封闭母线导体热平衡计算

1、收稿日期 :2006-11-03基金项目 :辽宁省教育厅资金资助项目 (2004.D.043作者简介 :赵丽娟 (1964 , 女 , 辽 宁 阜 新 人 , 东 北 大 学 在 读 博 士 , 辽宁工程技术大学机械 工程学院教授 , 主要从事机械电子工程 方面的研究与教学工作 ; 吕铁亮 (1981 , 男 , 辽宁大石桥人 , 辽 宁 工程技术大学在读硕士 ; 赵娜 (1982 , 女 , 辽宁丹东人 , 辽 宁 工 程 技术大学在读硕士 .0引 言 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 , 因此需对母线进行合理的设计与研究

2、。 700M W 以上的机组 采用强迫风冷封闭母线 , 既可以满足大水电、 大火电、 核电的 需要 , 又使我国对封闭母线的研究水平有一个质的飞跃。本 文对广东岭澳核电站封闭母线导体的发热情况进行了研究。 该 核 电 站 将 安 装 2台 1000M W 全 连 强 迫 风 冷 离 相 封 闭 母 线 , 额 定 电 压 24kV , 额 定 电 流 33kA , 每 台 封 闭 母 线 由 发 电 机组引出水平母线 40m , 到 发 电 机 厂 房 外 再 垂 直 下 降 4m 接至主变压器低压侧。1初步估计母线尺寸根据强迫风冷封闭母线设计要求和主要技术指标 :额定电压为 24kV , 额

3、定电流为 33kA , 工频耐压为 70kV , 冲击耐 压为 150kV , 动稳定电流为 560kA 等初步确定母线采用铝 制全连式 , 其截面尺寸分别为 :母线导体直径 D m =0.5m , 母线 导 体 厚 度 G m =0.016m , 母 线 导 体 和 外 壳 净 距 G=0.3m , 母 线 外 壳 直 径 D k =1.116m , 母 线 外 壳 厚 度 C k =0.008m , 母 线 导 体 黑度 m =0.90, 外壳对太阳辐射的吸收率 A S =0.26。2封闭母线导体的发热量计算每相每 1m 导体功率损耗为P m =I m 2R m K m K om (W/m

4、 (1 R m =201+(t m i -20m×10-6(2 F m =(D m -m m(3 K m =1+0.031-(t m i -75 m 3.75×1-(t m i -75 m m1.5(4 K om =1(5式中 , I m 为母线额定电流 , A ; R m 为母线导体在计算温度时的 支流电阻 , /m ; 20为母线导体在 20 时的直流电阻率 , 对于 铝母线 20=0.0295 mm 2/m ; 为电阻温度系数 , 对于铝母线 =0.004 ; t m i 为 第 i 段母线导体 运 行 温 度 ; F m 为 母 线 导 体 截文章编号 :0559-

5、9342(2007 06-0058-02封闭母线导体热平衡计算赵丽娟 1, 2, 吕铁亮 2, 赵 娜 3(1. 东北大学机械工程与自动化学院 , 辽宁 沈阳 110004; 2. 辽宁工程技术大学机械工程学院 ,辽宁 阜新 123000; 3. 辽宁工程技术大学电气工程系 , 辽宁 阜新 123000关键词 :封闭母线 ; 传热 ; 热平衡 ; 强迫风冷 摘要 :对广东岭澳核电站即将安装的强迫风冷离相封闭母线的结构进行了分析 , 并对母线导体进行了热量计算 , 确定了母线的基本尺寸 , 为封闭母线的结构优化设计以及进一步选择封闭母线相关设备提供了科学依据。Heat Equilibrium C

6、alculation of Seal Generatrix ConductorZhao Lijuan 1,2, Lv Tieliang 2, Zhao Na 3(1. Mechanical Engineering and Automation College Northeastern University, Shenyang Liaoning 110004; 2. Mechanical Engineering College, Liaoning Engineering Technical University, Fuxin Liaoning 123000; 3. Electrical Engi

7、neering Department, Liaoning Engineering Technical University, Fuxin Liaoling 123000Key Words:seal generatrix; heat transfer; heat equilibrium; forced air -coolingAbstract:According to the structure of forced air cooling seal generatrix that will be installed in Guangdong Ling ao Nu-clear Power Stat

8、ion, this paper analyzes its structure, calculates the heat of the seal generatrix conductor and determines the basic dimensions of the seal generatrix, provides the scientific basis for the structure optimization design and equipment that will be further chosen related with seal generatrix.中图分类号 :T

9、M642.6文献标识码 :A第 33卷第 6期 2007年 6月水 力 发 电 Water Power Vol.33. No.6 Water Power Vol.33. No.6表 11000MW 风冷封闭母线导体温度计算值 面积 ; D m 为母线导体外径 , m ; m 为母线导体厚度 ; K m 为集肤 效应系数 ; K om 为临近效应系数 , 封闭母线的主导体因受铝的 屏蔽作用 , 几乎完全摆脱了临近效应 , 所以取 K om =1。所以式 (1 为 :P m =I m 2R m K m K om =4421.34(W/m 以上结果为电流通过母线导体时的发热功率 , P m =I m

10、 2R m , 所以此时母线电阻率R m =0.0406 mm 2/m不同温度下的电阻值按下式换算R 2=R 1T+t 21"(6式 中 , R 1、 R 2分 别 为 在 温 度 t 1、 t 2时 的 电 阻 值 ; T 为 计 算 用 常 数 , 铝导线取 225, 铝母线导体在 20 时的直流电阻率为 20=0.0295 mm 2/m , 则 t 2=112 。由于铝母线的导体允许温度 国家标准不超过 90 , 经计算知母线采用自冷方式不符合国 家标准 , 必须采用强迫风冷。3强迫风冷封闭母线正常工作时的热平衡计算3.1母线导体的热平衡方程第 i 段单位长度母线导体的热平衡方

11、程为 :P mi =Q M D ai +Q M D gi +Q M Fi (i=1, , n (7P mi =g (D m -2C m mi -1(ai +ai +g D m mi -1(gi +gi +(mi +273 4-(ki +273 4D m m +m m m (m-1 式 中 , P mi 为 第 i 段 单 位 长 度 导 体 的 功 率 损 耗 ; Q M D ai 为 第 i 段 母 线 导 体 以 强 制 对 流 换 热 方 式 传 递 给 母 线 管 内 的 空 气 流 ;Q M D gi 为 第 i 段 母 线 导 体 以 强 制 对 流 换 热 方 式 传 给 母 线

12、 夹 层中的 空 气 流 ; Q M Fi 为 第 i 段 母 线 导 体 以 辐 射 方 式 传 给 外 壳 内 表 面 的 热 量 ; g 为 管 道 的 换 热 系 数 ; ai 为 母 线 导 体 第 i 段 空 气 进 口 温 度 ; gi 为 母 线 导 体 第 i 段 空 气 出 口 温 度 ; m 为 母 线 导体黑度 ; ki 为第 i 段母线外壳温度。其中 :P mi =I m 2R mi K mi(8 R mi =201+(mi -20/(D m -C m C m (9=0.02951+(mi -20=1.2131+(mi -20K mi =1+0.03(c mi 3.7

13、5(1-c mi m1.5(10 c mi =c m 1+0.016(mi -75(11将式 (11 代入式 (10 得K mi =1+0.03(1.568-0.00224mi 3.750.9813+3×10-5(mi -751.5(12式中 , 为电阻温度系数 , 对于铝母 线 =0.004 ; c mi 为 第 i 段母线导体厚度 ; mi 为第 i 段母线导体温度。则P mi =I m 2R mi K mi(13P mi =330002×0.912×10-6+0.0036×10-6(mi -20×1+0.03(1.568-0.00224m

14、i 3.750.9813+3×10-5(mi -801.5=993.2+38.204(mi -20×1+0.03(1.568-0.00224mi 3.750.9813+3×10-5(mi -751.53.2边界条件相 临 段 的 边 界 上 以 及 第 n 段 末 段 空 气 的 温 度 具 有 下 列关系 a(i-1 =ai (i=2, , n ai = a(i-1 (i=2, , n an =an 4风机的选择根据母线发热计算值选择风机 , 选用 2台 T40-I 号 7型风机 , 4叶片安装角度为 2.5°, 风量为 20500m 3/h , 风压

15、为 274.6Pa , 1台为备用 , 1台正常工作。由于本文只研究母线发 热问题 , 所以对风机具体选择方法不在地赘述。5热平衡方程组计算根 据 以 上 计 算 过 程 , 用 matlab 编 制 了 程 序 , 按 照 温 度传 感 器 设 置 , 母 线 4m 分 成 一 段 , 约 30段 长 118m , 并 选 用 单 风 系 统 (风 速 12.57m/s , 风 量 12795m 3/h , 计 算 结 果 见 表 1。6计算结果分析根据我国标准规定 , 铝母线的导体允许温度不超过 t m =90 , 由 计 算 知 , 封 闭 母 线 导 体 自 冷 时 导(下 转 第 6

16、8页 第 33卷第 6期 赵丽娟 , 等 :封闭母线导体热平衡计算 水 力 发 电 2007年 6月Water Power Vol.33. No.6(上接第 59页 体 温 度 为 t m =112 , 不 符 合 国 家 标 准 要 求 。因此 , 封闭母线不能采用自冷方式。 由表 1可知 , 通过选择的 风机风冷 , 封闭母线导 体 每 段 温 度 均 不 超 过 国 家 标 准 , 发 热 量远小于自冷时发热功率 , 散 热 效 果 比 较 理 想 , 出 口 温 度 仅 为 61.34 , 符合国标要求 , 由此证明选择的母线尺寸和风机 参数是正确的。参考文献 :1孔 庆 东 . 分

17、相 封 闭 母 线 发 热 与 散 热 计 算 J. 电 力 技 术 , 1980, (9 :8+28-34.2刘文忠 , 吴志奇 , 王向前 . 800MW 发电机封闭母线局部过热原 因分析 J. 东北电力技术 , 2003, (3 :22-24.3彭丹霖 , 向江汉 , 杨建明 . 水布垭水电站高垂直大电流封闭母 线技术分析 J. 水力发电 , 2002, (10 :76-78.4易卜吉 . 三峡水电站离相封闭母线的冷却方式 J. 长江职工大 学学报 , 1999, (1 :42-44.5张兴娟 , 曹乃承 , 杨春信 , 袁修干 . 垂直布置的母线温度场计算 及分析 J. 中国电机工程学

18、报 , 2000, (8 :12-14.6A.Conangla,Heat Looes in Isolated-Phae Bus EnclosureJ. Tr.IEEE. 1963, 82(5:54-59.计 算 参 数 不准确的原因 , 但很多学者与工 程 人 员 发 现 , 更 与 施工过程、 施工方法有关 28, 而后者却未得到足够重视。 现 行水工隧洞 设 计 规 范 中 还 缺 少 与 有 限 元 方 法 相 匹 配 的 安 全 控制标准。鉴于以上问题 , 笔者认为应加强以下方面的研究探索 : 模 型 的 选 取 可 以 以 岩 体 结 构 面 统 计 资 料 为 依 据 , 采 用

19、离散 介 质 方 法 建 立 典 型 裂 隙 网 络 表 征 体 , 计 算 岩 体 的 等 效 渗 透 张 量 , 应 用 等 效 连 续 介 质 模 型 研 究 区 域 岩 体 渗 流 问 题 。 进 一 步 加 强 能 够 反 映 复 杂 环 境 下 高 压 引 水 隧 洞 衬 砌 开裂 、 高 压 内 水 外 渗 发 生 劈 裂 及 衬 砌 开 裂 后 钢 筋 和 混 凝 土 相 互 作 用 的 本 构 模 型 的 探 索 。 参 数 的 选 取 可 适 时 引 入 不 确 定 性 分 析 、 回 归 分 析 、 反 演 分 析 等 方 法 。 数 值 模 拟 中 应 该 对 施 工

20、过 程 、 支 护 及 高 压 固 结 灌 浆 等 工 况 的 模 拟 给 予 充 分 重 视 。 通 过 进 一 步 的 理 论 研 究 并 结 合 实 际 工 程 , 努 力 在 水 工 隧 洞 设 计 规 范 中 建 立 与 有 限 元 方 法 相 匹 配 的 安 全 控 制 标 准 。今后 , 应进一步开展对高压引水隧洞破坏机理的研究 , 为高压引水隧洞结构设计提供有益参考。参考文献 :1刘云 , 王亦锥 . 关于 水工隧洞设计规范 中若干结构计算问题 的讨论 J. 云南水力发电 , 2005, 21(6 :51-53.2郑 治 . 水 工 地 下 工 程 回 顾 与 展 望 J. 贵

21、 州 水 力 发 电 , 2001, 15(3 :29-31.3DL/T5195 2004, 水工隧洞设计规范 S.4SDJ20 78, 水工钢筋混凝土结构设计规范 (试行 S.5潘家铮 , 主编 . 水工隧洞和调压室 M. 北京 :水利电力出版社 .1990. 351-362.6肖明 . 温度效应对大体积混凝土结构的损伤开裂分析 J. 水力 发电学报 , 1997, 57(2 :8-18.7丁旭柳 , 伍鹤皋 , 朱忠华 . 钢筋混凝土压力隧洞裂缝宽度计算 方法的探讨 J. 武汉大学学报 , 2001, 34(2 :24-27.8荣耀 , 许锡宾 , 蔡晓鸿 . 基于弹性地基梁法的隧道衬砌裂

22、缝间 距和宽度的计算 J. 重庆建筑大学学报 , 2006, 28(5 :23-26. 9王建秀 , 杨立中 , 何静 . 深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论J. 岩石力学与工程学报 , 2002, 21(9 :1339-1343. 10SD 134 84, 水工隧洞设计规范 S.11张有天 . 隧洞及压力管道设计中的外水修正系数 J. 水力发电 , 1996, (12 :30-34.12王慧明 , 王恩志 , 韩小妹 . 低渗 透 岩 体 饱 和 渗 透 研 究 进 展 J. 水科学进展 , 2003, 14(2 :242-248.13王恩志 , 韩小妹 , 黄远智 . 低渗 岩 石 非 线

23、性 渗 流 机 理 讨 论 J. 岩土力学 , 2003, 24(增 :120-124.14王瑗 , 徐志英 , 速宝玉 . 裂隙岩体渗流与应力耦合分析的四自 由度全耦合法 J. 水利学报 , 1998, (7 :55-59.15杨志锡 . 各向异性饱和土体的渗流耦合分析及其工程应用 D. 上海 :同济大学 , 2001.16Biot MA. General theory of three-dimensional consolidationJ. Journal of Applied Physics, 1941,(12:155-165.17Louis C.Rock hydraulics A.In:Rock Mechanics C.s.l.:s.n., 1974.299-387.18仵彦卿 . 裂隙岩体应力与渗流关系研究 J. 水文地质与工程 地质 , 1995, 12(2 :30-35.19Snow D T.Rock fracture spacings ,opening and porositiesJ.soil c.ASCE94,1968, 73-79.20吉小明 , 白世伟