摘　要：介紹地下式水電站主要散熱設(shè)備類(lèi)型，分析散熱設(shè)備的散熱機(jī)理、散熱特性。針對(duì)某地下式水電站，對(duì)不同場(chǎng)所散熱設(shè)備的散熱功率分布進(jìn)行了估算。針對(duì)地下式水電站設(shè)備散熱量計(jì)算中存在的問(wèn)題，提出建議。

關(guān)鍵詞：地下式水電站；　散熱設(shè)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(shè)備的散熱是地下式水電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷來(lái)源之一，但是目前對(duì)散熱設(shè)備散熱的特性研究還不深入，導(dǎo)致設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果偏大，由此帶來(lái)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備容量偏大。因此，有必要對(duì)地下式水電站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)水電站)散熱設(shè)備的散熱特性進(jìn)行研究，以?xún)?yōu)化通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷計(jì)算。本文將發(fā)電設(shè)備(包括輔助設(shè)備等)與燈具統(tǒng)稱(chēng)為設(shè)備。

1　要散熱設(shè)備

水電站發(fā)電工藝流程較復(fù)雜，涉及到的發(fā)電及配套輔助設(shè)備種類(lèi)繁多，根據(jù)散熱設(shè)備的散熱機(jī)理及自身蓄熱特性，散熱設(shè)備可分為：重型水冷設(shè)備，蓄熱能力大，如發(fā)電機(jī)及水冷變壓器。重型風(fēng)冷設(shè)備，蓄熱能力較強(qiáng)，如母線(xiàn)、風(fēng)冷變壓器等。輕型風(fēng)冷設(shè)備，蓄熱能力小，如燈具、電氣盤(pán)柜、電機(jī)等設(shè)備。其中，重型水冷設(shè)備大部分散熱量由設(shè)備自帶的水冷卻系統(tǒng)帶走，其余散熱量散發(fā)到廠(chǎng)房空間，重型和輕型風(fēng)冷設(shè)備全部散熱量散發(fā)到廠(chǎng)房空　間同系統(tǒng)(發(fā)電系統(tǒng)、水力機(jī)械輔助系統(tǒng)、廠(chǎng)用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等^[1-4])的散熱設(shè)備及作用見(jiàn)表1。

2　散熱機(jī)理及散熱特性

①散熱機(jī)理

水輪發(fā)電機(jī)組散熱來(lái)源主要是鐵損、銅損以及各類(lèi)機(jī)械摩擦。水輪發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)冷卻、軸承冷卻。大中型發(fā)電機(jī)普遍采用密閉式冷卻系統(tǒng)，即大部分熱量被發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)(當(dāng)發(fā)電機(jī)和軸承分別以空氣、油為直接冷卻介質(zhì)時(shí)，以水對(duì)空氣和油進(jìn)行二次冷卻)帶走，而不是直接排到廠(chǎng)房空間^[5]。由于發(fā)電機(jī)蓋板周邊有縫隙，機(jī)殼內(nèi)部分高溫空氣散發(fā)到廠(chǎng)房空間，部分熱量通過(guò)機(jī)殼表面以對(duì)流和輻射的方式傳到廠(chǎng)房空間。因此，水輪發(fā)電機(jī)組散熱包括漏風(fēng)散熱、機(jī)殼散熱。

變壓器主要包括主變壓器、勵(lì)磁變壓器、廠(chǎng)用變壓器，散熱來(lái)源主要是空載損耗、負(fù)載損耗。變壓器根據(jù)冷卻方式可以分為：風(fēng)冷變壓器、水冷變壓器、蒸發(fā)冷卻變壓器。其中，水冷變壓器、蒸發(fā)冷卻變壓器的大部分散熱量由冷卻介質(zhì)(油或碳氟化合物)流經(jīng)外部散熱器，被水冷卻系統(tǒng)帶走。由于變壓器冷卻介質(zhì)溫度高于周?chē)諝夂铜h(huán)境表面溫度，散熱量以對(duì)流和輻射的方式散發(fā)到廠(chǎng)房空間。風(fēng)冷變壓器與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，將熱量散發(fā)到廠(chǎng)房空間。

母線(xiàn)的散熱來(lái)源主要是母線(xiàn)自身電阻熱效應(yīng)及電阻附加熱效應(yīng)。交變電流通過(guò)母線(xiàn)導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”，這兩種效應(yīng)會(huì)使載流導(dǎo)體電阻增大，產(chǎn)生附加電阻。母線(xiàn)散熱量以對(duì)流和輻射的方式傳到廠(chǎng)房空間。

電氣盤(pán)柜主要包括電氣一次系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)柜，電氣二次系統(tǒng)的調(diào)速器、監(jiān)控設(shè)備、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等，廠(chǎng)用電系統(tǒng)的配電盤(pán)及直流系統(tǒng)的直流屏等。盤(pán)柜內(nèi)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(dòng)器、變壓器、儀表等^[6]。電氣盤(pán)柜散熱量以對(duì)流和輻射方式傳到廠(chǎng)房空間。

水電站廠(chǎng)房?jī)?nèi)燈具一般使用熒光燈。燈具的散熱來(lái)源主要是電阻熱效應(yīng)，通過(guò)對(duì)流及輻射方式將熱量傳到廠(chǎng)房空間。

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

②散熱特性

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

a．新型發(fā)電機(jī)改進(jìn)了蓋板構(gòu)造，實(shí)際漏風(fēng)量很小。采用雙層蓋板的發(fā)電機(jī)基本不漏風(fēng)，漏風(fēng)散熱幾乎為零，且實(shí)際上發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)空氣溫度并沒(méi)有文獻(xiàn)[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(chǎn)品性能和結(jié)構(gòu)方面比以往型號(hào)(如S7型)有很大的改進(jìn)，空載損耗和負(fù)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(guó)內(nèi)普便采用的電機(jī)主要是JO2系列產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)使用的電機(jī)主要是Y系列產(chǎn)品。Y系列電機(jī)采用硅鋼片和8級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)等新材料和新技術(shù)，與JO2系列電機(jī)相比，更高效節(jié)能，散熱小，體積平均縮小15％，重量減輕12％，平均啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩提高30％，效率提高0.4％，損耗降低了6.9％左右^[9]。

對(duì)多座水電站散熱設(shè)備散熱功率進(jìn)行歸納，總結(jié)出水電站散熱設(shè)備散熱功率，表2為除燈具外各場(chǎng)所散熱設(shè)備的散熱功率(折算成發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電功率的散熱功率)及散熱規(guī)律，表3為各場(chǎng)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(guī)律。由表2、3可知，除母線(xiàn)、直流屏、監(jiān)控設(shè)備、燈具等設(shè)備的散熱功率無(wú)明顯變化外，技術(shù)革新后大部分散熱設(shè)備的散熱功率均有不同程度下降。若按技術(shù)革新前散熱設(shè)備的散熱功率計(jì)算設(shè)備散熱量，易導(dǎo)致通風(fēng)空調(diào)設(shè)備容量偏大。

3　備場(chǎng)所散熱功率分布

大型地下水電站廠(chǎng)房一般以主廠(chǎng)房、主變壓器室曲大洞室為中心，中間通過(guò)母線(xiàn)洞連接，形成龐大、復(fù)雜的地下洞室群。其中，主廠(chǎng)房分為發(fā)電機(jī)層、母線(xiàn)層、水輪機(jī)層、蝸殼層、廊道層等功能層。散熱設(shè)備的各分布場(chǎng)所分別見(jiàn)表2、3.以三峽地區(qū)某地下水電站各場(chǎng)所散熱功率比例進(jìn)行估算。

各洞室散熱功率比例估算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，母線(xiàn)洞的發(fā)電功率比例最大，主廠(chǎng)房與主變壓器接近。主廠(chǎng)房各功能層散熱功率比例估算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，母線(xiàn)層散熱功率比例最大，其次是發(fā)電機(jī)層，水輪機(jī)層與蝸殼層散熱功率比例接近且最小。

母線(xiàn)洞有單層布置、雙層布置兩種方式，當(dāng)母線(xiàn)洞采取雙層布置時(shí)，母線(xiàn)洞上層設(shè)備散熱功率大于下層。上層母線(xiàn)洞主要有母線(xiàn)等高散熱設(shè)備，因此上層母線(xiàn)洞散熱功率比例較大，占母線(xiàn)洞散熱設(shè)備總散熱功率的50％～85％；下層母線(xiàn)洞有廠(chǎng)用變壓器、開(kāi)關(guān)柜，散熱功率比較小，占母線(xiàn)洞散熱設(shè)備總散熱功率的15％～50％。

主變壓器室有單層布置、分層布置兩種方式。主變壓器室散熱設(shè)備主要有主變壓器、母線(xiàn)、電纜、燈具等。當(dāng)分層布置時(shí)，由于高散熱量的主變壓器一般布置在底層，因此主變壓器室底層散熱比例很大，占主變壓器室散熱設(shè)備總散熱量的80％～95％，其他層占5％～20％。

4　建議

隨著水電站設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，散熱設(shè)備散熱功率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，在對(duì)設(shè)備散熱量進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)采用最新數(shù)據(jù)。在進(jìn)行散熱設(shè)備散熱量計(jì)算時(shí)，應(yīng)僅考慮水冷散熱設(shè)備未被水冷卻系統(tǒng)帶走的散熱量以及風(fēng)冷散熱設(shè)備散發(fā)到廠(chǎng)房空間的熱量，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同散熱設(shè)備的散熱規(guī)律與空間布置情況，按實(shí)際的熱量傳遞過(guò)程進(jìn)行散熱量計(jì)算。

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本文作者：肖益民  林婷瑩

作者單位：重慶大學(xué)