強迫風冷離相封閉母線技術研究

王太隆

引言：封閉母線是將發(fā)電機發(fā)出的電能輸送到主變壓器的重要設備。根據國際電工協會推薦和國內工程運用，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則推薦使用強迫風冷離相封閉母線。一般大型核電機組、火電機組和水電機組，發(fā)電機出口額定電流均達到26000A～28000A以上。但因為風冷母線技術長期國外壟斷，目前我國風冷母線僅在核電機組上應用。

一、離相封閉母線介紹

離相封閉母線各相母線導體分別用絕緣子支撐并封閉于各自的外殼之中。當母線導體流過電流時，外殼上將產生一個方向相反而其數值幾乎與母線導體流過電流相等的感應電流，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，殼外磁場大大減小，對母線電流產生的磁場起有效的屏蔽作用。與敞露式大電流母線相比，在很大程度上減小了周圍鋼構、鋼筋在電磁感應下產生的渦流和環(huán)流。

離相封閉母線具有以下特點：①減少接地故障，避免相間短路；②減小母線周圍鋼構發(fā)熱；③減少相間電動力；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體、外殼、絕緣子、伸縮補償裝置、短路板、穿墻板、外殼支持件、各種設備柜及與發(fā)電機、變壓器等設備的連接結構構成。母線的冷卻主要依靠自然對流和輻射。

自冷離相封閉母線有以下特點：①正常運行不需要借助外部設備，運行成本低；②因配套設備較少，維護簡單。

1.2風冷離相封閉母線

風冷離相封閉母線（以下簡稱風冷母線）運行電流比自冷母線大，其組成部分比自冷母線增加了強迫風冷設備，即循環(huán)風機、熱交換器、風道和相間消離子裝置等。由循環(huán)風機吹出的冷卻風進入母線進行強制冷卻，被加熱后的冷卻風進入熱交換器，將熱量傳遞給冷卻水，冷卻風自身被降溫后再次進入循環(huán)風機完成閉式循環(huán)。

風冷母線的冷卻除了自然對流和輻射，母線內循環(huán)風的強制冷卻占70%的散熱量。風冷母線有其獨特的特點：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技術成熟、運行安全可靠。

二、風冷系統(tǒng)的構成

強迫風冷封閉母線的控制系統(tǒng)由控制器、循環(huán)風機、封閉母線和傳感檢測4部分構成。

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，熱量就會由高溫處向低溫處傳遞。載流母線的發(fā)熱量通過對流、輻射和導熱傳遞到周圍環(huán)境中去，對流、輻射和導熱各自遵循不同的規(guī)律

3.1導熱

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 的另一個物體的過程稱為導熱（又稱熱傳導）。在純導熱過程中，物體各部分之間不發(fā)生相對位移，也沒有能量形式的轉換。氣體和液體中的導熱現象基本上可以看作是由于分子不規(guī)則運動相互碰撞的結果。氣體和液體溫度越高，分子運動的動能越大。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。金屬導體中有很多自由電子，金屬物質中的導熱主要靠自由電子的運動來完成，因此通常導電性好的金屬導熱性能也好。在不導電的固體中，導熱是通過晶體結構的振動（即原子和分子在其平衡位置附近的振動）來實現的。

3.2對流

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)生相對位移即流動時，也會引起熱量的傳遞，與此同時還伴隨著導熱現象。在工程技術上大量遇到的是對流和導熱聯合作用的結果。對流分為自然對流和強制對流兩類，相應地也有兩類對流換熱。自然對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動。電氣設備表面鄰近的空氣受熱上升就是典型的自然對流的例子。如果流體的運動是由水泵、電機或其他壓力差造成的，則稱強制對流。風冷封閉母線中冷卻空氣的流動就是強制對流的例子。

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。傳熱學中提到的輻射指熱輻射。一切物體，只要溫度高于絕對零度，都在不停地向四周輻射能量，同時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果就產生了以輻射方式進行的熱量傳遞過程，稱為輻射換熱。當物體與四周環(huán)境溫度相同時，輻射換熱量等于零。實際物體的熱量傳遞過程往往是上述三種方式的組合。

四、風冷離相封閉母線散熱理論分析

風冷母線散熱理論分析是將封閉母線段分為有限的計算段，逐段計算，最終得到可以滿足工程設計要求的母線溫度分布。

4.1母線本體熱平衡計算

母線本體作為封閉母線承載額定電流的主體，國家標準對其溫度值和溫升值有嚴格的規(guī)定。北京電力設備總廠開發(fā)人員利用成熟的理論知識，包括電磁學、流體力學和傳熱學，綜合風冷母線的結構特點，對母線本體的電磁損耗、流動狀態(tài)、換熱機理進行分析，通過合理假設，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，國家標準對其溫度值和溫升值有嚴格的規(guī)定。北京電力設備總廠開發(fā)人員利用成熟的理論知識，包括電磁學、流體力學和傳熱學，綜合風冷母線的結構特點，對母線本體的電磁損耗、流動狀態(tài)、換熱機理進行分析，通過合理假設，建立母線本體熱平衡方程組，其中：

上述三個方程組成了強迫風冷離相封閉母線熱平衡方程組。將上述方程組中的每項進行展開，幾何尺寸、運行條件、物性參數均為已知量（輸入條件），未知量為 、 、 、 ，分別為第i段導體溫度、第i段殼體溫度、第i段空氣進口溫度、第i段空氣出口溫度。

五、結論

國內風冷母線主要應用于核電機組，國外在水電機組上也有應用。隨著機組容量的增大，以及國內母線廠家設計技術和制造水平的不斷提升，強迫風冷離相封閉母線強迫風冷離相封閉母線的市場應用也會越來越廣，將從核電機組延伸到大容量火電機組和水電機組。

參考文獻

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學第三版.高等教育出版社，1998.

[2]吳勵堅.大電流母線的理論基礎與設計.水利電力出版社.1985.

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

（作者單位：河北大學）