畢業(yè)設計（論文）封閉母線自然冷卻的溫度場分析（全套圖紙）

1、摘要母線是發(fā)電廠和變電所電能輸送設備的重要組成部分, 主要用于聯(lián)結大容量發(fā)電機的主出線和主變的低壓側，傳遞幾千安培的大電流。如果母線發(fā)生故障,將造成發(fā)電廠和變電所停電,從而對電力系統(tǒng)的安全運行帶來嚴重危害,因此,對母線可靠性的設計提出了很高的要求。本文主要介紹了母線的結構特征及分類，母線的溫度場分析，并在此基礎上選擇了母線的冷卻方式及防冷凝方案。我國在高垂直段母線方面的技術還比較落后，但對很多情況下需要設計研究高垂直布置母線。本文對秦山核電站的母線作了75米垂直布置分析研究。主要利用傳熱學原理對其溫度場進行了分析，并用vc+語言對其進行了編程計算，得出了垂直布置母線的溫度分布規(guī)律。依據(jù)該規(guī)律工

2、程技術人員可以設計出經濟可靠的母線系統(tǒng)，保證母線在允許的溫度范圍內工作。關鍵詞：離相封閉母線；垂直安裝；溫度場分析全套cad圖紙等，聯(lián)系153893706abstractbus bar is the importance part of power station and electric changing station,used for primarily the lord of the big capacity generator out export and the low-pressure side of electric transformer, delivering severa

3、l thousand electric current. the power will be cut off if the occurrence breaks down, that brings the serious bane to the safe movementing of the electric power system. therefore, it is very high request to the dependablly designing of bus bar.the construction and classifications of bus was describe

4、d in the text. analysising and investigating the temperature of bus bars is the main part of the text. how to choose cool way to enclose bus and defending congealed also was introduced. our countrys study on vertical enclosed bus bars is laggard, but it is large needing of high vertical enclosed bus

5、 bars. the height of the qinshan nuclear stations vertical enclosed bus bars is one seventy-five meters. the text analysis and investigate the temperature of vertical bus bars, and calculation the value by vc+. the analysis of temperature is help for engineers and workers. according to the regulatio

6、n，engineers can design a more economy and dependable bus system, also, the workers at spot can check the system in the allow scope temperature.key words: enclosed bus of separated phase; vertical installation; analysis and investigate the temperature of bus bars目錄前言11 母線及其分類31.1 母線結構的演變和大電流母線的技術特點31

7、.1.1 母線的結構31.1.2 大電流母線的技術特點41.2 母線的類型和應用41.2.1 敞露母線41.2.2 離相封閉母線52 母線的傳熱原理72.1 對流換熱概說82.1.1 自然對流和強制對流82.1.2 層流與紊流82.2 自然對流換熱92.2.1 自然對流換熱的機理92.2.2 大空間自然對流換熱92.3 熱輻射及輻射換熱102.3.1 熱輻射的基本概念102.4 太陽輻射113 封閉母線冷卻方式的選擇和防結露措施123.1 冷卻方式的選擇133.2 封閉母線防結露方案的確定153.2.1 采取防結露措施的必要性153.2.2 封閉母線的幾種防結露措施及特點163.2.3 空調冷

8、氣微正壓系統(tǒng)的結構及工作原理173.2.4 結論184封閉母線的熱平衡計算194.1 母線導體損耗計算194.2 外殼損耗計算204.3 散熱計算214.4 解熱平衡方程255 溫度場分析275.1研究目的275.2利用網格法對封閉母線的溫度場進行分析275.3外殼散熱的分析285.4導體溫度的計算335.5 程序及其計算結果345.6 結果及分析376 技術經濟分析397 結論41致謝42參考文獻43附錄a 英文譯文44附錄b 英文翻譯原文50附錄c 溫度場分析源程序580 前言隨著生產和科學技術的發(fā)展，電能已成為工業(yè)、農業(yè)、國防、交通及國民經濟各個部門不可缺少的動力，成為改善和提高人們物質

9、文化的重要因素，一個國家電力工業(yè)的發(fā)展水平，往往是反映國民經濟發(fā)達程度的重要標志。母線是發(fā)電廠和變電所電能輸送設備的重要組成部分，其性能關系到發(fā)電廠和變電所及整個電力系統(tǒng)的安全運行， 母線發(fā)生故障,將造成發(fā)電廠和變電所停電,從而對電力系統(tǒng)的安全運行帶來嚴重危害,因此,對母線設計的可靠性提出了很高的要求.將帶電的母線用外殼加以封閉保護，即為封閉母線。封閉母線主要用于聯(lián)結大容量發(fā)電機的主出線和主變的低壓側。它的導體和外殼均由鋁板卷制后焊接而成，導體和外殼之間由支柱絕緣子支持，與設備（發(fā)電機，變壓器等）聯(lián)結處，導體端部焊有帶接線端子的金具，將導體端部封死。封閉母線通常分段制造，根據(jù)現(xiàn)場布置情況，長度

10、從3米到6米不等，以便運輸和安裝?，F(xiàn)場組裝時，段與段之間由半圓弧形鋁抱瓦焊接起來。導體和外殼均使用非導磁鋁材，由于運行時外殼上感應出與導體電流大小近似相等而方向相反的電流，殼外漏磁場很弱，所以，可極大地減小渦流損耗和短路時的電動力，且安全可靠。因此，大容量發(fā)電機組的單元接線都采用封閉母線聯(lián)結。封閉母線一般有水平安裝、傾斜安裝、垂直安裝等形式. 通常母線采用水平安裝的形式，此時,各零部件的受力情況良好,尤其是絕緣子,因處于垂直受壓位置,故易滿足強度要求。但隨著機組容量的不斷增大，并受地質條件和布置空間等因素的限制,封閉母線有時只能采用傾斜和垂直安裝相組合的方式.為此需對垂直安裝結構的合理布置進行

11、分析.常規(guī)的安裝方法是將水平安裝的結構轉90度。垂直安裝設計簡單,但零部件受力情況不好,尤其是絕緣子因處于水平位置,自身要受到導體重量引起的彎矩,其聯(lián)接螺栓則受橫向載荷及翻轉力矩的共同作用,故強度差.因此,除對導體、外殼及焊縫進行強度計算外,需對聯(lián)接螺栓、絕緣子、絕緣子座及聯(lián)接板詳細地進行受力分析和強度計算。除此之外，母線在實際運行中由于存在著電阻損耗而發(fā)熱,這一熱量如不能及時散失,將使母線溫度升高, 導致導體的載流能力下降，發(fā)電機的輸出功率下降，甚至把接頭燒壞，并且絕緣子的絕緣性能也會降低，從而影響母線的工作性能。為了保證垂直布置的封閉母線工作的安全性和可靠性,需對其發(fā)熱問題進行熱分析。目前

12、，我國自行研制的最高垂直段離相封閉母線為27.1米，而國外發(fā)達國家的垂直段離相封閉母線已達300米以上，技術水平差距很大，現(xiàn)在世界上各個國家都在充分利用水力資源，大力發(fā)展低污染的水電建設，機組容量是越來越大，垂直布置的母線是越來越高，所以發(fā)展大容量高垂直段離相封閉母線已是大勢所趨。根據(jù)國家“十五”電力發(fā)展規(guī)劃要大力發(fā)展水電，實現(xiàn)西電東送，而水電建設環(huán)境比較復雜，在我國電源結構中，水電比重達到25%，重點開發(fā)黃河上游，長江中上游及其它支流，紅水河，瀾長江中下游和烏江等流域，需垂直布置的離相封閉母線比較多，垂直布置的離相封閉母線與水平布置的封閉母線具有不同的特點，而我國在高垂直段母線方面的技術還比

13、較落后。目前已有很多研究人員對導體、外殼、焊縫、聯(lián)接螺栓、絕緣子、絕緣子座及聯(lián)接板詳細地進行受力分析和強度計算，但對高垂直段封閉母線內的發(fā)熱規(guī)律的研究很少，此項目完成后能夠使工作人員了解掌握垂直段封閉母線內的溫度分布，進而保證垂直布置的封閉母線在允許的溫度范圍內工作，為以后大功率、大容量機組、需要高垂直段封閉母線的水電站建設奠定理論基礎。高垂直段離相封閉母線項目符合國家“西電東送”戰(zhàn)略目標的要求通過學習傳熱學了解掌握導熱的基本知識，進而利用導熱原理來分析垂直段封閉母線內的發(fā)熱規(guī)律。本文對高垂直段封閉母線發(fā)熱規(guī)律作了研究，使封閉母線設計和現(xiàn)場運行人員了解并掌握垂直段封閉母線結構及其內部溫度分布規(guī)

14、律，進而保證垂直布置的封閉母線在允許的溫度范圍內工作。1 母線及其分類1.1 母線結構的演變和大電流母線的技術特點1.1.1 母線的結構發(fā)電廠和變電所廣泛地使用母線（或稱匯流排）連接各種電機和電器，以傳輸電流和功率，并通過配電裝置分配電能。母線一般是用電導率高的鋁、銅型材質成（又稱硬母線），用耐高電壓的絕緣子（一般是陶瓷）支持。由于鋁的成本低，現(xiàn)在除要求高機械強度等特殊情況下才用銅導體外，普遍使用鋁導體。母線大部分裝設戶內，但也有一部分在戶外。它是電站內部的電力線路，應滿足安全和經濟運行的要求。母線的工作狀況與它所承載的電流和電壓有關。母線電流對母線工作狀態(tài)的影響涉及電磁學、熱學、和力學三種無

15、力現(xiàn)象，其中最主要的是：導體中的電流分布和功率損耗；導體的散熱和溫升；短路時導體和絕緣子承受的電動力和機械應力。合理的設計應使溫度和應力不超過允許值，同時總投資費和總運行費之和最小。電流較小的母線具有扁平的矩形截面，即所謂矩形母線和平板母線，用支柱式絕緣子支持，材料起初是高純度的銅，在鋁工業(yè)發(fā)展后逐漸被高純度的電解鋁代替。矩形截面的優(yōu)點是散熱面比圓形的大，并且它的平面便于螺栓連接。我們國家最大的單片矩形母線承載的工作電流可達2ka左右。當工作電流較大時可采用24片組成的多片矩形母線，片間留有寬度等于片厚的通風間隙。但4片矩形母線的載流能力一般不過四千多安。矩形母線常被用于容量為50mw及以下的

16、發(fā)電機或容量為60mva及以下的降壓變壓器10.5kv側的引出線及其配電裝置。在各級電壓的電站中，以發(fā)電機電壓（在我國常用的有10.5、13.8、15.75、18、20kv等）的母線電流最大。隨著發(fā)電機額定功率的增大，其額定電壓增高不多，而額定電流越來越大。目前我國電力系統(tǒng)中主力發(fā)電機的容量多數(shù)為100350mw，其工作電流約為513ka。600mw發(fā)電機，其額定電壓約為20kv，工作電流約達23ka。國外大型發(fā)電機容量達1000mw以上，工作電流達36ka以上。這樣大容量的發(fā)電機，一般都是經過引出母線與升壓變壓器（在發(fā)電廠中稱主變壓器）直接連接（即“單元制”接線），把電能送入高壓電網內。這種

17、連接母線的長度，在火電廠中一般較短，約為2040m，在水電廠中由水利工程總體布置決定，其變化范圍約為20200m，甚至更長。此外，供電給大功率負荷（例如冶金企業(yè)）的10kv電力線路電流也很大，通常也使用硬母線，其長度更大些，甚至可達1km左右。1.1.2 大電流母線的技術特點輸送較大工頻電流的母線，具有以下一些： 由于截面增大，電流集膚效應強烈，多片矩形已不是合理的截面形狀，而讓位于接近于空心圓管的形狀； 母線的磁場能使附近的鋼結構受到電磁感應而產生大量功率損耗和發(fā)熱； 隨著發(fā)電機組容量和電力系統(tǒng)容量的增大，故障時通過母線的短路電流也相應增大，這又引起導體間的巨大電動力； 現(xiàn)代供電的高度可靠性

18、對母線提出了封閉的要求； 由于母線散熱的困難增加和有色金屬消耗的增加，在電流特別大的情況下（例如15ka以上），宜于采用強制冷卻的措施。這些情況加在一起，引起母線形式結構的變化起初是截面形式的改變，以后是結構的改變。母線形式結構隨電流增大而演變的過程可大體表示如下：矩形多片矩形雙槽形及其它（類似空心管形）外殼不連式離相封閉母線外殼全連式離相封閉母線風冷封閉母線1.2 母線的類型和應用 大電流母線可分為兩大類：敞露母線和封閉母線。1.2.1 敞露母線 在我國大電流敞露母線的導體主要采用兩個軋制的槽鋁組成，即所謂雙槽形母線。這兩根槽鋁形成一個空心方管，中間留有間隙以加強散熱。不同尺寸的雙槽母線可用

19、于2ka到9ka線路。雖然從減小集膚效應得角度來看，這種母線不如圓管。但它的四個平面可供兩端作電氣連接之用。特別是具有圓角的雙槽母線集膚效應比方角的小，更為優(yōu)越。除了雙槽形母線外，可供使用的其它截面形狀還有由四片矩形導體拼成的菱形和圓管形等，但實際應用不多。敞露母線按照導體的支持方式又分為兩類，即支持式和懸掛式。 （一）支持式母線支持式母線的導體是用適合于母線工作電壓的支持式絕緣子固定在鋼構架或墻板等建筑物上。最常見的是三相導體位于一個平面上，即并排布置，每相導體用一個絕緣子支持。根據(jù)廠房布置得情況，三相導體的平面多數(shù)十水平的，也有時是垂直的，此外有時也可以做成三角形布置。（二）懸掛式母線懸掛

20、式母線的導體是利用高壓架空線路用的懸式絕緣子吊掛在建筑物上。一般是三相垂直排列。在局部地點，也可以根據(jù)廠房布置得需要做成三相水平或等邊三角形或其它排列形式。由于懸掛式絕緣子有很大的抗拉強度（x-4.5c型為4500kg），懸掛式母線可設計成610m的大跨距，這時雙槽形導體的機械強度得到充分利用，而使支點減少，由于絕緣子擊穿而發(fā)生故障的機會也減少。此外，這種母線結構簡單，安裝方便，附近鋼構發(fā)熱損耗也比較小。因此在水電廠和大功率供電線路中常被采用作較長的母線。在火電廠中，由于主廠房布置的限制，一般不用這種導線。敞露母線多用于電流在4ka以下的母線。大體說來36ka的使用外膠裝絕緣子的敞露母線附近鋼

21、結構發(fā)熱雖已顯著，但使用內膠裝絕緣子的母線由于絕緣子高度較低，鋼結構離相母線較近，5ka時已需采用專門措施。1.2.2 離相封閉母線 敞露母線暴露在環(huán)境中，容易受到人、動物以及其它物體的偶然接觸而發(fā)生接地和短路，絕緣子還可能由于容易受到灰塵和潮氣的污染而使其性能下降，這些情況在母線的全長范圍內都會發(fā)生，而且定期清掃也要耗費相當多的工作量。由于供電可靠性日益重要，對母線和其它原來是敞露的電器（如隔離開關等）逐漸提出了封閉的需求。在二三十年代，曾經把每相母線裝設在單獨得水泥洞內或用水泥隔板隔開，以避免相間短路。這種結構雖然提高了可靠性，但是建筑復雜，維修不便。當時電流水平不過三千多安。到四十年代以

22、后，隨著電流的加大，國外開始采用金屬外殼的封閉母線，其金屬殼接地。這種封閉母線在制造廠中制成約36m的段，大大減少了現(xiàn)場施工的工作量，提高了母線質量而縮短了工期。最初的金屬外殼是用高電阻的非磁性鋼（錳鋼）做成，其截面是方形，好像長方形的箱子，里面裝著絕緣子支持的雙槽母線。此后改用電阻率低的鋁殼。起初三相放在一個箱內，用隔板隔開，叫做隔板母線。后來發(fā)現(xiàn)當一相對箱子接地時的電弧會把箱子燒穿，接著發(fā)展為兩相對地短路，因此改成每相有一個單獨得外殼，叫做離相封閉母線，這樣一相接地就不會直接發(fā)展成為兩相對地短路，而一相接地的電流很小，機組仍可繼續(xù)運行，一面進行處理。以后逐漸改用圓筒形。母線導體則隨著電流增

23、大而逐漸過渡到圓管形或八邊形截面（分兩半）。由于母線電流在鋁殼上感應出軸向電動勢，其值在短路時可達到100200v，對人身有危險，因此每一制造段外殼的兩端做成與臨段絕緣，同時將每段接地，叫做不連式或分段絕緣式外殼。這種外殼的每一段上由于鄰相電流的感應（鄰近效應）而產生渦流，并造成一定的功率損耗。但短路時的外殼渦流，卻起了阻止鄰相磁場進入殼內的屏蔽作用，從而大大減少了短路時作用于母線上的電動力。到五十年代，又有了較大的改進，這就是隨著鋁的氬弧焊技術的完善，把沿長度各段外殼在現(xiàn)場焊接起來并在兩端把三相外殼同鋁板焊接起來，形成三相全連式的外殼，簡稱全連式，因為三相外殼回路中由于電磁感應而產生環(huán)流，環(huán)

24、流數(shù)值大約等于母線電流但方向相反，這就使殼外的磁場大部分消失。全連式離相母線的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代母線結構的完善化。它把鋁殼的全部優(yōu)點都發(fā)揮出來了，這就是：徹底解決了隨著電流不斷加大所產生的比較突出的鋼結構發(fā)熱問題；不連式封閉母線的母線電動力雖然減輕了，但更大的電動力卻被轉移到外殼上，而全連式母線的外殼環(huán)流和渦流起了雙重的電磁屏蔽作用，從而進一步減輕了母線的電動力，同時外殼上的電動力也很小；進一步提高了密封性；封閉外殼可作為通風冷卻用的管道，成為風冷母線，使尺寸減小。殼內空氣經過風機和水冷器進行閉式循環(huán)，通常由兩邊相進風，由中相出風（或相反）。在邊相與中相外殼間的連管中裝有消離子柵，以免當一相母線發(fā)

25、生導體接地時電弧產生的離子擴散到鄰近相引起兩相接地短路。圖11 ；離相封閉式fig. 11 enclosed bus of separated phase離相封閉母線雖然成本要比敞露式母線高，有色金屬消耗量也多，但由于有諸多重要的優(yōu)點 ,目前仍被廣泛應用。2 母線的傳熱原理在自然界中，凡是有溫差存在的地方，熱量就會由高溫處向低溫處傳遞。熱量傳遞的三種基本方式是：導熱、對流和輻射。一、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

26、導熱現(xiàn)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(xiàn)的。這是導熱過程的微觀機理。傳熱學研究導熱僅限于導熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。二、對流氣體和液體統(tǒng)稱流體。在有溫差的情況下，液體各部分之間發(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(xiàn)象。在工程技術上大量遇到的是流動著的流體與固體

27、壁面之間所發(fā)生的熱量交換過程，稱為對流換熱。對流換熱是流體的對流和導熱聯(lián)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。電器設備表面臨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于水泵、風機或其它壓力差造成的，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。三、輻射物體同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就指熱輻射。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它物體發(fā)出的

28、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，輻射換熱量就等于零。實際物體的熱量傳遞過程往往是上述三種方式的組合。2.1 對流換熱概說 流體與固體壁面相接觸時的對流換熱是流體的對流與導熱聯(lián)合作用的結果。在對流換熱中，單位時間內所傳遞的熱量常用牛頓冷卻公式表示式中 對流換熱量（w）； f換熱面面積（）； 對流換熱系數(shù)，或稱對流放熱系數(shù)（w/），表示流體與壁面相差1時，單位時間里通過單位面積的對流換熱量； 壁面與流體的溫度差，恒取正值（）。牛頓冷卻公式實質上是把對流換熱的全部特性集中在這個系數(shù)上。然而對流換熱是一個非常復雜的過程，值

29、的決定涉及到一系列物理現(xiàn)象。因此首先須對對流換熱過程進行深入研究，才能夠恰當?shù)厍蟮貌煌瑘龊舷碌谋硎臼?。到目前為止，雖然對流換熱的理論體系正在逐步建立和完善，但分析求解或數(shù)值計算對許多復雜場合還不能應用，而主要依靠實驗研究方法來建立對流換熱的規(guī)律。在對流換熱的實驗研究中，通常應用相似理論方法。相似理論是一種把實驗研究（?；囼灒┲械娜舾蓚€別數(shù)據(jù)提高到理論概括的高度的一整套完整的方法。根據(jù)這個理論，把物理現(xiàn)象中的各個參量重新組合成一組能反映現(xiàn)象本質的新參量，叫做相似準則，或簡稱準則。用準則方程來描述對流換熱過程，可以大大減少代表影響因素的獨立變量數(shù)目，并且使實驗結果具有相當?shù)耐ㄓ眯浴?.1.1 自

30、然對流和強制對流 一般說自然對流的強度取決于流體受熱的情況、流體的種類以及過程進行處的空間大小和換熱面的位置、面積的大小等因素；強制對流的強度則與流體的流動速度、流體的種類以及流道的形狀等因素有關。流體強制對流換熱中也同時存在著自然對流，但當強制對流強烈時，自然對流的影響?？陕匀ァ?.1.2 層流與紊流 流體的運動狀態(tài)有兩種，一種是層流，一種是紊流。以圓管內強制對流換熱為例，當流體的平均流速較小時，由于分子的摩擦（粘性）作用，流體成層地平行于流道壁面流動。層與層之間沒有流涕微團相互摻雜，叫做層流。但當增加到超過某一臨界值時，流體的流動出現(xiàn)了漩渦，而且漩渦不斷地發(fā)展、擴散，引起不規(guī)則的脈動，這種

31、性質的流體稱為紊流。由于流體的粘性，壁面上流體的速度總等于零。層流時，速度分布呈拋物線型；紊流時，核心地區(qū)的漩渦促進了流體的擾動混合，使速度分布趨于平坦，但在接近壁面處表現(xiàn)出比層流時更大的速度梯度。速度變化劇烈的這一薄層叫做“速度邊界層”。緊貼壁面的流體流速已降到足夠小，仍然保持了層流的性質。這部分可以稱為紊流的“層流底層”。越小，層流底層將越厚，當減小到等于或低于臨界值時，整個流動就表現(xiàn)為層流。2.2 自然對流換熱 自然對流換熱在工程上應用十分廣泛，本節(jié)簡單介紹幾種典型情況下的自然對流換熱。2.2.1 自然對流換熱的機理 流體的自然對流是由于換熱引起流涕各部分溫度不同而產生的流動。以豎壁在空

32、氣中的自然對流換熱為例，在換熱面附近一薄層里存在溫度變化。假定豎壁溫度均勻，并高于空氣溫度。與壁面接觸處的空氣溫度等于壁溫。隨著離開壁面的距離增加，空氣溫度逐漸降低，待到離開熱表面相當距離以后，空氣溫度幾乎不再變化，其溫度等于沒有受到換熱影響的環(huán)境溫度。在此薄層內，流體由于密度差，向上流動，其速度也有變化。 自然對流的流動狀態(tài)也有層流和紊流兩種。仍以豎壁為例，下面一段是層流，上面一段是紊流。從層流轉變到紊流的臨界點是由溫差、高度和流體的物性決定的。2.2.2 大空間自然對流換熱 大空間自然對流換熱是指換熱面附近沒有足以影響流體熱邊界層發(fā)展的物體情況下的自然對流換熱。如封閉母線的外殼，周圍雖有臨

33、相母線以及其它物體，但一般不影響外殼周圍熱邊界的流動，可視為大空間自然對流換熱。 圖21 兩個熱豎壁間的空氣流動fig.21 the air current of two perpendicular wall兩個平行熱豎壁與其間空氣層的換熱，如圖31所示，只要，就可以作為大空間的自然對流換熱問題來處理。封閉母線的垂直短高度不大時，其夾層間隙g滿足時，也可視為大空間患熱。2.3 熱輻射及輻射換熱2.3.1 熱輻射的基本概念 任何物體，只要溫度大于絕對零度，就能發(fā)射輻射能。輻射現(xiàn)象大體上可以用電磁波動說來解釋。根據(jù)電磁波原理，溫度大于絕對零度的物質內部電子的振動和激動也會產生微觀的時變電場和磁場，

34、并以電磁波向周圍傳播。電磁波運載的能量叫做輻射能。原則上，物體可以發(fā)射從0的任何波長的射線，但不同波長載運輻射能的數(shù)量不同，波長為零的電磁波載運的輻射能為零。另一方面，外部的射線被物體吸收重新變?yōu)闊崮艿膶嶋H上只限于波長為0.440的電磁波。我們把0.440的這些電磁波統(tǒng)稱為熱射線，其中0.40.8的電磁波就是可見光，而0.840的是紅外線。在一般溫度下的物體所放射的輻射能中紅外線占絕大部分，而可見光所占比例很小。例如2000k時，可見光僅占1.95%。只有在極高溫度下，如6000k（相當于太陽表面溫度）時，可見光才占重要地位，約占46%。工程上很少達到這樣高的溫度，因此我們所討論的，都是指紅外

35、線輻射。 投射到一物體表面的總能量可以分成三部分：一部分被吸收，一部分被反射，另一部分穿透物體，如圖32所示。顯然有+=或+=1式中各項依次稱為物體的吸收率a、反射率r和穿透率d，且a+r+d=1圖32 物體對熱輻射的反射、吸收和穿透fig.32 object to hot radioactive of glint, absorb and wear deeply如果a=1，就表示投射到物體上的輻射能全部被物體吸收，這種物體稱為黑體，或絕對黑體。r=1和d=1的物體分別叫做絕對白體和絕對透明體。自然界沒有真正的絕對黑體、絕對白體和絕對透明體。對于固體，一般都是不透明體，即d0（即使是玻璃也只是對

36、可見光才成為透明體，對紅外線來說也是部透明體），a+r=1。于是善于反射的物體就一定不能很好地吸收輻射能；反之，物體能很好地吸收輻射能，它的反射率就一定比較小。2.4 太陽輻射 戶外母線受到太陽輻射，母線吸收的最大太陽輻射能量幾乎與損耗功率具有相同數(shù)量級。對于強制風冷母線太陽輻射足以使導體和外殼溫度升高2左右。對于自冷母線，問題更加嚴重，可以使母線溫度升高810之多。由于太陽隊母線的輻射通量隨地區(qū)、季節(jié)、時間、天氣而異，情況很復雜。母線到達最高、天氣晴朗無風等情況下，母線溫度是否在允許的范圍以內。3 封閉母線自冷的選擇和防結露措施水布埡水電站安裝4臺460mw全連自冷離相封閉母線。額定電壓24

37、kv，額定電流15500a，每臺機封閉母線自壩內發(fā)電機風洞處水平引出23.5米，垂直豎井引出118米，再水平引出100米接至主變壓器低壓側，具體布置圖見圖3-1。具體技術參數(shù)見表3-1。圖3-1 水布埡垂直段母線布置圖fig.31 the diagram of vertical enclosed bus bars of shuibuya3.1 冷卻方式的選擇封閉母線的冷卻方式主要有自然冷卻(以下簡稱自冷)和強迫風冷(以下簡稱風冷)兩種方式。全連式離相封閉母線采用自然冷卻，其電流最大可達30 000 a，超過該值一般就應采用風冷方式。然而，由自冷到風冷的過渡在國際上并沒有嚴格的規(guī)定或統(tǒng)一的標準，

38、其過渡是平緩的。大部分國家，如西歐在運行電流25 000 a左右處選擇過渡，而在美國和日本其過渡電流在15 000 a左右。另外，冷卻方式的選擇往往也取決于母線在電站中的布置和結構尺寸的限制。水布埡水電站封閉母線的額定電流為15500 a，從技術角度而言，采用自冷或風冷都是可行和滿足要求的，因此其冷卻方式的選擇必須從水布埡水電站的實際情況出發(fā)，選擇合理的冷卻方式。表3-1 水布埡封閉母線的主要技術參數(shù)tablet.3-1 the main technique parameters of enclose bus of shuibuya序號名稱技術參數(shù)主回路分支回路1額定電壓/kv24242額定電

39、流/a1550050003額定頻率/hz50504熱穩(wěn)定耐受電流及時間/ka100/3170/35動穩(wěn)定耐受電流/ka2704606絕緣水平工頻耐壓（有效值）分鐘沖擊耐壓（峰值）65651251257最高允許溫度/母線導體9090鍍銀接頭105105外殼7070外殼支撐結構7070絕緣件1501508外殼聯(lián)結全連式全連式9環(huán)境溫度/4010海拔高度/m小于1000米 封閉母線冷卻方式的比較，主要考慮以下因素：運行的安全可靠性、設計的復雜性、制造安裝的難易程度及維護檢修的方便性等。 從運行的安全可靠性而言，一般來說自冷比風冷可靠性更高。風冷方式需要使用風機、熱交換器、過濾器、水氣管路、去離子裝置

40、等風冷附屬設備，風冷母線總的熱損耗的70%80%左右被循環(huán)空氣排出，但當風機等裝置發(fā)生故障時，機組將被迫減負荷運行，減負荷的多少則取決于導體和外殼的允許溫度。在一般情況下，風冷裝置發(fā)生故障時，機組只能在40%70%的額定負荷下繼續(xù)運行，由于自冷母線沒有上述設備，可使故障率大大減小。就封閉母線的設計而論，風冷封閉母線的設計較為復雜。風冷母線設計時，要根據(jù)風量、風壓、進(出)口風溫、水溫等，通過計算來選擇風機、空氣水熱交換器、空氣過濾器、連接風管等設備和各種檢測儀表，此外，還要設計一套自動控制裝置來監(jiān)視并操縱母線及風冷設備的正常運行、事故報警以及運行和備用兩套冷卻裝置的自動切換等。由于還要承受一定

41、的風壓，風冷母線的強度要求高。相對而言，自冷母線的設計相對簡單，正確性高。 從制造和安裝的難易程度而言，采用風冷需增加風冷附屬設備，顯然增加了設備制造和安裝的工作量，加之風冷母線的外殼即為風道的一部分，其密封性要求高，這無疑又增加了制造和安裝的難度。整個風冷系統(tǒng)還需調試，以檢測母線導體、外殼溫度、進(出)口風溫、風量、風壓、熱交換器及進、出口水溫等參數(shù)，確定母線及風冷設備運行是否正常并符合設計要求。自冷母線無風冷方式所要求的配套設備，在母線安裝完畢后，除進行正常的絕緣耐壓等試驗外，不需要更多的調試，因而制造和安裝工作量大為減少。 從運行維護方面考慮，風冷母線投運后，除了監(jiān)視導體、外殼的溫度外，

42、還要經常檢查冷卻系統(tǒng)的運行情況，如風機運轉是否正常，風溫、水溫、風量等參數(shù)是否有變化，并要定時記錄，若發(fā)現(xiàn)異常，要查明原因，如不能繼續(xù)運行，則要及時退出檢修，并投入備用風機。退出檢修的風機等設備，也要及時修理或更換零、部件，并使之處于備用狀態(tài)，以備隨時投入運行，因此，封閉母線的風冷系統(tǒng)運行維護工作量較大。自冷母線不需要定期維護檢修，只需隨機組大修時做少量維護檢查，運行時也只要監(jiān)視一下導體、外殼溫度不超過標準即可，因而運行維護簡便、工作量小。風冷母線通常采用離心式風機，噪聲可達90db以上，而自冷母線無風機等設備，噪音很小，不會污染環(huán)境。 自冷母線的結構尺寸一般大于同容量的風冷母線，其導電截面積

43、大，電阻小，損耗自然也??；而風冷母線除本身的損耗較大外，還需加上風機的電能損耗。另外，風冷母線對冷卻水的水質也有嚴格的要求，如果水質較差，容易導致冷卻水管堵塞或腐蝕嚴重，而自冷母線無須考慮這方面的問題。自冷與同容量的風冷母線相比，其缺點是要占用較大的空間，消耗的鋁材多。對于水布椏電站而言，由于采用壩后式廠房，發(fā)電機出線空間較大，因此這一缺陷對水布椏電站并不十分明顯。從國際上封閉母線制造和應用的發(fā)展趨勢來看，30 000 a以下的全連式離相封閉母線正愈來愈多地采用自冷方式，如法國alsthom公司和si melectr公司、意大利magri ni公司等近年生產的25 000 a左右的母線大都采用

44、自冷方式；雖然美、日等國早期生產的12 00015 000 a封閉母線采用風冷，但近年來也多采用自冷，如石洞口二電廠從美國delta- unibus公司進口的600 mw機組封閉母線，其額定電流達19 000 a，亦采用自然冷卻；目前世界最大的水電站巴西依泰普電站28 000 a封閉母線也是采用自然冷卻。由此可見，在一定極限電流以下，封閉母線的冷卻更趨向于選擇簡單的自冷方式。由于風冷母線無論是設計、制造、安裝、運行維護工作量及復雜程度都大為增加，而且偶然事故不可避免，因此風冷母線通常僅在自冷已經達到其容量極限時方為采用。對于水布埡水電站額定電流為15500a，遠小于30000a，因此初步選定其

45、冷卻方式為自然冷卻，至于是否合理還要對封閉母線導體和外殼的溫度場進行分析研究來校核。3.2 封閉母線防結露方案的確定 3.2.1 采取防結露措施的必要性離相封閉母線盡管有金屬外殼封閉，但是由于其封閉性及環(huán)境、運行溫差等各種因素造成母線內部凝露，大大降低其絕緣水平及可靠性，直接影響到發(fā)電機組的安全運行，嚴重時導致短路事故發(fā)生。因此，對于封閉母線外殼內部的空氣濕度有必要進行限制和處理，特別是對于沿江、河、湖、海等地區(qū)使用的封閉母線更應該采取有效措施加以處理，使封閉母線外殼內的空氣濕度降下來，避免潮氣凝結在固體絕緣子上，降低封閉母線的絕緣性能，影響封閉母線正常運行。另外，由于封閉母線運行時溫度較高，

46、而外界環(huán)境溫度較低時，特別是在機組停下來時，加上空氣比較潮濕，這樣就很容易在封閉母線外殼上凝結成水，從而影響封閉母線的絕緣性能，因此需對封閉母線進行防凝露研究。大容量封閉母線運行時導體溫度較高，外界環(huán)境溫度較低，而且母線豎井內空氣潮濕，當機組停下來后，母線內部會發(fā)生結露，所以經常保持封閉母線內部處于干燥狀態(tài)，對于保證其絕緣性能極為重要。特別是在溫度高、相對濕度大、溫差大或者是寒冷、潮濕的地區(qū)，其防結露措施更是必不可少。3.2.2 封閉母線的幾種防結露措施及特點要降低相對濕度，可以采用升高溫度和降低絕對濕度兩種方法。針對不同的環(huán)境狀況及結露現(xiàn)象，常用的防結露措施有以下幾種。（1） 利用空氣加熱器

47、的方式這種方案一般是在封閉母線適當?shù)奈恢迷O置空氣加熱器，使封閉母線外殼內部空氣的溫度高于外部氣溫，提高其內部絕緣部件表面空氣的露點溫度，絕緣部件的表面就難以結露。 設置空氣加熱器時，需要計算加熱器的功率。當母線處于熱平衡狀態(tài)時，其加熱功率應等于母線外殼的對外散熱量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，外殼散熱量全部以輻射和自然對流的方式傳遞給周圍環(huán)境。另外，當母線內部空氣溫度很高的時候，在外部氣溫降低很多的情況下，由于內部空氣溫度較高，就會導致內壁表面空氣降低到露點溫度，使外殼內壁或支柱絕緣子靠近支撐底蓋部件的位置結露。因此，空氣加熱器必須根據(jù)環(huán)境狀況嚴密控制。另外，由于需要加熱空氣，必然增大廠用電的消耗，而且使封

48、閉母線的散熱狀況變差，不利于縮小封閉母線的導流面積，其優(yōu)點是制造成本相對較低。（2） 對封閉母線絕緣部件局部加熱封閉母線的導體和外殼間由支柱絕緣子和盤式密封絕緣套管支持，如能保持這些絕緣件干燥清潔，則能大大提高絕緣水平。因此可以采用對這些絕緣件局部加熱的方法。即在其底座上或其附近設計加熱器，使它們的溫度升到露點以上，潮濕的空氣就不會在其表面結露。但由于這種方法對垂直段封閉母線的絕緣子加熱效果不好，同時也不能防止導體表面和外殼內部結露，所以這種方法僅適用于長度較短的水平布置的封閉母線。而且，還必須對加熱器溫度進行控制，以防因溫度過高而加速絕緣件的老化。（3） 定時向封閉母線內送入干燥空氣 即將去

49、濕干燥過濾的清潔空氣按照設定的時間間隔送入封閉母線內部，同時排出潮濕的空氣。氣源可以使用電站或者工廠使用的0.71.5mpa壓縮空氣。經報警裝置、過濾器、流量計、各種閥門，最后由調壓閥將氣壓降至0.01mpa送入封閉母線，使其內部產生一個不超過0.5kma的微正壓。當然，在確定方案之前，需要根據(jù)封閉母線內部容積及其密封程度系數(shù)、所用壓縮空氣的絕對濕度、設定的換氣間隔（一般是可調的）等參數(shù)來計算換氣所用的空氣量。這種方案對封閉母線的密封性能要求較高，且要求有去濕、干燥而且清潔的氣源。（4） 通風除濕此方案是在機組停機時啟動通風機，向母線內部通入相對溫度較高的熱空氣或干燥空氣，達到維持母線內部絕緣

50、水平的目的。而在封閉母線正常運行時，由于其內部溫度較高，其絕緣水平也能維持在較高數(shù)值，故不必通風。在選取通風設備時，需計算母線內空氣阻力、風量等。這種方案僅適用氣候條件較好（不易結露）的地區(qū)，對于相對濕度和溫度都較高的地區(qū)，效果并不理想。（5） 除濕機除濕可根據(jù)封閉母線內空氣容積、沿程阻力等，設計安裝一套除濕機，直接去除母線內的水汽以降低相對濕度。除濕機需采用閉環(huán)方式，因而需要另外安裝一套回風系統(tǒng)，并要確保其壓力。此方案設計、安裝都比較復雜，成本較高。（6） 空調冷氣微正壓系統(tǒng)即利用致冷空調將封閉母線內的空氣進行循環(huán)致冷，除去空氣中的水分，達到防結露的目的，這是一種全新的防結露措施?？照{冷氣微

51、正壓系統(tǒng)主要由窗式空調器作為脫水冷卻空氣源、冷卻小室、風機（其中一臺為備用）和送氣、回氣管路等組成。此方案設計、安裝都比較簡單，成本也較低，通過在孟加拉國吉大港電廠210mw機組封閉母線上應用，其防結露效果非常好。通過對現(xiàn)有的各種封閉母線防結露裝置運行情況綜合分析，空調冷氣微正壓系統(tǒng)在經濟性和防結露效果方面都比較好，因此，建議選用空調冷氣微正壓系統(tǒng)。3.2.3 空調冷氣微正壓系統(tǒng)的結構及工作原理經過分析計算，確定空調冷氣微正壓系統(tǒng)所用空調器的功率和數(shù)量，用=0.5mm厚的鍍鋅板和泡沫保溫夾層制作成連在一起的一級和二級冷卻小室。一般情況下，小室的長寬高約為4m2m1.5m即可。再配上兩臺經過計算

52、確定了其功率和轉速的風機（其中一臺為備用）及送氣、回氣管路等。圖3-2是吉大港電廠封閉母線空調冷氣微正壓裝置系統(tǒng)簡圖。以此為例來說明其工作過程：從封閉母線返回的空氣和經過濾網補充的空氣一起進入一級冷卻室。e、f兩空調器從一級室進氣，經一次冷卻脫水后從e、f的出風口排出，沿內部風道進入二級冷卻室中g、h兩空調器的進風口，經二次冷卻脫水后的空氣由g、h出風口進入二級室。之后由風機壓入封閉母線內。二級室內的空氣經過兩次冷卻后，不僅溫度降低很多，而且空氣中的水汽壓也比室外大氣壓低很多。所以，這些氣體進入封閉母線內部后，溫度只能逐步上升。由于空氣中的水汽壓隨著溫度的升高，飽和點也在升高，也就是說冷空氣在

53、升溫過程中，能夠吸收周圍的水分，吸收了水分的空氣再經回氣管路進入冷卻室進行冷卻脫水。這樣一直循環(huán)就達到了防結露的目的。圖3-2 吉大港電廠空調冷氣微正壓裝置系統(tǒng)簡圖fig3-2 the simple diagram of air condition and cold air system3.2.4 結論通過對水布埡電站封閉母線進行技術和經濟比較，說明采用自然冷卻方式優(yōu)于強迫風冷方式。在防結露方面，空調冷氣微正壓系統(tǒng)具有結構簡單，運行可靠，維護簡便，防結露效果明顯，可大大提高相對濕度、溫度高、溫差也大的條件下封閉母線的絕緣性能。另外，它還有改善導體散熱狀況以及對封閉母線的密封性能要求不高等優(yōu)點。

54、其缺點是增大了封閉母線成本，但與其它防結露裝置相比，成本增加并不是大很多。對電廠來說，稍稍增加了廠用電的消耗，總的來說，其優(yōu)點還是主要的。因為它完全避免了因封閉母線結露而造成的事故停機或無法起機的問題，從而大大減少了事故停機給電廠、電網及用戶造成的各種損失。所以，確定采用空調冷氣微正壓裝置作為水布埡電站封閉母線的防結露設備。4封閉母線的熱平衡計算自冷封閉母線的散熱能力要比敞露母線差，因此熱計算顯得更重要，根據(jù)我國標準規(guī)定，鋁母線的導體允許溫度85-90，外殼的允許溫度65-70。根據(jù)正交設計法得到的優(yōu)化尺寸算得導體和外殼的運行溫度，若算得的導體和外殼的溫度值在此范圍內，則說明設計尺寸正確，反之

55、，則說明設計尺寸錯誤，需重新選擇母線尺寸，具體方法如下： 分別計算出導體和外殼在給定環(huán)境條件下的發(fā)熱量和散熱量，檢驗兩者之間的誤差是否在允許范圍內，如果發(fā)熱量大于散熱量，并且誤差超出允許范圍，說明封閉母線尺寸選擇的偏小，需要加大，甚至需采取冷卻措施。反之，說明封閉母線尺寸偏大，可適當減小。4.1 母線導體損耗計算（1） 母線導體功率損耗（即發(fā)熱）的計算每相導體功率損耗為 (w/m) 式中： 通過封閉母線導體的長期最大工作電流，對發(fā)電機主回路取發(fā)電機額定電流的1.05倍，對本工程取封閉母線的額定電流，=15500a；母線導體在計算溫度tm時的直流電阻（/m）；母線導體在20時的直流電阻率，對于鋁

56、母線=0.0295mm2/m；電阻溫度系數(shù)，對于鋁母線=0.004/；母線導體的計算溫度，取導體長期運行工作溫度為其計算溫度為=85；母線導體截面積（mm2），對于圓管導體；母線導體外徑（mm）；母線導體厚度（mm）；集膚效應系數(shù)。對圓管母線，頻率為50hz時其計算公式為 (2-11)對本工程，取導體長期運行工作溫度為其計算溫度tm=85；鄰近效應系數(shù)，封閉母線的主導體因受鋁外殼的屏蔽作用，幾乎完全擺脫了鄰近效應，所以=1。垂直段封閉母線的長度，=118m 。4.2 外殼損耗計算由于采取全連分相封閉母線和外殼兩端通過短路板連接并接地的結構，所以導體電流在外殼感應出大小與導體電流幾乎相等，但方向相反的軸向環(huán)流。在一般條件下，當封閉母線長度時，可取a（為母線導體額定電流），當封閉母線長度時，可取a。這里水布埡水電站封閉母線垂直段的長度為118米，遠遠大于20米，所以應取=15500a。另外除了環(huán)流還會產生臨相剩余磁場在外殼上感應出的渦流，這是因為鋁外殼不