大电流离相封闭母线烟囱效应的对比分析

大电流离相封闭母线烟囱效应的对比分析

李冰洁

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安710065）

摘要：本文结合某水电项目的离相封闭母线特点，对离相封闭母线的设计选型，通风散热特点进行了介绍分析和总结。同时，本文对比分析了目前国内外各个长垂直离相封闭母线的通风散热情况，对离相封闭母线的“烟囱效应”确实存在的现象进行了分析说明。

关键词：长垂直离相封闭母线；烟囱效应；设计选型

1背景环境介绍

目前，我国国内有对长垂直离相封闭母线的应用还在不断探索中，例如：水布垭水电站位于清江中游的巴东县，封闭母线垂直高差约118米，平均长度208米，额定电压24KV，额定电流16KA[1]；彭水水电站位于乌江干流上的彭水县，电站采用垂直高度160米的离相封闭母线，是国内垂直段最长的离相封闭母线工程，平均长度204米，额定电压20KV，额定电流14KA[3]。三峡地下电站位于三峡右岸大坝“白石间”山体内，母线垂直高度约80米，是当前国内外电站工程中额定电流最大的垂直自冷式离相母线，首次采用两机一井的布置方式，母线额定电压20KV，额定电流26KA[2]。世界上其他国家已运行的采用长垂直封闭母线的电站有瑞典尤克塔电站，日本喜撰山电站和瑞典seitevare水电站，母线竖井高度分别为270米，265米和180米，额定电压电流分别为：20KV/11KA，24KV/9.5KA，15.75KV/8KA。

本文所提及的某水电站项目位于非洲津巴布韦，封闭母线垂直高度差147.5米，平均长度176米，采用两机一井的布置方式，额定电压24KV，额定电流10KA。若导线运行时正常散热，但母线处在封闭的空间内，这一热量不能及时散失，将使母线的温度升高，从而影响母线的工作性能，造成严重的后果。

由于长垂直离相封闭母线处在一段封闭的垂直空间内，因此分析认为，在离相封闭母线内可能产生“烟囱效应”。烟囱效应是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。但对于离相封闭母线，由于母线运行时自身散热，且被布置在垂直的近似封闭空间内，这一热量若不能及时散失，将使母线的温度升高，根据烟囱效应的原理，热量会通过竖直封闭空间在封闭母线的顶端聚集，在封闭母线的顶端形成很大的热场，使得封闭母线的顶端温度超过允许温度，从而影响母线的工作性能，为避免上述问题的发生，需对母线的散热情况进行合理分析。

2大电流垂直封闭母线烟囱效应的影响因素

根据国内相关科研单位及制造厂家数据显示，我国已经具备成熟的长垂直封闭母线的换热计算分析能力，数据显示，在自然通风的情况下，竖井内垂直段封闭母线的散热条件比水平段差，损耗和温升也高于水平段的损耗和温升，文献3认为在长垂直离相封闭母线中不存在烟囱效应，但文献4中指出，在三峡水电站中确实存在烟囱效应，综合分析，本文认为在母线竖井内，母线运行时产生的热量，由于空气对流现象，使得温度随高度上升而升高，热量不断聚集，若期间热量不能及时逸散，便会形成明显的垂直母线“烟囱效应”。但通过必要的措施可以降低竖井内温度，使得离相封闭母线运行在合理温度范围内。

合封闭母线的特性，根据分析认为在自然通风的情况下，影响封闭母线烟囱效应的可能因素有如下几点：母线垂直段长度（即竖井高度），母线载流量，母线截面积，外壳截面积和竖井截面积，外壳形状和竖井形状，周围环境情况（包括空气温度，岩土温度等），母线排列方式，以及温度上升是否会加剧导线热平衡的紊乱，从而进一步影响温升等。其中自然环境情况为客观存在的影响因素，其余因素可通过设计，选型，合理布置进行改变，减小影响，规避风险。

3母线竖井内温度及烟囱效应的研究

在文献5中给出了垂直段母线的外壳温度和导体温度的计算方法，根据本文的结果，可知对于垂直段导体和外壳来说，温度的最高点均分布在垂直母线的中间，并非顶端，虽然本文分析的垂直段母线长度仅为6米，但这种现象在彭水水电站和水布垭水电站中都得到了很好的验证，因此分析认为这种现象是由于周围空气为层流状态时，温度随相对高度的增加而增加，然而，当相对高度到达一定高度时，周围空气的状态会由层流状态转变为紊流状态，从而加速空气流动，加速散热，因此温度反而下降。但是，这并不能说明在垂直封闭母线布置中不存在“烟囱效应”。对于垂直高度仅有80米的三峡地下水电站来说，母线外壳温度和竖井内温度呈现都随高度增加温度逐渐上升的趋势，呈现明显的“烟囱效应”。这就说明，当顶端散热小于母线产热时，竖井内热量不能逸散，此时竖井内温度便会随着竖井高度的增高而增加，热量不断聚集，更不会出现文献5中所述的拐点温度，而是形成垂直离相封闭母线的“烟囱效应”，最终破坏母线运行。

对比水布垭水电站，彭水水电站和三峡地下水电站，发现三峡地下水电站一个特殊的布置方式，其采用了两机一井的布置方式，而水布垭水电站和彭水水电站均采用一机一井的布置方式。分析认为，对于三峡地下电站，由于竖井内同时布置着两组母线，竖井内热源强度较高，使得母线热量聚集较多，温差较大，使得空间内产生的浮力大于出口处冷空气对产生的热流影响，在竖井内不具备换流条件，因此若不采取任何措施，竖井内温度会不断上升，造成的后果将不堪设想。

而对于本文所述水电站垂直母线段同样采用两机一井的布置方式，并且相比于三峡地下水电站，离相封闭母线垂直高度147.5米，因此必须采取必要的措施——采用强迫风冷或通过热平衡计算适当增大导体截面，以消除竖井内烟囱效应产生的温度过高的现象。若采用自冷方式，通常会通过增大封闭母线截面积，减小电阻，降低电能损耗，降低产热，此时由于产热量降低，在竖井内热量可通过热交换能及时逸散，而不会在顶端聚集，此时竖井内便不具备烟囱效应的产生条件。但封闭母线的尺寸大，耗材相应增大此，时制造费用不可避免的增大。但综合来看，强迫风冷系统不仅涉及冷却设备的费用，还涉及后期昂贵的维护运行费用，设备折旧费和专业人员培训等，同时由于风冷设备的安装需增大母线竖井的建造尺寸，其总费用远高于仅增加截面积所带来的耗材费用。因此，通过增加封闭离相母线的截面积，减小电阻，降低热量的方式，避免母线竖井内的“烟囱效应”的方法相比强迫风冷的通风散热方式更具有经济价值，同时，此方法也在该项目中得到了认可。

4总结

分析各电站的情况，封闭母线采用强迫风冷和自冷的方式都可通过设计解决烟囱效应的现象，因此，封闭母线的冷却方式必须通过电站的实际情况，且结合技术角度和经济角度两方面综合考虑。同时在风冷的情况下，应考虑到机械风冷设备故障时，封闭母线竖井内会不会发生温度急剧上升，损坏电力设备的情况，并且在增加安装工作量的同时也增加了运行时检修，调试的工作量。因此，国际上越来越多的公司采用自然冷却的封闭母线。同时考虑到各种设备的折旧费用，后期的运行费用等，认为自冷方式的封闭母线更具有使用前景。

参考文献

[1]水布垭水电站高垂直布置大电流封闭母线设计.高军华，陈希英，计绿野.《人民长江》2007（7）38:7

[2]三峡地下电站长垂直离相封闭母线设计选型与研究.梁波，郭建辉.《水电电气》2012（4）：9-17.

[3]彭水水电站垂直离相封闭母线的应用.王树清，种建伟。《人民长江》2006（1）37:1.

[4]大电流长垂直离相封闭母线热平衡模拟及实测分析.郭建辉.《暖通空调》2015（45）2：48-51.

[5]垂直布置封闭母线的温度计算研究.赵丽娟，刘秀莲，朴明波.《水力发电》2005（3）31:59-60.