地下式水电站主要散热设备及分布特性_技术研究

摘要

摘　要：介绍地下式水电站主要散热设备类型，分析散热设备的散热机理、散热特性。针对某地下式水电站，对不同场所散热设备的散热功率分布进行了估算。针对地下式水电站设备散热量

摘　要：介绍地下式水电站主要散热设备类型，分析散热设备的散热机理、散热特性。针对某地下式水电站，对不同场所散热设备的散热功率分布进行了估算。针对地下式水电站设备散热量计算中存在的问题，提出建议。

关键词：地下式水电站；　散热设备；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

散热设备的散热是地下式水电站通风空调系统的负荷来源之一，但是目前对散热设备散热的特性研究还不深入，导致设计计算结果偏大，由此带来通风空调设备容量偏大。因此，有必要对地下式水电站(以下简称水电站)散热设备的散热特性进行研究，以优化通风空调系统的负荷计算。本文将发电设备(包括辅助设备等)与灯具统称为设备。

1　要散热设备

水电站发电工艺流程较复杂，涉及到的发电及配套辅助设备种类繁多，根据散热设备的散热机理及自身蓄热特性，散热设备可分为：重型水冷设备，蓄热能力大，如发电机及水冷变压器。重型风冷设备，蓄热能力较强，如母线、风冷变压器等。轻型风冷设备，蓄热能力小，如灯具、电气盘柜、电机等设备。其中，重型水冷设备大部分散热量由设备自带的水冷却系统带走，其余散热量散发到厂房空间，重型和轻型风冷设备全部散热量散发到厂房空　间同系统(发电系统、水力机械辅助系统、厂用电系统、直流系统、照明系统等^[1-4])的散热设备及作用见表1。

2　散热机理及散热特性

①散热机理

水轮发电机组散热来源主要是铁损、铜损以及各类机械摩擦。水轮发电机组冷却系统主要包括发电机冷却、轴承冷却。大中型发电机普遍采用密闭式冷却系统，即大部分热量被发电机组冷却系统的冷却介质(当发电机和轴承分别以空气、油为直接冷却介质时，以水对空气和油进行二次冷却)带走，而不是直接排到厂房空间^[5]。由于发电机盖板周边有缝隙，机壳内部分高温空气散发到厂房空间，部分热量通过机壳表面以对流和辐射的方式传到厂房空间。因此，水轮发电机组散热包括漏风散热、机壳散热。

变压器主要包括主变压器、励磁变压器、厂用变压器，散热来源主要是空载损耗、负载损耗。变压器根据冷却方式可以分为：风冷变压器、水冷变压器、蒸发冷却变压器。其中，水冷变压器、蒸发冷却变压器的大部分散热量由冷却介质(油或碳氟化合物)流经外部散热器，被水冷却系统带走。由于变压器冷却介质温度高于周围空气和环境表面温度，散热量以对流和辐射的方式散发到厂房空间。风冷变压器与空气进行对流换热，将热量散发到厂房空间。

母线的散热来源主要是母线自身电阻热效应及电阻附加热效应。交变电流通过母线导体时，产生“集肤效应”和“邻近效应”，这两种效应会使载流导体电阻增大，产生附加电阻。母线散热量以对流和辐射的方式传到厂房空间。

电气盘柜主要包括电气一次系统的开关柜，电气二次系统的调速器、监控设备、励磁调节器等，厂用电系统的配电盘及直流系统的直流屏等。盘柜内部元件繁多，散热元件主要有断路器、接触器、继配电柜、互感器、熔断器、避雷器、电容器、电抗器、软启动器、变压器、仪表等^[6]。电气盘柜散热量以对流和辐射方式传到厂房空间。

水电站厂房内灯具一般使用荧光灯。灯具的散热来源主要是电阻热效应，通过对流及辐射方式将热量传到厂房空间。

电机主要包括滤油机、油泵、空压机、水泵，散热来源主要是铁损和铜损。电机散热功率较小，一般采用空气冷却，电机散热量以对流和辐射的方式传到厂房空间。

②散热特性

20世纪90年代以来，随着设备制造工艺的提高，水电站大部分设备耗损降低，散热量也随之减少。主要体现在以下方面。

a．新型发电机改进了盖板构造，实际漏风量很小。采用双层盖板的发电机基本不漏风，漏风散热几乎为零，且实际上发电机机壳内空气温度并没有文献[7]指出的40～45℃这么高，为30℃左右。

b．目前变压器主要采用S9系列，S9系列变压器在产品性能和结构方面比以往型号(如S7型)有很大的改进，空载损耗和负载损耗分别降低了10.25％、22.36％，散热功率降低了17.80％^[8]。

c．1985年前，国内普便采用的电机主要是JO2系列产品。目前，国内使用的电机主要是Y系列产品。Y系列电机采用硅钢片和8级绝缘结构等新材料和新技术，与JO2系列电机相比，更高效节能，散热小，体积平均缩小15％，重量减轻12％，平均启动转矩提高30％，效率提高0.4％，损耗降低了6.9％左右^[9]。

对多座水电站散热设备散热功率进行归纳，总结出水电站散热设备散热功率，表2为除灯具外各场所散热设备的散热功率(折算成发电机组单位发电功率的散热功率)及散热规律，表3为各场所灯具的散热功率(折算成单位建筑面积的散热功率)及散热规律。由表2、3可知，除母线、直流屏、监控设备、灯具等设备的散热功率无明显变化外，技术革新后大部分散热设备的散热功率均有不同程度下降。若按技术革新前散热设备的散热功率计算设备散热量，易导致通风空调设备容量偏大。