抽水蓄能電站電氣設備發(fā)熱量確定方法

李斌

[摘? ? 要]抽水蓄能電站是實現(xiàn)新能源發(fā)展的不可或缺的重要裝置，是一種新型的儲能裝置。相較于風電場，它運行更加穩(wěn)定，相較于核電機組，它更加安全可靠，技術更加成熟可靠，并且此儲能裝置使用壽命長，是現(xiàn)在新能源發(fā)展道路上不可缺少的主力。文章針對抽水蓄能電站電氣設備的發(fā)熱量問題進行討論，對抽水蓄能電站內的主要電氣設備的發(fā)熱量確定進行介紹和研究。

[關鍵詞]抽水蓄能;電站電氣設備;發(fā)熱量

[中圖分類號]TM73 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–0–03

On the Determination of Heat Distribution of Electrical?Equipment in Pumped Storage Power Station

Li Bin

[Abstract]Pumped storage power station is an indispensable part of new energy development and a new energy storage device. It is more stable， more safe and reliable， and the service life of this energy storage plant is long， so it is the indispensable main force on the road of new energy development now. This paper discusses the heat distribution determination of the electrical equipment in the pumped storage power station， and the heat distribution determination of the main electrical equipment in the pumped storage power station is introduced and studied.

[Keywords]pumped storage; power plant electrical equipment; heat generation

1 研究背景

1.1 抽水蓄能電站的發(fā)展史

由于地球上的資源是有限的，如煤炭石油等資源，所以現(xiàn)在各國都在走新能源的發(fā)展道路，開發(fā)新的可再生能源，例如太陽能、風能等。其中電力儲能逐漸受到業(yè)內人士的關注，并且，在電力儲能的諸多儲能方法中，技術較為成熟并且效率高、運行穩(wěn)定的是抽水蓄能技術。盡管抽水蓄能電站受到的限制條件較多，例如需要合適的地理環(huán)境，需要較高的技術水平給予支持，但是由于抽水蓄能電站儲能的高效性、穩(wěn)定性，使得其在新能源建設方面得到了極其穩(wěn)定的高地位?，F(xiàn)在此技術得到了大規(guī)模推廣和應用，很多企業(yè)都在競相展開對相關技術的研究，應用也較廣泛。

電網的負荷并不恒定，早晚負荷相差較大，造成電網運行不穩(wěn)定，而抽水蓄能電站就可以平衡電網負荷不均衡現(xiàn)象，俗稱“削峰填谷”。用通俗一點的解釋，它就像是一個“巨型的充電寶，在電網負荷低谷時將電能轉化為水的勢能儲存起來，負荷高峰時再將水能轉化為電能”。

隨著我國國民經濟水平的提高，同時伴隨著科技的快速發(fā)展，對于抽水蓄能電站的技術研究也走在前列。由于抽水蓄能電站對于運行環(huán)境的要求較高，尤其是溫度濕度方面，所以對于此方面的研究受到了眾多業(yè)內人士的關注，不僅是為了滿足設備所需，也是為了工作人員的工作環(huán)境更加舒適。

1.2 我國關于抽水蓄能電站的發(fā)展情況

（1）雖然我國關于此方面的技術起步較晚，于20世紀60年代開始有抽水蓄能電站的建設，但是經過了60年的發(fā)展，我國在相關技術上的進步可見一斑，各項指標都躍居世界前列，但是還是有很大的發(fā)展空間，仍需要進行進一步的研究。

（2）從需求方面來看，由于我國華東、華中、華南等經濟發(fā)達地區(qū)對于能源的需求旺盛，而且有足夠的符合標準的區(qū)域可以進行抽水蓄能電站的建設，這也為我國在此方面的蓬勃發(fā)展奠定了良好的基礎。同時，由于我國走可持續(xù)發(fā)展道路，這也決定了建設抽水蓄能電站的必要性以及重要性。

（3）從抽水蓄能電站的區(qū)域分布來看，西北地區(qū)還沒有建成投產的抽水蓄能電站，但是此地區(qū)的風能、太陽能等新能源發(fā)電占比最高，所以需要加強在此地區(qū)的建設，加強抽水蓄能電站的建設，降低棄風棄光率等。

結合我國國情以及各項數(shù)據(jù)顯示，我國抽水蓄能電站的發(fā)展前景十分廣闊，應加強進一步的研究以及建設。除了擴容之外，也應該關注局部的優(yōu)化情況，例如對電站的發(fā)熱情況加強管理。因為電站電氣設備的發(fā)熱問題會影響電站的實際運行，所以需要根據(jù)散熱量情況進行優(yōu)化設計。

1.3 散熱量計算的必要性

對電站電氣設備的散熱量進行計算能在設計時更好地對冷卻設備等進行設計，或者在選材方面進行考慮，使得設備的工作效率更高。同時，只有了解了相關的散熱數(shù)據(jù)，才能在通風空調方面做好優(yōu)化設計，對電站的環(huán)境、溫度等做好控制，優(yōu)化工人人員的工作環(huán)境。抽水蓄能電站廠房的熱負荷主要來自于電站內各種機電設備的發(fā)熱。隨著我國大型抽水蓄能電站的建設，我國關于此領域的研究也在進一步深入，例如相關的自主產品開發(fā)，只有對散熱量進行充分的了解計算，才能更好地選材、進行優(yōu)化設計。

2 電站設備發(fā)熱量計算

2.1 電動發(fā)電機組散熱量

電動發(fā)電機組的散熱量主要來自于兩個方面，一是機組的蓋板傳熱和機殼圍護結構傳熱，二是機組的冷卻循環(huán)風的漏風所帶來的熱量。

電機機殼的散熱量可以按下式計算：

Q_k=KS（t_g-t_i）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，K為電機機殼的傳熱系數(shù)，w/m²·℃，S為電機機殼的面積，t_g為電機冷卻循環(huán)風的平均溫度，t_i為室內的溫度。

規(guī)定漏風系數(shù)為β，電機的冷卻循環(huán)風量為v，空氣比熱容為c，空氣容重為γ，電機漏風溫度為t_w。電機的漏風散熱量也可以通過相關公式進行計算：Q_w=βvcγ（t_w-t_i），單位為W。通過上述公式，結合各電動發(fā)電機組的系數(shù)（例如電機機殼的傳熱系數(shù)，電機機殼的面積等）以及自然系數(shù)（空氣比熱容、室內溫度等）就可以算出機組殼體的散熱量以及大致的漏風散熱量。但是關于漏風熱量的計算還有一定的不足，因為現(xiàn)如今空氣冷卻器的效率越來越高，不同型號的機組的冷卻循環(huán)風量不一樣，有較大差別，所以不同型號的機組散熱量的計算結果產生較大的出入。

因此，在實際的設計計算中，應根據(jù)電機廠商提供冷卻循環(huán)風量參數(shù)對計算結果加以核算。

2.2 變壓器發(fā)熱量

變壓器作為抽水蓄能電站中的重要設備，其作用不言而喻，但是從電站運行的實際情況來看，變壓器容易出現(xiàn)過熱故障，對其穩(wěn)定性安全性造成影響。主要原因有變壓器繞組過熱、引線過熱、漏磁引發(fā)的過熱還有冷卻裝置異常等，針對這些現(xiàn)象相關的解決辦法是：①嚴格按照標準，制作變壓器的高壓線圈等部件，加強制作管理監(jiān)督，在投入使用之前進行嚴格的篩選。②定期對變壓器進行檢查，檢查是否存在老化的部件，及時進行更換維修等操作。③然后為了避免過熱性故障，還需要對冷卻裝置進行定期的檢查維護，防止設備損壞。④還需要根據(jù)變壓器的緊固件以及密封件的應用標準，選用合適的緊固件和密封件，防止漏電現(xiàn)象的產生。

關于水冷變壓器的散熱量計算：

Q₁=5.5×（t_v-t_i）^1.25Sa×10^-3（kW）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，t_v為油箱的平均油溫，Sa為油箱的散熱面積，m²。由于電站的水冷卻主變，容易受到冷卻水溫度的影響，也易被水冷卻器的工作效率所影響，所以在針對其散熱進行相關的冷卻設計時應該按照最大的散熱量進行計算。

2.3 母線、電纜發(fā)熱量

母線用于連接發(fā)電機的主出線和主變的低壓側，其負責運輸幾千安培的電流，責任重大。母線的發(fā)熱量包括母線的功率損耗發(fā)熱和外殼感應散熱兩部分。抽水蓄能電站所用的主要是自冷封閉母線，其散熱能力較差，所以對其發(fā)熱量的計算很重要，可以根據(jù)正交設計法得到優(yōu)化尺寸，再根據(jù)優(yōu)化尺寸對導體和外殼的適合運行溫度進行計算，如果發(fā)熱量在此范圍內，則設計正確。

設I_m為母線導體最大工作電流，取額定電流的1.05倍;R_m為直流電阻;ρ₂₀為母線導體在20℃直流電阻率;α為電阻溫度系數(shù);t_m為母線導體的計算溫度，可以根據(jù)長期工圍作運行溫度進行計算;S_m為母線導體截面積。S_m=D_m·δ_m–δ_m²，其中δ_m為母線導體的厚度，D_m為的母線導體外徑;K_m為集膚效應系數(shù);K_om為鄰近效應系數(shù);l表示的是母線的長度。

于是有下列公式：

因為封閉母線幾乎不受鄰近效應的影響，所以在式（3）中K_om的值取1。

母線的發(fā)熱損耗與眾多因素有關，包括設計時選擇的材料，在制造時選擇的工藝，都會對其產生影響，所以需要盡量選擇較好的材料，保證焊接工藝水平，這樣就可以確保R_m的值較小，從式（4）中可以得出，R_m與發(fā)熱損耗呈線性關系，并且是正相關的。

另外，在水電站廠房內敷設了各種電壓等級的動力、照明、控制電纜，在運行中會散發(fā)出一定的熱量，如果電纜溫度過高，將導致電纜表面絕緣老化，電纜的載流量下降。

由于電壓等級越高，散熱量越小，所以除了主廠房中設有大量的電纜橋架和專門的電纜層、電纜廊道應核算電纜的發(fā)熱量外，其他部位的電纜發(fā)熱可以忽略不計。

2.4 電抗器發(fā)熱量

電抗器可以阻止電流變化，最主要的作用就是將電能轉化為磁能保存起來，也被稱為電感器。設電抗器的利用系數(shù)為η₁，一般取η₁=0.95，設電抗器的負荷系數(shù)為η₂，一般取其值為0.75，P表示的是電抗器在額定功率下所產生的功率消耗。

電抗器的散熱量可以按下式計算：

Q₂=η₁η₂P（kW）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

電抗器是由繞組組成的，發(fā)熱特性是熱容量和發(fā)熱量較大，達到穩(wěn)定發(fā)熱量需要一段時間。如果是長期運行的電抗器，其發(fā)熱量是穩(wěn)定的，如果是間歇運行的電抗器，應按運行時間和電抗器的發(fā)熱特性曲線確定發(fā)熱量。

2.5 高、低壓盤柜發(fā)熱量

高壓配電盤柜的散熱量可以按下式計算：

式（6）中，q_額定表示的是在額定電流下高壓開關的散熱量。

低壓配電盤柜的散熱量可以按下式計算：

Q₄=k₁k₂∑P（kW）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式（7）中，k₁、k₂分別代表低壓配電盤柜的利用系數(shù)和實耗系數(shù)。由于電站內各種盤柜的用途不同，盤柜的工作電流也不同，一般說來，工作電流越大，盤柜內的電氣元件發(fā)熱量也越大。對于集中布置的配電盤柜盡可能由設備制造商提供發(fā)熱量較為準確。

特別的，對于重要的配電盤柜，由于制造商對盤柜內的電氣元件的保護，防止運行濕度過大，絕緣性能的下降，在盤柜內本身另設有電加熱器。一般每只盤柜在0.3～0.5 kW，集中布置的繼電保護室等應加以考慮。

由于勵磁系統(tǒng)關系到機組的安全啟動和運行，對于集中或封閉布置的勵磁盤柜應較為準確地核算其發(fā)熱量。

2.6 SFC靜止變頻器發(fā)熱量

SFC稱為靜止變頻啟動裝置，主要用于抽水蓄能電站的機組抽水工況的啟動。SFC裝置的發(fā)熱量和SFC的容量、運行時間有極為密切的關系，如果要較為準確地確定設備發(fā)熱量，應請有關制造商提供設備的運行特性曲線，然后根據(jù)設備的容量和運行時間確定。現(xiàn)在我國已經有了自己的靜止變頻器，擺脫了進口依賴，有利于我國在抽水蓄能電站的建設上更進一步，但還有關于容量設計、散射技術的難關，國產化的道路還很艱難。我國很多研究人員迎難而上，相信在未來會有更優(yōu)的我國自產的靜止變頻器，我國在新能源的發(fā)展道路上也能越走越遠，位于世界前端。

2.7 照明設備的發(fā)熱量

現(xiàn)在大、中型電站都有關于燈光的設計，照明設備也會有散熱，但是由于影響照明設備散熱的因素并不多，所以只要電壓以及功率保持穩(wěn)定，有關于其散熱量的計算就十分便利，基本上是不變的。照明設備散熱是指一部分消耗的電能轉化為熱能，發(fā)散到空氣之中。

3 結語

現(xiàn)在關于新能源的開發(fā)建設受到了越來越多人的重視，除了因為環(huán)保理念的增強之外，也因為新型能源的產生使得科學技術得以進一步的提升，國家實力得到了進一步的提升?，F(xiàn)階段關于抽水蓄能電站的建設研究是一項長期和細致的工作，需要各研究人員共同努力，對設備進行優(yōu)化設計。

參考文獻

[1] 李明利.淺談抽水蓄能電站自主調頻控制策略[J].建筑工程技術與設計，2018（31）：2372.

[2] 巨楊.淺談抽水蓄能電站技術供水系統(tǒng)設計與研究[J].城市建設理論研究（電子版），2015，5（14）：4021-4022.