強(qiáng)迫風(fēng)冷離相封閉母線技術(shù)研究

王太隆

引言：封閉母線是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸送到主變壓器的重要設(shè)備。根據(jù)國際電工協(xié)會(huì)推薦和國內(nèi)工程運(yùn)用，一般額定電流低于26000A，推薦使用自冷封閉母線，額定電流超過26000A則推薦使用強(qiáng)迫風(fēng)冷離相封閉母線。一般大型核電機(jī)組、火電機(jī)組和水電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口額定電流均達(dá)到26000A～28000A以上。但因?yàn)轱L(fēng)冷母線技術(shù)長期國外壟斷，目前我國風(fēng)冷母線僅在核電機(jī)組上應(yīng)用。

一、離相封閉母線介紹

離相封閉母線各相母線導(dǎo)體分別用絕緣子支撐并封閉于各自的外殼之中。當(dāng)母線導(dǎo)體流過電流時(shí)，外殼上將產(chǎn)生一個(gè)方向相反而其數(shù)值幾乎與母線導(dǎo)體流過電流相等的感應(yīng)電流，整段母線的外殼本身在電氣上需連通，并在首、末端用斷路板將三相外殼短接，構(gòu)成三相外殼回路，使該電流在三相外殼回路中環(huán)流，這樣，殼外磁場(chǎng)大大減小，對(duì)母線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)起有效的屏蔽作用。與敞露式大電流母線相比，在很大程度上減小了周圍鋼構(gòu)、鋼筋在電磁感應(yīng)下產(chǎn)生的渦流和環(huán)流。

離相封閉母線具有以下特點(diǎn)：①減少接地故障，避免相間短路；②減小母線周圍鋼構(gòu)發(fā)熱；③減少相間電動(dòng)力；④可配套微正壓系統(tǒng)。

按照其冷卻方式可分為自冷離相封閉母線和風(fēng)冷離相封閉母線。

1.1自冷離相封閉母線

自冷離相封閉母線主要由母線導(dǎo)體、外殼、絕緣子、伸縮補(bǔ)償裝置、短路板、穿墻板、外殼支持件、各種設(shè)備柜及與發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成。母線的冷卻主要依靠自然對(duì)流和輻射。

自冷離相封閉母線有以下特點(diǎn)：①正常運(yùn)行不需要借助外部設(shè)備，運(yùn)行成本低；②因配套設(shè)備較少，維護(hù)簡單。

1.2風(fēng)冷離相封閉母線

風(fēng)冷離相封閉母線（以下簡稱風(fēng)冷母線）運(yùn)行電流比自冷母線大，其組成部分比自冷母線增加了強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)備，即循環(huán)風(fēng)機(jī)、熱交換器、風(fēng)道和相間消離子裝置等。由循環(huán)風(fēng)機(jī)吹出的冷卻風(fēng)進(jìn)入母線進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，被加熱后的冷卻風(fēng)進(jìn)入熱交換器，將熱量傳遞給冷卻水，冷卻風(fēng)自身被降溫后再次進(jìn)入循環(huán)風(fēng)機(jī)完成閉式循環(huán)。

風(fēng)冷母線的冷卻除了自然對(duì)流和輻射，母線內(nèi)循環(huán)風(fēng)的強(qiáng)制冷卻占70%的散熱量。風(fēng)冷母線有其獨(dú)特的特點(diǎn)：①載流量大，比自冷母線提高1.5倍左右載流量；②節(jié)省材料成本；③節(jié)省土建和安裝成本；④技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠。

二、風(fēng)冷系統(tǒng)的構(gòu)成

強(qiáng)迫風(fēng)冷封閉母線的控制系統(tǒng)由控制器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、封閉母線和傳感檢測(cè)4部分構(gòu)成。

三、母線熱量傳遞的三種基本方式

在自然界中，凡是有溫度差存在的地方，熱量就會(huì)由高溫處向低溫處傳遞。載流母線的發(fā)熱量通過對(duì)流、輻射和導(dǎo)熱傳遞到周圍環(huán)境中去，對(duì)流、輻射和導(dǎo)熱各自遵循不同的規(guī)律

3.1導(dǎo)熱

熱量從物體中溫度較高部分傳遞到溫度較低部分，或者從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的溫度較低 的另一個(gè)物體的過程稱為導(dǎo)熱（又稱熱傳導(dǎo)）。在純導(dǎo)熱過程中，物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，也沒有能量形式的轉(zhuǎn)換。氣體和液體中的導(dǎo)熱現(xiàn)象基本上可以看作是由于分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)相互碰撞的結(jié)果。氣體和液體溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能越大。能量大的分子與能量小的分子相互碰撞，熱量就由高溫區(qū)域傳到低溫區(qū)域中去。金屬導(dǎo)體中有很多自由電子，金屬物質(zhì)中的導(dǎo)熱主要靠自由電子的運(yùn)動(dòng)來完成，因此通常導(dǎo)電性好的金屬導(dǎo)熱性能也好。在不導(dǎo)電的固體中，導(dǎo)熱是通過晶體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)（即原子和分子在其平衡位置附近的振動(dòng)）來實(shí)現(xiàn)的。

3.2對(duì)流

氣體和液體統(tǒng)稱流體。在有溫差的情況下，流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移即流動(dòng)時(shí)，也會(huì)引起熱量的傳遞，與此同時(shí)還伴隨著導(dǎo)熱現(xiàn)象。在工程技術(shù)上大量遇到的是對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合作用的結(jié)果。對(duì)流分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩類，相應(yīng)地也有兩類對(duì)流換熱。自然對(duì)流是由于流體各部分溫度不同，使各部分密度不同而引起的運(yùn)動(dòng)。電氣設(shè)備表面鄰近的空氣受熱上升就是典型的自然對(duì)流的例子。如果流體的運(yùn)動(dòng)是由水泵、電機(jī)或其他壓力差造成的，則稱強(qiáng)制對(duì)流。風(fēng)冷封閉母線中冷卻空氣的流動(dòng)就是強(qiáng)制對(duì)流的例子。

3.3輻射

物體通過電磁波傳遞能量的過程稱為輻射。物體產(chǎn)生輻射的原因不同，由于熱的原因引起的輻射過程稱為熱輻射。傳熱學(xué)中提到的輻射指熱輻射。一切物體，只要溫度高于絕對(duì)零度，都在不停地向四周輻射能量，同時(shí)又不斷地吸收其他物體發(fā)出的輻射能。輻射和吸收過程的綜合結(jié)果就產(chǎn)生了以輻射方式進(jìn)行的熱量傳遞過程，稱為輻射換熱。當(dāng)物體與四周環(huán)境溫度相同時(shí)，輻射換熱量等于零。實(shí)際物體的熱量傳遞過程往往是上述三種方式的組合。

四、風(fēng)冷離相封閉母線散熱理論分析

風(fēng)冷母線散熱理論分析是將封閉母線段分為有限的計(jì)算段，逐段計(jì)算，最終得到可以滿足工程設(shè)計(jì)要求的母線溫度分布。

4.1母線本體熱平衡計(jì)算

母線本體作為封閉母線承載額定電流的主體，國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其溫度值和溫升值有嚴(yán)格的規(guī)定。北京電力設(shè)備總廠開發(fā)人員利用成熟的理論知識(shí)，包括電磁學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)，綜合風(fēng)冷母線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)母線本體的電磁損耗、流動(dòng)狀態(tài)、換熱機(jī)理進(jìn)行分析，通過合理假設(shè)，建立母線本體熱平衡方程組，其中：母線本體作為封閉母線承載額定電流的主體，國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其溫度值和溫升值有嚴(yán)格的規(guī)定。北京電力設(shè)備總廠開發(fā)人員利用成熟的理論知識(shí)，包括電磁學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)，綜合風(fēng)冷母線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)母線本體的電磁損耗、流動(dòng)狀態(tài)、換熱機(jī)理進(jìn)行分析，通過合理假設(shè)，建立母線本體熱平衡方程組，其中：

上述三個(gè)方程組成了強(qiáng)迫風(fēng)冷離相封閉母線熱平衡方程組。將上述方程組中的每項(xiàng)進(jìn)行展開，幾何尺寸、運(yùn)行條件、物性參數(shù)均為已知量（輸入條件），未知量為 、 、 、 ，分別為第i段導(dǎo)體溫度、第i段殼體溫度、第i段空氣進(jìn)口溫度、第i段空氣出口溫度。

五、結(jié)論

國內(nèi)風(fēng)冷母線主要應(yīng)用于核電機(jī)組，國外在水電機(jī)組上也有應(yīng)用。隨著機(jī)組容量的增大，以及國內(nèi)母線廠家設(shè)計(jì)技術(shù)和制造水平的不斷提升，強(qiáng)迫風(fēng)冷離相封閉母線強(qiáng)迫風(fēng)冷離相封閉母線的市場(chǎng)應(yīng)用也會(huì)越來越廣，將從核電機(jī)組延伸到大容量火電機(jī)組和水電機(jī)組。

參考文獻(xiàn)

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)第三版.高等教育出版社，1998.

[2]吳勵(lì)堅(jiān).大電流母線的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì).水利電力出版社.1985.

[3]孔慶東，羅敬安，林福本.大電流母線的設(shè)計(jì)、制造及安裝.水利電力出版社.1988.

（作者單位：河北大學(xué)）