李斌

[摘? ? 要]抽水蓄能電站是實(shí)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(chǔ)能裝置。相較于風(fēng)電場(chǎng)，它運(yùn)行更加穩(wěn)定，相較于核電機(jī)組，它更加安全可靠，技術(shù)更加成熟可靠，并且此儲(chǔ)能裝置使用壽命長(zhǎng)，是現(xiàn)在新能源發(fā)展道路上不可缺少的主力。文章針對(duì)抽水蓄能電站電氣設(shè)備的發(fā)熱量問(wèn)題進(jìn)行討論，對(duì)抽水蓄能電站內(nèi)的主要電氣設(shè)備的發(fā)熱量確定進(jìn)行介紹和研究。

[關(guān)鍵詞]抽水蓄能;電站電氣設(shè)備;發(fā)熱量

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(guó)都在走新能源的發(fā)展道路，開(kāi)發(fā)新的可再生能源，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能等。其中電力儲(chǔ)能逐漸受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，并且，在電力儲(chǔ)能的諸多儲(chǔ)能方法中，技術(shù)較為成熟并且效率高、運(yùn)行穩(wěn)定的是抽水蓄能技術(shù)。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(shù)水平給予支持，但是由于抽水蓄能電站儲(chǔ)能的高效性、穩(wěn)定性，使得其在新能源建設(shè)方面得到了極其穩(wěn)定的高地位?，F(xiàn)在此技術(shù)得到了大規(guī)模推廣和應(yīng)用，很多企業(yè)都在競(jìng)相展開(kāi)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究，應(yīng)用也較廣泛。

電網(wǎng)的負(fù)荷并不恒定，早晚負(fù)荷相差較大，造成電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，而抽水蓄能電站就可以平衡電網(wǎng)負(fù)荷不均衡現(xiàn)象，俗稱(chēng)“削峰填谷”。用通俗一點(diǎn)的解釋?zhuān)拖袷且粋€(gè)“巨型的充電寶，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，負(fù)荷高峰時(shí)再將水能轉(zhuǎn)化為電能”。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，同時(shí)伴隨著科技的快速發(fā)展，對(duì)于抽水蓄能電站的技術(shù)研究也走在前列。由于抽水蓄能電站對(duì)于運(yùn)行環(huán)境的要求較高，尤其是溫度濕度方面，所以對(duì)于此方面的研究受到了眾多業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，不僅是為了滿(mǎn)足設(shè)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(guó)關(guān)于抽水蓄能電站的發(fā)展情況

（1）雖然我國(guó)關(guān)于此方面的技術(shù)起步較晚，于20世紀(jì)60年代開(kāi)始有抽水蓄能電站的建設(shè)，但是經(jīng)過(guò)了60年的發(fā)展，我國(guó)在相關(guān)技術(shù)上的進(jìn)步可見(jiàn)一斑，各項(xiàng)指標(biāo)都躍居世界前列，但是還是有很大的發(fā)展空間，仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

（2）從需求方面來(lái)看，由于我國(guó)華東、華中、華南等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)于能源的需求旺盛，而且有足夠的符合標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域可以進(jìn)行抽水蓄能電站的建設(shè)，這也為我國(guó)在此方面的蓬勃發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，由于我國(guó)走可持續(xù)發(fā)展道路，這也決定了建設(shè)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(lái)看，西北地區(qū)還沒(méi)有建成投產(chǎn)的抽水蓄能電站，但是此地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電占比最高，所以需要加強(qiáng)在此地區(qū)的建設(shè)，加強(qiáng)抽水蓄能電站的建設(shè)，降低棄風(fēng)棄光率等。

結(jié)合我國(guó)國(guó)情以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)抽水蓄能電站的發(fā)展前景十分廣闊，應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)一步的研究以及建設(shè)。除了擴(kuò)容之外，也應(yīng)該關(guān)注局部的優(yōu)化情況，例如對(duì)電站的發(fā)熱情況加強(qiáng)管理。因?yàn)殡娬倦姎庠O(shè)備的發(fā)熱問(wèn)題會(huì)影響電站的實(shí)際運(yùn)行，所以需要根據(jù)散熱量情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 散熱量計(jì)算的必要性

對(duì)電站電氣設(shè)備的散熱量進(jìn)行計(jì)算能在設(shè)計(jì)時(shí)更好地對(duì)冷卻設(shè)備等進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者在選材方面進(jìn)行考慮，使得設(shè)備的工作效率更高。同時(shí)，只有了解了相關(guān)的散熱數(shù)據(jù)，才能在通風(fēng)空調(diào)方面做好優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)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(fù)荷主要來(lái)自于電站內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的發(fā)熱。隨著我國(guó)大型抽水蓄能電站的建設(shè)，我國(guó)關(guān)于此領(lǐng)域的研究也在進(jìn)一步深入，例如相關(guān)的自主產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，只有對(duì)散熱量進(jìn)行充分的了解計(jì)算，才能更好地選材、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 電站設(shè)備發(fā)熱量計(jì)算

2.1 電動(dòng)發(fā)電機(jī)組散熱量

電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的散熱量主要來(lái)自于兩個(gè)方面，一是機(jī)組的蓋板傳熱和機(jī)殼圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，二是機(jī)組的冷卻循環(huán)風(fēng)的漏風(fēng)所帶來(lái)的熱量。

電機(jī)機(jī)殼的散熱量可以按下式計(jì)算：

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

式中，K為電機(jī)機(jī)殼的傳熱系數(shù)，w/m²·℃，S為電機(jī)機(jī)殼的面積，t_g為電機(jī)冷卻循環(huán)風(fēng)的平均溫度，t_i為室內(nèi)的溫度。

規(guī)定漏風(fēng)系數(shù)為β，電機(jī)的冷卻循環(huán)風(fēng)量為v，空氣比熱容為c，空氣容重為γ，電機(jī)漏風(fēng)溫度為t_w。電機(jī)的漏風(fēng)散熱量也可以通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算：Q_w=βvcγ（t_w-t_i），單位為W。通過(guò)上述公式，結(jié)合各電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的系數(shù)（例如電機(jī)機(jī)殼的傳熱系數(shù)，電機(jī)機(jī)殼的面積等）以及自然系數(shù)（空氣比熱容、室內(nèi)溫度等）就可以算出機(jī)組殼體的散熱量以及大致的漏風(fēng)散熱量。但是關(guān)于漏風(fēng)熱量的計(jì)算還有一定的不足，因?yàn)楝F(xiàn)如今空氣冷卻器的效率越來(lái)越高，不同型號(hào)的機(jī)組的冷卻循環(huán)風(fēng)量不一樣，有較大差別，所以不同型號(hào)的機(jī)組散熱量的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的出入。

因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)電機(jī)廠商提供冷卻循環(huán)風(fēng)量參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)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(shè)備，其作用不言而喻，但是從電站運(yùn)行的實(shí)際情況來(lái)看，變壓器容易出現(xiàn)過(guò)熱故障，對(duì)其穩(wěn)定性安全性造成影響。主要原因有變壓器繞組過(guò)熱、引線過(guò)熱、漏磁引發(fā)的過(guò)熱還有冷卻裝置異常等，針對(duì)這些現(xiàn)象相關(guān)的解決辦法是：①?lài)?yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)，制作變壓器的高壓線圈等部件，加強(qiáng)制作管理監(jiān)督，在投入使用之前進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。②定期對(duì)變壓器進(jìn)行檢查，檢查是否存在老化的部件，及時(shí)進(jìn)行更換維修等操作。③然后為了避免過(guò)熱性故障，還需要對(duì)冷卻裝置進(jìn)行定期的檢查維護(hù)，防止設(shè)備損壞。④還需要根據(jù)變壓器的緊固件以及密封件的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，選用合適的緊固件和密封件，防止漏電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

關(guān)于水冷變壓器的散熱量計(jì)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(duì)其散熱進(jìn)行相關(guān)的冷卻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該按照最大的散熱量進(jìn)行計(jì)算。

2.3 母線、電纜發(fā)熱量

母線用于連接發(fā)電機(jī)的主出線和主變的低壓側(cè)，其負(fù)責(zé)運(yùn)輸幾千安培的電流，責(zé)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(yīng)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(duì)其發(fā)熱量的計(jì)算很重要，可以根據(jù)正交設(shè)計(jì)法得到優(yōu)化尺寸，再根據(jù)優(yōu)化尺寸對(duì)導(dǎo)體和外殼的適合運(yùn)行溫度進(jìn)行計(jì)算，如果發(fā)熱量在此范圍內(nèi)，則設(shè)計(jì)正確。

設(shè)I_m為母線導(dǎo)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(dǎo)體在20℃直流電阻率;α為電阻溫度系數(shù);t_m為母線導(dǎo)體的計(jì)算溫度，可以根據(jù)長(zhǎng)期工圍作運(yùn)行溫度進(jìn)行計(jì)算;S_m為母線導(dǎo)體截面積。S_m=D_m·δ_m–δ_m²，其中δ_m為母線導(dǎo)體的厚度，D_m為的母線導(dǎo)體外徑;K_m為集膚效應(yīng)系數(shù);K_om為鄰近效應(yīng)系數(shù);l表示的是母線的長(zhǎng)度。

于是有下列公式：

因?yàn)榉忾]母線幾乎不受鄰近效應(yīng)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(guān)，包括設(shè)計(jì)時(shí)選擇的材料，在制造時(shí)選擇的工藝，都會(huì)對(duì)其產(chǎn)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(guān)系，并且是正相關(guān)的。

另外，在水電站廠房?jī)?nèi)敷設(shè)了各種電壓等級(jí)的動(dòng)力、照明、控制電纜，在運(yùn)行中會(huì)散發(fā)出一定的熱量，如果電纜溫度過(guò)高，將導(dǎo)致電纜表面絕緣老化，電纜的載流量下降。

由于電壓等級(jí)越高，散熱量越小，所以除了主廠房中設(shè)有大量的電纜橋架和專(zhuān)門(mén)的電纜層、電纜廊道應(yīng)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(jì)。

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(zhuǎn)化為磁能保存起來(lái)，也被稱(chēng)為電感器。設(shè)電抗器的利用系數(shù)為η₁，一般取η₁=0.95，設(shè)電抗器的負(fù)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(chǎn)生的功率消耗。

電抗器的散熱量可以按下式計(jì)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(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱量需要一段時(shí)間。如果是長(zhǎng)期運(yùn)行的電抗器，其發(fā)熱量是穩(wěn)定的，如果是間歇運(yùn)行的電抗器，應(yīng)按運(yùn)行時(shí)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(pán)柜發(fā)熱量

高壓配電盤(pán)柜的散熱量可以按下式計(jì)算：

式（6）中，q_額定表示的是在額定電流下高壓開(kāi)關(guān)的散熱量。

低壓配電盤(pán)柜的散熱量可以按下式計(jì)算：

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

式（7）中，k₁、k₂分別代表低壓配電盤(pán)柜的利用系數(shù)和實(shí)耗系數(shù)。由于電站內(nèi)各種盤(pán)柜的用途不同，盤(pán)柜的工作電流也不同，一般說(shuō)來(lái)，工作電流越大，盤(pán)柜內(nèi)的電氣元件發(fā)熱量也越大。對(duì)于集中布置的配電盤(pán)柜盡可能由設(shè)備制造商提供發(fā)熱量較為準(zhǔn)確。

特別的，對(duì)于重要的配電盤(pán)柜，由于制造商對(duì)盤(pán)柜內(nèi)的電氣元件的保護(hù)，防止運(yùn)行濕度過(guò)大，絕緣性能的下降，在盤(pán)柜內(nèi)本身另設(shè)有電加熱器。一般每只盤(pán)柜在0.3～0.5 kW，集中布置的繼電保護(hù)室等應(yīng)加以考慮。

由于勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)系到機(jī)組的安全啟動(dòng)和運(yùn)行，對(duì)于集中或封閉布置的勵(lì)磁盤(pán)柜應(yīng)較為準(zhǔn)確地核算其發(fā)熱量。

2.6 SFC靜止變頻器發(fā)熱量

SFC稱(chēng)為靜止變頻啟動(dòng)裝置，主要用于抽水蓄能電站的機(jī)組抽水工況的啟動(dòng)。SFC裝置的發(fā)熱量和SFC的容量、運(yùn)行時(shí)間有極為密切的關(guān)系，如果要較為準(zhǔn)確地確定設(shè)備發(fā)熱量，應(yīng)請(qǐng)有關(guān)制造商提供設(shè)備的運(yùn)行特性曲線，然后根據(jù)設(shè)備的容量和運(yùn)行時(shí)間確定?，F(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)有了自己的靜止變頻器，擺脫了進(jìn)口依賴(lài)，有利于我國(guó)在抽水蓄能電站的建設(shè)上更進(jìn)一步，但還有關(guān)于容量設(shè)計(jì)、散射技術(shù)的難關(guān)，國(guó)產(chǎn)化的道路還很艱難。我國(guó)很多研究人員迎難而上，相信在未來(lái)會(huì)有更優(yōu)的我國(guó)自產(chǎn)的靜止變頻器，我國(guó)在新能源的發(fā)展道路上也能越走越遠(yuǎn)，位于世界前端。

2.7 照明設(shè)備的發(fā)熱量

現(xiàn)在大、中型電站都有關(guān)于燈光的設(shè)計(jì)，照明設(shè)備也會(huì)有散熱，但是由于影響照明設(shè)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(guān)于其散熱量的計(jì)算就十分便利，基本上是不變的。照明設(shè)備散熱是指一部分消耗的電能轉(zhuǎn)化為熱能，發(fā)散到空氣之中。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在關(guān)于新能源的開(kāi)發(fā)建設(shè)受到了越來(lái)越多人的重視，除了因?yàn)榄h(huán)保理念的增強(qiáng)之外，也因?yàn)樾滦湍茉吹漠a(chǎn)生使得科學(xué)技術(shù)得以進(jìn)一步的提升，國(guó)家實(shí)力得到了進(jìn)一步的提升?，F(xiàn)階段關(guān)于抽水蓄能電站的建設(shè)研究是一項(xiàng)長(zhǎng)期和細(xì)致的工作，需要各研究人員共同努力，對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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