摘　要：介紹地下式水電站主要散熱設(shè)備類型，分析散熱設(shè)備的散熱機理、散熱特性。針對某地下式水電站，對不同場所散熱設(shè)備的散熱功率分布進行了估算。針對地下式水電站設(shè)備散熱量計算中存在的問題，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)的負荷來源之一，但是目前對散熱設(shè)備散熱的特性研究還不深入，導(dǎo)致設(shè)計計算結(jié)果偏大，由此帶來通風(fēng)空調(diào)設(shè)備容量偏大。因此，有必要對地下式水電站(以下簡稱水電站)散熱設(shè)備的散熱特性進行研究，以優(yōu)化通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的負荷計算。本文將發(fā)電設(shè)備(包括輔助設(shè)備等)與燈具統(tǒng)稱為設(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)備種類繁多，根據(jù)散熱設(shè)備的散熱機理及自身蓄熱特性，散熱設(shè)備可分為：重型水冷設(shè)備，蓄熱能力大，如發(fā)電機及水冷變壓器。重型風(fēng)冷設(shè)備，蓄熱能力較強，如母線、風(fēng)冷變壓器等。輕型風(fēng)冷設(shè)備，蓄熱能力小，如燈具、電氣盤柜、電機等設(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)到廠房空間，重型和輕型風(fēng)冷設(shè)備全部散熱量散發(fā)到廠房空　間同系統(tǒng)(發(fā)電系統(tǒng)、水力機械輔助系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等^[1-4])的散熱設(shè)備及作用見表1。

2　散熱機理及散熱特性

①散熱機理

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

變壓器主要包括主變壓器、勵磁變壓器、廠用變壓器，散熱來源主要是空載損耗、負載損耗。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)溫度高于周圍空氣和環(huán)境表面溫度，散熱量以對流和輻射的方式散發(fā)到廠房空間。風(fēng)冷變壓器與空氣進行對流換熱，將熱量散發(fā)到廠房空間。

母線的散熱來源主要是母線自身電阻熱效應(yīng)及電阻附加熱效應(yīng)。交變電流通過母線導(dǎo)體時，產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”，這兩種效應(yīng)會使載流導(dǎo)體電阻增大，產(chǎn)生附加電阻。母線散熱量以對流和輻射的方式傳到廠房空間。

電氣盤柜主要包括電氣一次系統(tǒng)的開關(guān)柜，電氣二次系統(tǒng)的調(diào)速器、監(jiān)控設(shè)備、勵磁調(diào)節(jié)器等，廠用電系統(tǒng)的配電盤及直流系統(tǒng)的直流屏等。盤柜內(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、軟啟動器、變壓器、儀表等^[6]。電氣盤柜散熱量以對流和輻射方式傳到廠房空間。

水電站廠房內(nèi)燈具一般使用熒光燈。燈具的散熱來源主要是電阻熱效應(yīng)，通過對流及輻射方式將熱量傳到廠房空間。

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

②散熱特性

20世紀90年代以來，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)電機改進了蓋板構(gòu)造，實際漏風(fēng)量很小。采用雙層蓋板的發(fā)電機基本不漏風(fēng)，漏風(fēng)散熱幾乎為零，且實際上發(fā)電機機殼內(nèi)空氣溫度并沒有文獻[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(如S7型)有很大的改進，空載損耗和負載損耗分別降低了10.25％、22.36％，散熱功率降低了17.80％^[8]。

c．1985年前，國內(nèi)普便采用的電機主要是JO2系列產(chǎn)品。目前，國內(nèi)使用的電機主要是Y系列產(chǎn)品。Y系列電機采用硅鋼片和8級絕緣結(jié)構(gòu)等新材料和新技術(shù)，與JO2系列電機相比，更高效節(jié)能，散熱小，體積平均縮小15％，重量減輕12％，平均啟動轉(zhuǎn)矩提高30％，效率提高0.4％，損耗降低了6.9％左右^[9]。

對多座水電站散熱設(shè)備散熱功率進行歸納，總結(jié)出水電站散熱設(shè)備散熱功率，表2為除燈具外各場所散熱設(shè)備的散熱功率(折算成發(fā)電機組單位發(fā)電功率的散熱功率)及散熱規(guī)律，表3為各場所燈具的散熱功率(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、直流屏、監(jiān)控設(shè)備、燈具等設(shè)備的散熱功率無明顯變化外，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　備場所散熱功率分布

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

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

母線洞有單層布置、雙層布置兩種方式，當母線洞采取雙層布置時，母線洞上層設(shè)備散熱功率大于下層。上層母線洞主要有母線等高散熱設(shè)備，因此上層母線洞散熱功率比例較大，占母線洞散熱設(shè)備總散熱功率的50％～85％；下層母線洞有廠用變壓器、開關(guān)柜，散熱功率比較小，占母線洞散熱設(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、電纜、燈具等。當分層布置時，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，在對設(shè)備散熱量進行計算時應(yīng)采用最新數(shù)據(jù)。在進行散熱設(shè)備散熱量計算時，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，按實際的熱量傳遞過程進行散熱量計算。

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本文作者：肖益民  林婷瑩

作者單位：重慶大學(xué)