域，需垂直布置的离相封闭母线比较多，垂直布置的离相封闭母线与水平布置的封闭母线具有不同的特点，而我国在高垂直段母线方面的技术还比较落后。目前已有很多研究人员对导体、外壳、焊缝、联接螺栓、绝缘子、绝缘子座及联接板详细地进行受力分析和强度计算，但对高垂直段封闭母线内的发热规律的研究很少，此项目完成后能够使工作人员了解掌握垂直段封闭母线内的温度分布，进而保证垂直布置的封闭母线在允许的温度范围内工作，为以后大功率、大容量机组、需要高垂直段封闭母线的水电站建设奠定理论基础。高垂直段离相封闭母线项目符合国家“西电东送”战略目标的要求通过学习传热学了解掌握导热的基本知识，进而利用导热原理来分析垂直段封闭母线内的发热规律。本文对高垂直段封闭母线发热规律作了研究，使封闭母线设计和现场运行人员了解并掌握垂直段封闭母线结构及其内部温度分布规律，进而保证垂直布置的封闭母线在允许的温度范围内工作。1 母线及其分类1.1 母线结构的演变和大电流母线的技术特点1.1.1 母线的结构发电厂和变电所广泛地使用母线（或称汇流排）连接各种电机和电器，以传输电流和功率，并通过配电装置分配电能。母线一般是用电导率高的铝、铜型材质成（又称硬母线），用耐高电压的绝缘子（一般是陶瓷）支持。由于铝的成本低，现在除要求高机械强度等特殊情况下才用铜导体外，普遍使用铝导体。母线大部分装设户内，但也有一部分在户外。它是电站内部的电力线路，应满足安全和经济运行的要求。母线的工作状况与它所承载的电流和电压有关。母线电流对母线工作状态的影响涉及电磁学、热学、和力学三种无力现象，其中最主要的是：导体中的电流分布和功率损耗；导体的散热和温升；短路时导体和绝缘子承受的电动力和机械应力。合理的设计应使温度和应力不超过允许值，同时总投资费和总运行费之和最小。电流较小的母线具有扁平的矩形截面，即所谓矩形母线和平板母线，用支柱式绝缘子支持，材料起初是高纯度的铜，在铝工业发展后逐渐被高纯度的电解铝代替。矩形截面的优点是散热面比圆形的大，并且它的平面便于螺栓连接。我们国家最大的单片矩形母线承载的工作电流可达2KA左右。当工作电流较大时可采用24片组成的多片矩形母线，片间留有宽度等于片厚的通风间隙。但4片矩形母线的载流能力一般不过四千多安。矩形母线常被用于容量为50MW及以下的发电机或容量为60MVA及以下的降压变压器10.5KV侧的引出线及其配电装置。在各级电压的电站中，以发电机电压（在我国常用的有10.5、13.8、15.75、18、20KV等）的母线电流最大。随着发电机额定功率的增大，其额定电压增高不多，而额定电流越来越大。目前我国电力系统中主力发电机的容量多数为100350MW，其工作电流约为513KA。600MW发电机，其额定电压约为20KV，工作电流约达23kA。国外大型发电机容量达1000MW以上，工作电流达36kA以上。这样大容量的发电机，一般都是经过引出母线与升压变压器（在发电厂中称主变压器）直接连接（即“单元制”接线），把电能送入高压电网内。这种连接母线的长度，在火电厂中一般较短，约为2040m，在水电厂中由水利工程总体布置决定，其变化范围约为20200m，甚至更长。此外，供电给大功率负荷（例如冶金企业）的10kV电力线路电流也很大，通常也使用硬母线，其长度更大些，甚至可达1km左右。1.1.2 大电流母线的技术特点输送较大工频电流的母线，具有以下一些：由于截面增大，电流集肤效应强烈，多片矩形已不是合理的截面形状，而让位于接近于空心圆管的形状；母线的磁场能使附近的钢结构受到电磁感应而产生大量功率损耗和发热；随着发电机组容量和电力系统容量的增大，故障时通过母线的短路电流也相应增大，这又引起导体间的巨大电动力；现代供电的高度可靠性对母线提出了封闭的要求；由于母线散热的困难增加和有色金属消耗的增加，在电流特别大的情况下（例如15kA以上），宜于采用强制冷却的措施。这些情况加在一起，引起母线形式结构的变化起初是截面形式的改变，以后是结构的改变。母线形式结构随电流增大而演变的过程可大体表示如下：矩形多片矩形双槽形及其它（类似空心管形）外壳不连式离相封闭母线外壳全连式离相封闭母线风冷封闭母线1.2 母线的类型和应用大电流母线可分为两大类：敞露母线和封闭母线。1.2.1 敞露母线在我国大电流敞露母线的导体主要采用两个轧制的槽铝组成，即所谓双槽形母线。这两根槽铝形成一个空心方管，中间留有间隙以加强散热。不同尺寸的双槽母线可用于2kA到9kA线路。虽然从减小集肤效应得角度来看，这种母线不如圆管。但它的四个平面可供两端作电气连接之用。特别是具有圆角的双槽母线集肤效应比方角的小，更为优越。除了双槽形母线外，可供使用的其它截面形状还有由四片矩形导体拼成的菱形和圆管形等，但实际应用不多。敞露母线按照导体的支持方式又分为两类，即支持式和悬挂式。（一）支持式母线支持式母线的导体是用适合于母线工作电压的支持式绝缘子固定在钢构架或墙板等建筑物上。最常见的是三相导体位于一个平面上，即并排布置，每相导体用一个绝缘子支持。根据厂房布置得情况，三相导体的平面多数十水平的，也有时是垂直的，此外有时也可以做成三角形布置。（二）悬挂式母线悬挂式母线的导体是利用高压架空线路用的悬式绝缘子吊挂在建筑物上。一般是三相垂直排列。在局部地点，也可以根据厂房布置得需要做成三相水平或等边三角形或其它排列形式。由于悬挂式绝缘子有很大的抗拉强度（X-4.5C型为4500kg），悬挂式母线可设计成610m的大跨距，这时双槽形导体的机械强度得到充分利用，而使支点减少，由于绝缘子击穿而发生故障的机会也减少。此外，这种母线结构简单，安装方便，附近钢构发热损耗也比较小。因此在水电厂和大功率供电线路中常被采用作较长的母线。在火电厂中，由于主厂房布置的限制，一般不用这种导线。敞露母线多用于电流在4kA以下的母线。大体说来36kA的使用外胶装绝缘子的敞露母线附近钢结构发热虽已显著，但使用内胶装绝缘子的母线由于绝缘子高度较低，钢结构离相母线较近，5kA时已需采用专门措施。1.2.2 离相封闭母线敞露母线暴露在环境中，容易受到人、动物以及其它物体的偶然接触而发生接地和短路，绝缘子还可能由于容易受到灰尘和潮气的污染而使其性能下降，这些情况在母线的全长范围内都会发生，而且定期清扫也要耗费相当多的工作量。由于供电可靠性日益重要，对母线和其它原来是敞露的电器（如隔离开关等）逐渐提出了封闭的需求。在二三十年代，曾经把每相母线装设在单独得水泥洞内或用水泥隔板隔开，以避免相间短路。这种结构虽然提高了可靠性，但是建筑复杂，维修不便。当时电流水平不过三千多安。到四十年代以后，随着电流的加大，国外开始采用金属外壳的封闭母线，其金属壳接地。这种封闭母线在制造厂中制成约36m的段，大大减少了现场施工的工作量，提高了母线质量而缩短了工期。最初的金属外壳是用高电阻的非磁性钢（锰钢）做成，其截面是方形，好像长方形的箱子，里面装着绝缘子支持的双槽母线。此后改用电阻率低的铝壳。起初三相放在一个箱内，用隔板隔开，叫做隔板母线。后来发现当一相对箱子接地时的电弧会把箱子烧穿，接着发展为两相对地短路，因此改成每相有一个单独得外壳，叫做离相封闭母线，这样一相接地就不会直接发展成为两相对地短路，而一相接地的电流很小，机组仍可继续运行，一面进行处理。以后逐渐改用圆筒形。母线导体则随着电流增大而逐渐过渡到圆管形或八边形截面（分两半）。由于母线电流在铝壳上感应出轴向电动势，其值在短路时可达到100200V，对人身有危险，因此每一制造段外壳的两端做成与临段绝缘，同时将每段接地，叫做不连式或分段绝缘式外壳。这种外壳的每一段上由于邻相电流的感应（邻近效应）而产生涡流，并造成一定的功率损耗。但短路时的外壳涡流，却起了阻止邻相磁场进入壳内的屏蔽作用，从而大大减少了短路时作用于母线上的电动力。到五十年代，又有了较大的改进，这就是随着铝的氩弧焊技术的完善，把沿长度各段外壳在现场焊接起来并在两端把三相外壳同铝板焊接起来，形成三相全连式的外壳，简称全连式，因为三相外壳回路中由于电磁感应而产生环流，环流数值大约等于母线电流但方向相反，这就使壳外的磁场大部分消失。全连式离相母线的出现标志着现代母线结构的完善化。它把铝壳的全部优点都发挥出来了，这就是：彻底解决了随着电流不断加大所产生的比较突出的钢结构发热问题；不连式封闭母线的母线电动力虽然减轻了，但更大的电动力却被转移到外壳上，而全连式母线的外壳环流和涡流起了双重的电磁屏蔽作用，从而进一步减轻了母线的电动力，同时外壳上的电动力也很小；进一步提高了密封性；封闭外壳可作为通风冷却用的管道，成为风冷母线，使尺寸减小。壳内空气经过风机和水冷器进行闭式循环，通常由两边相进风，由中相出风（或相反）。在边相与中相外壳间的连管中装有消离子栅，以免当一相母线发生导体接地时电弧产生的离子扩散到邻近相引起两相接地短路。图11 ；离相封闭式Fig. 11 Enclosed bus of separated phase离相封闭母线虽然成本要比敞露式母线高，有色金属消耗量也多，但由于有诸多重要的优点 ,目前仍被广泛应用。2 母线的传热原理在自然界中，凡是有温差存在的地方，热量就会由高温处向低温处传递。热量传递的三种基本方式是：导热、对流和辐射。一、导热热量从物体中温度较高部分传递到温度较低部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为导热（又称热传导）。在纯导热过程中，物体各部分之间不发生相对位移，也没有能量形式的转换。气体和液体中的导热现象基本上可以看作是由于分子不规则运动相互碰撞的结果。气体和液体温度越高，分子运动的动能越大。能量大的分子与能量小的分子相互碰撞，热量就由高温区域传到低温区域中去。金属导体中有很多自由电子，金属物质中的导热主要靠自由电子的运动来完成。因此，通常导电性好的金属导热性能也好。在不导电的固体中，导热是通过晶体结构的振动（即原子和分子在其平衡位置附近的振动）来实现的。这是导热过程的微观机理。传热学研究导热仅限于导热现象的宏观规律。二、对流气体和液体统称流体。在有温差的情况下，液体各部分之间发生相对位移即流动时，也会引起热量的传递，与此同时还伴随着导热现象。在工程技术上大量遇到的是流动着的流体与固体壁面之间所发生的热量交换过程，称为对流换热。对流换热是流体的对流和导热联合作用的结果。对流分为自然对流和强制对流两类。相应地也有两类对流换热。自然对流是由于流体各部分温度不同，使各部分密度不同而引起的运动。电器设备表面临近的空气受热上升就是典型的自然对流的例子。如果流体的运动是由于水泵、风机或其它压力差造成的，则称强制对流。风冷封闭母线中冷却空气的流动就是强制对流的例子。三、辐射物体同过电磁波传递能量的过程称为辐射。物体产生辐射的原因不同，由于热的原因引起的辐射过程称为热辐射。传热学中提到的辐射就指热辐射。一切物体，只要温度高于绝对零度，都在不停地向四周辐射能量，同时又不断地吸收其它物体发出的辐射能。辐射和吸收过程的综合结果就产生了以辐射方式进行的热量传递过程，称为辐射换热。当物体与四周环境温度相同时，辐射换热量就等于零。实际物体的热量传递过程往往是上述三种方式的组合。2.1 对流换热概说流体与固体壁面相接触时的对流换热是流体的对流与导热联合作用的结果。在对流换热中，单位时间内所传递的热量常用牛顿冷却公式表示式中对流换热量（W）； F换热面面积（）；对流换热系数，或称对流放热系数（W/），表示流体与壁面相差1时，单位时间里通过单位面积的对流换热量；壁面与流体的温度差，恒取正值（）。牛顿冷却公式实质上是把对流换热的全部特性集中在这个系数上。然而对流换热是一个非常复杂的过程，值的决定涉及到一系列物理现象。因此首先须对对流换热过程进行深入研究，才能够恰当地求得不同场合下的表示式。到目前为止，虽然对流换热的理论体系正在逐步建立和完善，但分析求解或数值计算对许多复杂场合还不能应用，而主要依靠实验研究方法来建立对流换热的规律。在对流换热的实验研究中，通常应用相似理论方法。相似理论是一种把实验研究（模化试验）中的若干个别数据提高到理论概括的高度的一整套完整的方法。根据这个理论，把物理现象中的各个参量重新组合成一组能反映现象本质的新参量，叫做相似准则，或简称准则。用准则方程来描述对流换热过程，可以大大减少代表影响因素的独立变量数目，并且使实验结果具有相当的通用性。2.1.1 自然对流和强制对流一般说自然对流的强度取决于流体受热的情况、流体的种类以及过程进行处的空间大小和换热面的位置、面积的大小等因素；强制对流的强度则与流体的流动速度、流体的种类以及流道的形状等因素有关。流体强制对流换热中也同时存在着自然对流，但当强制对流强烈时，自然对流的影响常可略去。2.1.2 层流与紊流流体的运动状态有两种，一种是层流，一种是紊流。以圆管内强制对流换热为例，当流体的平均流速较小时，由于分子的摩擦（粘性）作用，流体成层地平行于流道壁面流动。层与层之间没有流涕微团相互掺杂，叫做层流。但当增加到超过某一临界值时，流体的流动出现了漩涡，而且漩涡不断地发展、扩散，引起不规则的脉动，这种性质的流体称为紊流。由于流体的粘性，壁面上流体的速度总等于零。层流时，速度分布呈抛物线型；紊流时，核心地区的漩涡促进了流体的扰动混合，使速度分布趋于平坦，但在接近壁面处表现出比层流时更大的速度梯度。速度变化剧烈的这一薄层叫做“速度边界层”。紧贴壁面的流体流速已降到足够小，仍然保持了层流的性质。这部分可以称为紊流的“层流底层”。越小，层流底层将越厚，当减小到等于或低于临界值时，整个流动就表现为层流。2.2 自然对流换热自然对流换热在工程上应用十分广泛，本节简单介绍几种典型情况下的自然对流换热。2.2.1 自然对流换热的机理流体的自然对流是由于换热引起流涕各部分温度不同而产生的流动。以竖壁在空气中的自然对流换热为例，在换热面附近一薄层里存在温度变化。假定竖壁温度均匀，并高于空气温度。与壁面接触处的空气温度等于壁温。随着离开壁面的距离增加，空气温度逐渐降低，待到离开热表面相当距离以后，空气温度几乎不再变化，其温度等于没有受到换热影响的环境温度。在此薄层内，流体由于密度差，向上流动，其速度也有变化。自然对流的流动状态也有层流和紊流两种。仍以竖壁为例，下面一段是层流，上面一段是紊流。从层流转变到紊流的临界点是由温差、高度和流体的物性决定的。2.2.2 大空间自然对流换热大空间自然对流换热是指换热面附近没有足以影响流体热边界层发展的物体情况下的自然对流换热。如封闭母线的外壳，周围虽有临相母线以及其它物体，但一般不影响外壳周围热边界的流动，可视为大空间自然对流换热。图21 两个热竖壁间的空气流动Fig.21 The air current of two perpendicular wall两个平行热竖壁与其间空气层的换热，如图31所示，只要，就可以作为大空间的自然对流换热问题来处理。封闭母线的垂直短高度不大时，其夹层间隙G满足时，也可视为大空间患热。2.3 热辐射及辐射换热2.3.1 热辐射的基本概念任何物体，只要温度大于绝对零度，就能发射辐射能。辐射现象大体上可以用电磁波动说来解释。根据电磁波原理，温度大于绝对零度的物质内部电子的振动和激动也会产生微观的时变电场和磁场，并以电磁波向周围传播。电磁波运载的能量叫做辐射能。原则上，物体可以发射从0的任何波长的射线，但不同波长载运辐射能的数量不同，波长为零的电磁波载运的辐射能为零。另一方面，外部的射线被物体吸收重新变为热能的实际上只限于波长为0.440的电磁波。我们把0.440的这些电磁波统称为热射线，其中0.40.8的电磁波就是可见光，而0.840的是红外线。在一般温度下的物体所放射的辐射能中红外线占绝大部分，而可见光所占比例很小。例如2000K时，可见光仅占1.95%。只有在极高温度下，如6000K（相当于太阳表面温度）时，可见光才占重要地位，约占46%。工程上很少达到这样高的温度，因此我们所讨论的，都是指红外线辐射。投射到一物体表面的总能量可以分成三部分：一部分被吸收，一部分被反射，另一部分穿透物体，如图32所示。显然有+=或+=1式中各项依次称为物体的吸收率A、反射率R和穿透率D，且A+R+D=1图32 物体对热辐射的反射、吸收和穿透Fig.32 Object to hot radioactive of glint, absorb and wear deeply如果A=1，就表示投射到物体上的辐射能全部被物体吸收，这种物体称为黑体，或绝对黑体。R=1和D=1的物体分别叫做绝对白体和绝对透明体。自然界没有真正的绝对黑体、绝对白体和绝对透明体。对于固体，一般都是不透明体，即D0（即使是玻璃也只是对可见光才成为透明体，对红外线来说也是部透明体），A+R=1。于是善于反射的物体就一定不能很好地吸收辐射能；反之，物体能很好地吸收辐射能，它的反射率就一定比较小。2.4 太阳辐射户外母线受到太阳辐射，母线吸收的最大太阳辐射能量几乎与损耗功率具有相同数量级。对于强制风冷母线太阳辐射足以使导体和外壳温度升高2左右。对于自冷母线，问题更加严重，可以使母线温度升高810之多。由于太阳队母线的辐射通量随地区、季节、时间、天气而异，情况很复杂。母线到达最高、天气晴朗无风等情况下，母线温度是否在允许的范围以内。3 封闭母线自冷的选择和防结露措施水布垭水电站安装4台460MW全连自冷离相封闭母线。额定电压24kV，额定电流15500A，每台机封闭母线自坝内发电机风洞处水平引出23.5米，垂直竖井引出118米，再水平引出100米接至主变压器低压侧，具体布置图见图3-1。具体技术参数见表3-1。图3-1 水布垭垂直段母线布置图Fig.31 The diagram of vertical enclosed bus bars of Shuibuya3.1 冷却方式的选择封闭母线的冷却方式主要有自然冷却(以下简称自冷)和强迫风冷(以下简称风冷)两种方式。全连式离相封闭母线采用自然冷却，其电流最大可达30 000 A，超过该值一般就应采用风冷方式。然而，由自冷到风冷的过渡在国际上并没有严格的规定或统一的标准，其过渡是平缓的。大部分国家，如西欧在运行电流25 000 A左右处选择过渡，而在美国和日本其过渡电流在15 000 A左右。另外，冷却方式的选择往往也取决于母线在电站中的布置和结构尺寸的限制。水布垭水电站封闭母线的额定电流为15500 A，从技术角度而言，采用自冷或风冷都是可行和满足要求的，因此其冷却方式的选择必须从水布垭水电站的实际情况出发，选择合理的冷却方式。表3-1 水布垭封闭母线的主要技术参数Tablet.3-1 The main technique parameters of enclose bus of Shuibuya序号名称技术参数主回路分支回路1额定电压/kV24242额定电流/A1550050003额定频率/Hz50504热稳定耐受电流及时间/kA100/3170/35动稳定耐受电流/kA2704606绝缘水平工频耐压（有效值）分钟冲击耐压（峰值）65651251257最高允许温度/母线导体9090镀银接头105105外壳7070外壳支撑结构7070绝缘件1501508外壳联结全连式全连式9环境温度/4010海拔高度/m小于1000米封闭母线冷却方式的比较，主要考虑以下因素：运行的安全可靠性、设计的复杂性、制造安装的难易程度及维护检修的方便性等。从运行的安全可靠性而言，一般来说自冷比风冷可靠性更高。风冷方式需要使用风机、热交换器、过滤器、水气管路、去离子装置等风冷附属设备，风冷母线总的热损耗的70%80%左右被循环空气排出，但当风机等装置发生故障时，机组将被迫减负荷运行，减负荷的多少则取决于导体和外壳的允许温度。在一般情况下，风冷装置发生故障时，机组只能在40%70%的额定负荷下继续运行，由于自冷母线没有上述设备，可使故障率大大减小。就封闭母线的设计而论，风冷封闭母线的设计较为复杂。风冷母线设计时，要根据风量、风压、进(出)口风温、水温等，通过计算来选择风机、空气水热交换器、空气过滤器、连接风管等设备和各种检测仪表，此外，还要设计一套自动控制装置来监视并操纵母线及风冷设备的正常运行、事故报警以及运行和备用两套冷却装置的自动切换等。由于还要承受一定的风压，风冷母线的强度要求高。相对而言，自冷母线的设计相对简单，正确性高。从制造和安装的难易程度而言，采用风冷需增加风冷附属设备，显然增加了设备制造和安装的工作量，加之风冷母线的外壳即为风道的一部分，其密封性要求高，这无疑又增加了制造和安装的难度。整个风冷系统还需调试，以检测母线导体、外壳温度、进(出)口风温、风量、风压、热交换器及进、出口水温等参数，确定母线及风冷设备运行是否正常并符合设计要求。自冷母线无风冷方式所要求的配套设备，在母线安装完毕后，除进行正常的绝缘耐压等试验外，不需要更多的调试，因而制造和安装工作量大为减少。从运行维护方面考虑，风冷母线投运后，除了监视导体、外壳的温度外，还要经常检查冷却系统的运行情况，如风机运转是否正常，风温、水温、风量等参数是否有变化，并要定时记录，若发现异常，要查明原因，如不能继续运行，则要及时退出检修，并投入备用风机。退出检修的风机等设备，也要及时修理或更换零、部件，并使之处于备用状态，以备随时投入运行，因此，封闭母线的风冷系统运行维护工作量较大。自冷母线不需要定期维护检修，只需随机组大修时做少量维护检查，运行时也只要监视一下导体、外壳温度不超过标准即可，因而运行维护简便、工作量小。风冷母线通常采用离心式风机，噪声可达90dB以上，而自冷母线无风机等设备，噪音很小，不会污染环境。自冷母线的结构尺寸一般大于同容量的风冷母线，其导电截面积大，电阻小，损耗自然也小；而风冷母线除本身的损耗较大外，还需加上风机的电能损耗。另外，风冷母线对冷却水的水质也有严格的要求，如果水质较差，容易导致冷却水管堵塞或腐蚀严重，而自冷母线无须考虑这方面的问题。自冷与同容量的风冷母线相比，其缺点是要占用较大的空间，消耗的铝材多。对于水布桠电站而言，由于采用坝后式厂房，发电机出线空间较大，因此这一缺陷对水布桠电站并不十分明显。从国际上封闭母线制造和应用的发展趋势来看，30 000 A以下的全连式离相封闭母线正愈来愈多地采用自冷方式，如法国ALSTHOM公司和SI MELECTR公司、意大利MAGRI NI公司等近年生产的25 000 A左右的母线大都采用自冷方式；虽然美、日等国早期生产的12 00015 000 A封闭母线采用风冷，但近年来也多采用自冷，如石洞口二电厂从美国DELTA- UNIBUS公司进口的600 MW机组封闭母线，其额定电流达19 000 A，亦采用自然冷却；目前世界最大的水电站巴西依泰普电站28 000 A封闭母线也是采用自然冷却。由此可见，在一定极限电流以下，封闭母线的冷却更趋向于选择简单的自冷方式。由于风冷母线无论是设计、制造、安装、运行维护工作量及复杂程度都大为增加，而且偶然事故不可避免，因此风冷母线通常仅在自冷已经达到其容量极限时方为采用。对于水布垭水电站额定电流为15500A，远小于30000A，因此初步选定其冷却方式为自然冷却，至于是否合理还要对封闭母线导体和外壳的温度场进行分析研究来校核。3.2 封闭母线防结露方案的确定 3.2.1 采取防结露措施的必要性离相封闭母线尽管有金属外壳封闭，但是由于其封闭性及环境、运行温差等各种因素造成母线内部凝露，大大降低其绝缘水平及可靠性，直接影响到发电机组的安全运行，严重时导致短路事故发生。因此，对于封闭母线外壳内部的空气湿度有必要进行限制和处理，特别是对于沿江、河、湖、海等地区使用的封闭母线更应该采取有效措施加以处理，使封闭母线外壳内的空气湿度降下来，避免潮气凝结在固体绝缘子上，降低封闭母线的绝缘性能，影响封闭母线正常运行。另外，由于封闭母线运行时温度较高，而外界环境温度较低时，特别是在机组停下来时，加上空气比较潮湿，这样就很容易在封闭母线外壳上凝结成水，从而影响封闭母线的绝缘性能，因此需对封闭母线进行防凝露研究。大容量封闭母线运行时导体温度较高，外界环境温度较低，而且母线竖井内空气潮湿，当机组停下来后，母线内部会发生结露，所以经常保持封闭母线内部处于干燥状态，对于保证其绝缘性能极为重要。特别是在温度高、相对湿度大、温差大或者是寒冷、潮湿的地区，其防结露措施更是必不可少。3.2.2 封闭母线的几种防结露措施及特点要降低相对湿度，可以采用升高温度和降低绝对湿度两种方法。针对不同的环境状况及结露现象，常用的防结露措施有以下几种。（1）利用空气加热器的方式这种方案一般是在封闭母线适当的位置设置空气加热器，使封闭母线外壳内部空气的温度高于外部气温，提高其内部绝缘部件表面空气的露点温度，绝缘部件的表面就难以结露。设置空气加热器时，需要计算加热器的功率。当母线处于热平衡状态时，其加热功率应等于母线外壳的对外散热量。在稳定状态下，外壳散热量全部以辐射和自然对流的方式传递给周围环境。另外，当母线内部空气温度很高的时候，在外部气温降低很多的情况下，由于内部空气温度较高，就会导致内壁表面空气降低到露点温度，使外壳内壁或支柱绝缘子靠近支撑底盖部件的位置结露。因此，空气加热器必须根据环境状况严密控制。另外，由于需要加热空气，必然增大厂用电的消耗，而且使封闭母线的散热状况变差，不利于缩小封闭母线的导流面积，其优点是制造成本相对较低。（2）对封闭母线绝缘部件局部加热封闭母线的导体和外壳间由支柱绝缘子和盘式密封绝缘套管支持，如能保持这些绝缘件干燥清洁，则能大大提高绝缘水平。因此可以采用对这些绝缘件局部加热的方法。即在其底座上或其附近设计加热器，使它们的温度升到露点以上，潮湿的空气就不会在其表面结露。但由于这种方法对垂直段封闭母线的绝缘子加热效果不好，同时也不能防止导体表面和外壳内部结露，所以这种方法仅适用于长度较短的水平布置的封闭母线。而且，还必须对加热器温度进行控制，以防因温度过高而加速绝缘件的老化。（3）定时向封闭母线内送入干燥空气即将去湿干燥过滤的清洁空气按照设定的时间间隔送入封闭母线内部，同时排出潮湿的空气。气源可以使用电站或者工厂使用的0.71.5Mpa压缩空气。经报警装置、过滤器、流量计、各种阀门，最后由调压阀将气压降至0.01Mpa送入封闭母线，使其内部产生一个不超过0.5kMa的微正压。当然，在确定方案之前，需要根据封闭母线内部容积及其密封程度系数、所用压缩空气的绝对湿度、设定的换气间隔（一般是可调的）等参数来计算换气所用的空气量。这种方案对封闭母线的密封性能要求较高，且要求有去湿、干燥而且清洁的气源。（4）通风除湿此方案是在机组停机时启动通风机，向母线内部通入相对温度较高的热空气或干燥空气，达到维持母线内部绝缘水平的目的。而在封闭母线正常运行时，由于其内部温度较高，其绝缘水平也能维持在较高数值，故不必通风。在选取通风设备时，需计算母线内空气阻力、风量等。这种方案仅适用气候条件较好（不易结露）的地区，对于相对湿度和温度都较高的地区，效果并不理想。（5）除湿机除湿可根据封闭母线内空气容积、沿程阻力等，设计安装一套除湿机，直接去除母线内的水汽以降低相对湿度。除湿机需采用闭环方式，因而需要另外安装一套回风系统，并要确保其压力。此方案设计、安装都比较复杂，成本较高。（6）空调冷气微正压系统即利用致冷空调将封闭母线内的空气进行循环致冷，除去空气中的水分，达到防结露的目的，这是一种全新的防结露措施。空调冷气微正压系统主要由窗式空调器作为脱水冷却空气源、冷却小室、风机（其中一台为备用）和送气、回气管路等组成。此方案设计、安装都比较简单，成本也较低，通过在孟加拉国吉大港电厂210MW机组封闭母线上应用，其防结露效果非常好。通过对现有的各种封闭母线防结露装置运行情况综合分析，空调冷气微正压系统在经济性和防结露效果方面都比较好，因此，建议选用空调冷气微正压系统。3.2.3 空调冷气微正压系统的结构及工作原理经过分析计算，确定空调冷气微正压系统所用空调器的功率和数量，用=0.5mm厚的镀锌板和泡沫保温夹层制作成连在一起的一级和二级冷却小室。一般情况下，小室的长宽高约为4m2m1.5m即可。再配上两台经过计算确定了其功率和转速的风机（其中一台为备用）及送气、回气管路等。图3-2是吉大港电厂封闭母线空调冷气微正压装置系统简图。以此为例来说明其工作过程：从封闭母线返回的空气和经过滤网补充的空气一起进入一级冷却室。E、F两空调器从一级室进气，经一次冷却脱水后从E、F的出风口排出，沿内部风道进入二级冷却室中G、H两空调器的进风口，经二次冷却脱水后的空气由G、H出风口进入二级室。之后由风机压入封闭母线内。二级室内的空气经过两次冷却后，不仅温度降低很多，而且空气中的水汽压也比室外大气压低很多。所以，这些气体进入封闭母线内部后，温度只能逐步上升。由于空气中的水汽压随着温度的升高，饱和点也在升高，也就是说冷空气在升温过程中，能够吸收周围的水分，吸收了水分的空气再经回气管路进入冷却室进行冷却脱水。这样一直循环就达到了防结露的目的。图3-2 吉大港电厂空调冷气微正压装置系统简图Fig3-2 The simple diagram of air condition and cold air system3.2.4 结论通过对水布垭电站封闭母线进行技术和经济比较，说明采用自然冷却方式优于强迫风冷方式。在防结露方面，空调冷气微正压系统具有结构简单，运行可靠，维护简便，防结露效果明显，可大大提高相对湿度、温度高、温差也大的条件下封闭母线的绝缘性能。另外，它还有改善导体散热状况以及对封闭母线的密封性能要求不高等优点。其缺点是增大了封闭母线成本，但与其它防结露装置相比，成本增加并不是大很多。对电厂来说，稍稍增加了厂用电的消耗，总的来说，其优点还是主要的。因为它完全避免了因封闭母线结露而造成的事故停机或无法起机的问题，从而大大减少了事故停机给电厂、电网及用户造成的各种损失。所以，确定采用空调冷气微正压装置作为水布垭电站封闭母线的防结露设备。4封闭母线的热平衡计算自冷封闭母线的散热能力要比敞露母线差，因此热计算显得更重要，根据我国标准规定，铝母线的导体允许温度85-90，外壳的允许温度65-70。根据正交设计法得到的优化尺寸算得导体和外壳的运行温度，若算得的导体和外壳的温度值在此范围内，则说明设计尺寸正确，反之，则说明设计尺寸错误，需重新选择母线尺寸，具体方法如下：分别计算出导体和外壳在给定环境条件下的发热量和散热量，检验两者之间的误差是否在允许范围内，如果发热量大于散热量，并且误差超出允许范围，说明封闭母线尺寸选择的偏小，需要加大，甚至需采取冷却措施。反之，说明封闭母线尺寸偏大，可适当减小。4.1 母线导体损耗计算（1）母线导体功率损耗（即发热）的计算每相导体功率损耗为 (W/m) 式中：通过封闭母线导体的长期最大工作电流，对发电机主回路取发电机额定电流的1.05倍，对本工程取封闭母线的额定电流，=15500A；母线导体在计算温度tm时的直流电阻（/M）；母线导体在20时的直流电阻率，对于铝母线=0.0295mm2/M；电阻温度系数，对于铝母线=0.004/；母线导体的计算温度，取导体长期运行工作温度为其计算温度为=85；母线导体截面积（mm2），对于圆管导体；母线导体外径（mm）；母线导体厚度（mm）；集肤效应系数。对圆管母线，频率为50Hz时其计算公式为 (2-11)对本工程，取导体长期运行工作温度为其计算温度tm=85；邻近效应系数，封闭母线的主导体因受铝外壳的屏蔽作用，几乎完全摆脱了邻近效应，所以=1。垂直段封闭母线的长度，=118m 。4.2 外壳损耗计算由于采取全连分相封闭母线和外壳两端通过短路板连接并接地的结构，所以导体电流在外壳感应出大小与导体电流几乎相等，但方向相反的轴向环流。在一般条件下，当封闭母线长度时，可取A（为母线导体额定电流），当封闭母线长度时，可取A。这里水布垭水电站封闭母线垂直段的长度为118米，远远大于20米，所以应取=15500A。另外除了环流还会产生临相剩余磁场在外壳上感应出的涡流，这是因为铝外壳不是超导体，壳外尚有剩余磁场，不过其强度只有敝露母线的百分之几。该剩余磁场，在周围钢构件上感应出的涡流和功率损耗很小，可以忽略不计，只需计算外壳的环流损耗。每相外壳损耗： (W/m)式中：外壳环流，取=15500（A）；外壳在计算温度tk时的直流电阻；外壳运行温度（）外壳截面积（mm2）（mm）外壳直径（m）外壳厚度（m）集肤效应系数：其中（m）。4.3 散热计算由第二章传热学原理，热量传递的方式有三种:导热、对流和辐射。热量从物体中温度较高部分传递到温度较低部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为导热(热传导)；气体和液体统称流体，在有温差的情况下，流体各部分之间发生相对位移即流动时，也会引起热量的传递，与此同时还伴有导热现象，在工程上大量遇到的是流动着的流体与固体壁面之间所发生的热量交换过程，称为对流换热，对流换热是流体的对流和导热联合作用的结果，封闭母线壁面邻近的空气受热上升就是典型的自然对流换热;物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因引起的辐射过程称为热辐射。载流母线的发热量通过对流、辐射和导热传递到周围环境中去。在传热分析时假定母线导体、外壳的内外表面温度分别相同，即略去通过金属壁的径向导热热阻。对于封闭母线，散热的方式主要是辐射换热和对流换热。（1）母线导体对外壳的辐射散热母线导体对外壳的辐射换热属于组成封闭空间的两物体间的辐射换热，由于辐射散热沿高度方向上没有积累，因此可以看成在垂直母线的各个高度上的辐射散热量都相等，则每相每米的母线导体对外壳的辐射散热量为：（W/m）式中：辐射常数，=5.67W/(m2K4)；系统组合黑度；，分别为导体外表面和外壳内表面的黑度，本工程封闭母线导体外表面和外壳内表面均涂无光泽黑漆，其黑度范围为0.85-0.90，这里取=0.90；外壳外径（mm）；外壳厚度（mm）；外壳的计算温度，取外壳长期工作运行温度为其计算温度，即=65；其它符号意义同前。（2）母线导体对外壳的对流散热属于有限空间的对流散热母线导体与夹层中空气之间的换热属于有限空间的自然对流换热，在封闭空间中，空气的自然对流换热情况十分复杂。换热系数与冷热表面的相对位置、空间形状和大小都有关系，为方便起见，通常采用当量导热系数概念，把通过同心圆管夹层的对流换热看成是一种导热现象，再应用导热的基本公式计算，这里的当量导热系数已经包括对流换热系数。母线导体对外壳的对流散热计算可按如下步骤进行：1)定性温度= ()2)定形尺寸（m）3)空气的容积膨胀系数 =4)根据定性温度查表求得物性参数（空气运动粘度，单位m2/s）；（普朗特尔准则数）；（介质的导热系数，单位为W/m*），已将此表编入计算机程序，计算时可以方便查找应用。5)计算格拉晓夫准则数6)计算瑞利准则数 7)计算努谢尔特准则数其中C、m、n的值由表4-1查得。表4-1 夹层自然对流换热C、m及n值Tablet.4-1 The value of C、m and n夹层位置适用范围Cmn夹层竖放6103Ra2105 （层流）0.1971/41/92105Ra0.809m即可，为了方便计算也取=1m。(2)计算对流换热系数时，Nu (5-15)= (5-16)其中为导体与外壳之间的空隙。系数C、n、m的值应由表3-2查得。表5-2 夹层自然对流换热C、m及n值Tablet.5-2 The value of C、m and n夹层位置适用范围Cmn夹层竖放6103Ra2105 （层流）0.1971/41/92105Ra1.1107 （紊流）0.0731/31/9 (3)计算导体温度时，应用已经求得的相对应段的外壳温度代替环境温度。(4)导体的发热量即为总的发热量，导体的对流散热与辐射散热之和为总的散热量，即热平衡方程改为： (5-17)(5) 导体单元上的对流换热系数的计算不同导体单元上的计算平均努塞尔数的等式无论是层流还是紊流都是一样的即：=() (5-18)唯一不同的是层流时和紊流时计算、的等式中的C、m的值不同，C、m的值由表5-2查得。 (6)在计算导体对外壳的辐射散热量中的值不同 = (5-19)系统组合黑度=母线导体外表面的黑度外壳内表面的黑度5.5 程序及其计算结果对于上述计算公式已用VC+进行了编程，程序流程图如图5-2。图5-2 导体外壳温度场分析流程图Fig.5-2 The procedure flow chart由程序计算得到的数据如下表3-3：表5-3 单相垂直布置封闭母线导体和外壳的温度分析数据Tablet.5-3 The bus and out shell temperature analysis datas高度(m)导体温度()外壳温度()高度(m)导体温度()外壳温度()高度(m)导体温度()外壳温度()171.654.064172.456.1718156.08272.4271.854.7674272.656.1698256.07972.2372.056.2714372.456.1668356.07772.4472.256.2544472.656.1648456.07572.2572.456.2514572.456.1628556.07372.4672.656.2494672.656.1608656.07172.2772.456.2474772.456.1588756.06872.4872.656.2454872.656.1558856.06672.2972.456.2424972.456.1538956.06472.41072.656.245072.656.1519056.06272.21172.456.2385172.456.1499156.05972.41272.656.2365272.656.1469256.05772.21372.456.2335372.456.1449356.05572.41472.656.2315472.656.1429456.05372.21572.456.2295572.456.1409556.05072.41672.656.2275672.656.1379656.04872.21772.456.2255772.456.1359756.04672.41872.656.2225872.256.1339856.04472.21972.456.225972.456.1319956.04272.42072.656.2186072.256.12910056.03972.22172.456.2166172.456.12610156.03772.42272.656.2136272.256.12410256.03572.22372.456.2116372.456.12210356.03372.42472.656.2096472.256.12010456.03072.22572.456.2076572.456.11710556.02872.42672.656.2046672.256.11510656.02672.22772.456.2026772.456.11310756.02472.42872.656.2006872.256.11110856.02172.22972.456.1986972.456.10810956.01972.43072.656.1967072.256.10611056.01772.23172.489.1937172.456.10411156.01572.43272.656.1917272.256.10211256.01272.23372.456.1897372.456.10011356.01072.43472.656.1877472.256.09711423.00872.23572.456.1847572.456.09511556.00672.43672.656.1827672.256.09311656.00472.23772.456.1807772.456.09111756.00172.43872.656.1787872.256.08811855.99972.23972.456.1757972.456.0864072.656.1738072.256.084根据表5-3的数据，利用matlab得到导体外壳的温度随高度的变化曲线如下图5-3，为了更加清晰地表达出导体温度曲线规律，对其曲线进行了局部放大，如图5-4。图5-3 导体、外壳温度变化曲线图Fig.5-3 The bus conductor and out shell temperature changing chart 图5-4导体温度曲线局部温度放大图Fig.5-4 The part of the conductor temperature 5.6 结果及分析由导体、外壳温度变化曲线图可知，高垂直段封闭母线导体的温度是随其高度的变化而变化的，但并非是最高点的温度为最高，而是在一定的高度范围内有一个温度循环，在每一个温度循环内有一个最高温度，而外壳的温度则是在底部随着高度的增加而增加，到达了一定程度后，则随着高度的增加逐渐减小，但变化不大。出现以上结果的主要原因是：对于导体：导体对外壳的自然对流换热属于流体有限空间进行自然对（a） (b)图5-5有限空间的自然对流Fig.5-4 Nature convection in limited space流换热，图5-5画出了夹层内的有限空间自然对流示意图。空气的流动状态为层流时，随着层流边界层的不断增厚，换热系数逐渐下降，故导体在底部时的温度是随高度的增加而增加，当空气的流动状态为紊流时，空气的运动混乱，受热和冷却同时存在，并相互影响，因为较小，故导体与外壳的夹层两侧的空气边界层发展必然相互干扰而形成环流。对于外壳：外壳对周边空间的自然对流散热属于大空间自然对流换热。由于靠近外壳的空气薄层受热而密度减小，于是产生浮力而上升，空气微团在不断上升过程中，不断从外壳吸收热量，而使空气温度不断增高，形成愈来愈厚的边界层。在外壳的下部，边界层开始是层流状态，然后是过度状态，最后发展成紊流状态。外壳自下而上，随着层流边界层的不断增厚，换热系数逐渐下降，经过过度区，换热系数开始增大，直至紊流区换热系数逐渐趋于常数（见图5-1）。导体外壳温度场分析程序/*#include#include#include#include#define q 120/数组长度#define a 0.001 #define b 0.056#define y 0.01#define dk 1.2/外壳直径#define dd 0.65/导体直径#define lkx 0.267/参数#define tx 40.0/环境温度#define pi 3.1415/#define qw 155.576 #define g 9.8 #define x 0.04#define j 0.055 #define d 0.2 /*struct pvw/求参数,Pr的结构体double w;/double v;/double p;/Pr;pvw* pvwp(pvw* pv,double t)/求参数,Pr的函数pv-w=(0.00000020833333*t*t*t*t-0.00004750000000*t*t*t+0.00397916666667*t*t-0.13824999999998*t+4.42999999999967)*1.0e-2;pv-v=(-0.00000004166667*t*t*t*t+ 0.00000916666667*t*t*t-0.00059583333333*t*t+0.11208333333327*t+12.95000000000084)*1.0e-6;pv-p=-0.00000000416667*t*t*t*t+0.00000108333333*t*t*t-0.00010458333333*t*t+0.00424166666666*t+0.63800000000002;return pv;/*double qkdp(double* tk,double* lk,int i)/求外壳对流散热的函数double c; /参数cdouble n;/参数ndouble xx;double yy;double tt;/特征温度double qkdx; /外壳对流散热的热量tt=0.5*(tki+tx); /求特征温度pvw f; /声明结构体变量fpvwp(&f,tt); /调用pvwp(pvw* pv,double t)函数 if(1e5=(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*f.w*f.v*f.v) &(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*f.w*f.v*f.v)=2e13)c=0.6;n=0.20; else if(2e13=(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*f.w*f.v*f.v)& (qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*f.w*f.v*f.v)=1e300)c=0.17;n=0.25; /确定参数c,n的值 xx=(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*f.w*f.v*f.v);/*(g*lki*lki*lki*f.p*(tki-tx)/(f.v*f.v*(273+0.5*(tki+tx);*/yy=pow(xx,n);/pow(xx,n)函数是求xx的n次幂的函数 qkdx=pi*c*dk*yy*(tki-tx)*f.w;return qkdx;/*double qlkdp(double* tk,double* tlk,double* Nulk,double* Grlk,double* lk,int i)/求外壳每一米的对流散热 double tt,c,n,rr,uu,chaNulk,ref,qlkdx; Nulk0=0.0; tt=0.5*(tki+tx); pvw fl; /声明结构体变量fl pvwp(&fl,tt); if(1e5=(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*fl.w*fl.v*fl.v)&(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*fl.w*fl.v*fl.v)=2e13)/层流 c=0.6; n=0.20; Grlki=(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*fl.w*fl.v*fl.v); rr=(Grlki*fl.p); uu=pow(rr,n); Nulki=c*uu; chaNulk=1.25*(Nulki-Nulki-1); ref=chaNulk*fl.w; qlkdx=pi*ref*dk*(tlki-tx); else if(2e13=(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*fl.w*fl.v*fl.v)& (qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*fl.w*fl.v*fl.v)=1e300) c=0.17; n=0.25; Grlki=(qw*g*lki*lki*lki*lki)/(273+0.5*(tki+tx)*fl.w*fl.v*fl.v); rr=(Grlki*fl.p); uu=pow(rr,n); Nulki=c*uu; chaNulk=(Nulki-Nulki-1); ref=chaNulk*fl.w; qlkdx=pi*ref*dk*(tlki-tx); return qlkdx;/*double qmdp(double* tm,double* tk,double* lm,int i) /求导体的对流散热 double tt,c,m,n,Ra,rlf,yoyo,tot,dsds,nu,qmdx; tt=0.5*(tmi+tki); pvw fm; /声明结构体变量fm pvwp(&fm,tt); Ra=(g*lkx*lkx*lkx*fm.p*(tmi-tki)/(fm.p*fm.v*(273+tt); if(6e5=Ra)&(Ra=2e6) c=0.197; m=0.25; n=1/9; else c=0.073; m=1/3; n=1/9; tot=pow(Ra,m); /中间变量 dsds=lkx/lmi; /中间变量 yoyo=pow(dsds,n); /中间变量 nu=c*tot*yoyo; rlf=(nu*fm.w)/lkx; /rlf是 qmdx=pi*dd*rlf*lmi*(tmi-tki);return qmdx;/*double qlmdp(double* tm,double* tk,double* nulm,double* Ra,double* lm,int i)/求导体每一米的对流散热 double tt,c,m,n, rlf,yoyo,tot,dsds,chanulm,ref,qlmdx; nulm0=0.0; tt=0.5*(tki+tx); pvw fl; /声明结构体变量fl pvwp(&fl,tt); Rai=(g*lkx*lkx*lkx*fl.p*(tmi-tki)/(fl.p*fl.v*(273+tt); if(6e5=Rai)&(Rai=b)|(qmi+qki)-(qkdi=qkdp(tk,lk,i)+(qkfi=19.23786*lki*(tki+273)/100)*(tki+273)/100)*(tki+273)/100)*(tki+273)/100)-95.97924961)/(qmi+qki)(qkfi+qkdi) tki=tki+a; else tki=tki-a; /*求出外壳1米的温度*/ tlki=tki; cout 外壳的温度导体的温度n;for(i=2;i(qlkfi-1+qlkdi-1) tki=tki+a; else tki=tki-a; qmi=15500.0*15500.0*(1.3e-6)*lki; qki=15500.0*15500.0*(1.14e-6)*lki; qkfi=19.23786*lki*(tki+273)/100)*(tki+273)/100)*(tki+273)/100) *(tki+273)/100)-95.97924961); qkdi=qkdp(tk,lk,i); while(qmi+q

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