强迫风冷离相封闭母线技术研究

王太隆

引言：封闭母线是将发电机发出的电能输送到主变压器的重要设备。根据国际电工协会推荐和国内工程运用，一般额定电流低于26000A，推荐使用自冷封闭母线，额定电流超过26000A则推荐使用强迫风冷离相封闭母线。一般大型核电机组、火电机组和水电机组，发电机出口额定电流均达到26000A～28000A以上。但因为风冷母线技术长期国外垄断，目前我国风冷母线仅在核电机组上应用。

一、离相封闭母线介绍

离相封闭母线各相母线导体分别用绝缘子支撑并封闭于各自的外壳之中。当母线导体流过电流时，外壳上将产生一个方向相反而其数值几乎与母线导体流过电流相等的感应电流，整段母线的外壳本身在电气上需连通，并在首、末端用断路板将三相外壳短接，构成三相外壳回路，使该电流在三相外壳回路中环流，这样，壳外磁场大大减小，对母线电流产生的磁场起有效的屏蔽作用。与敞露式大电流母线相比，在很大程度上减小了周围钢构、钢筋在电磁感应下产生的涡流和环流。

离相封闭母线具有以下特点：①减少接地故障，避免相间短路；②减小母线周围钢构发热；③减少相间电动力；④可配套微正压系统。

按照其冷却方式可分为自冷离相封闭母线和风冷离相封闭母线。

1.1自冷离相封闭母线

自冷离相封闭母线主要由母线导体、外壳、绝缘子、伸缩补偿装置、短路板、穿墙板、外壳支持件、各种设备柜及与发电机、变压器等设备的连接结构构成。母线的冷却主要依靠自然对流和辐射。

自冷离相封闭母线有以下特点：①正常运行不需要借助外部设备，运行成本低；②因配套设备较少，维护简单。

1.2风冷离相封闭母线

风冷离相封闭母线（以下简称风冷母线）运行电流比自冷母线大，其组成部分比自冷母线增加了强迫风冷设备，即循环风机、热交换器、风道和相间消离子装置等。由循环风机吹出的冷却风进入母线进行强制冷却，被加热后的冷却风进入热交换器，将热量传递给冷却水，冷却风自身被降温后再次进入循环风机完成闭式循环。

风冷母线的冷却除了自然对流和辐射，母线内循环风的强制冷却占70%的散热量。风冷母线有其独特的特点：①载流量大，比自冷母线提高1.5倍左右载流量；②节省材料成本；③节省土建和安装成本；④技术成熟、运行安全可靠。

二、风冷系统的构成

强迫风冷封闭母线的控制系统由控制器、循环风机、封闭母线和传感检测4部分构成。

三、母线热量传递的三种基本方式

在自然界中，凡是有温度差存在的地方，热量就会由高温处向低温处传递。载流母线的发热量通过对流、辐射和导热传递到周围环境中去，对流、辐射和导热各自遵循不同的规律

3.1导热

热量从物体中温度较高部分传递到温度较低部分，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低 的另一个物体的过程称为导热（又称热传导）。在纯导热过程中，物体各部分之间不发生相对位移，也没有能量形式的转换。气体和液体中的导热现象基本上可以看作是由于分子不规则运动相互碰撞的结果。气体和液体温度越高，分子运动的动能越大。能量大的分子与能量小的分子相互碰撞，热量就由高温区域传到低温区域中去。金属导体中有很多自由电子，金属物质中的导热主要靠自由电子的运动来完成，因此通常导电性好的金属导热性能也好。在不导电的固体中，导热是通过晶体结构的振动（即原子和分子在其平衡位置附近的振动）来实现的。

3.2对流

气体和液体统称流体。在有温差的情况下，流体各部分之间发生相对位移即流动时，也会引起热量的传递，与此同时还伴随着导热现象。在工程技术上大量遇到的是对流和导热联合作用的结果。对流分为自然对流和强制对流两类，相应地也有两类对流换热。自然对流是由于流体各部分温度不同，使各部分密度不同而引起的运动。电气设备表面邻近的空气受热上升就是典型的自然对流的例子。如果流体的运动是由水泵、电机或其他压力差造成的，则称强制对流。风冷封闭母线中冷却空气的流动就是强制对流的例子。

3.3辐射

物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射。物体产生辐射的原因不同，由于热的原因引起的辐射过程称为热辐射。传热学中提到的辐射指热辐射。一切物体，只要温度高于绝对零度，都在不停地向四周辐射能量，同时又不断地吸收其他物体发出的辐射能。辐射和吸收过程的综合结果就产生了以辐射方式进行的热量传递过程，称为辐射换热。当物体与四周环境温度相同时，辐射换热量等于零。实际物体的热量传递过程往往是上述三种方式的组合。

四、风冷离相封闭母线散热理论分析

风冷母线散热理论分析是将封闭母线段分为有限的计算段，逐段计算，最终得到可以满足工程设计要求的母线温度分布。

4.1母线本体热平衡计算

母线本体作为封闭母线承载额定电流的主体，国家标准对其温度值和温升值有严格的规定。北京电力设备总厂开发人员利用成熟的理论知识，包括电磁学、流体力学和传热学，综合风冷母线的结构特点，对母线本体的电磁损耗、流动状态、换热机理进行分析，通过合理假设，建立母线本体热平衡方程组，其中：母线本体作为封闭母线承载额定电流的主体，国家标准对其温度值和温升值有严格的规定。北京电力设备总厂开发人员利用成熟的理论知识，包括电磁学、流体力学和传热学，综合风冷母线的结构特点，对母线本体的电磁损耗、流动状态、换热机理进行分析，通过合理假设，建立母线本体热平衡方程组，其中：

上述三个方程组成了强迫风冷离相封闭母线热平衡方程组。将上述方程组中的每项进行展开，几何尺寸、运行条件、物性参数均为已知量（输入条件），未知量为 、 、 、 ，分别为第i段导体温度、第i段壳体温度、第i段空气进口温度、第i段空气出口温度。

五、结论

国内风冷母线主要应用于核电机组，国外在水电机组上也有应用。随着机组容量的增大，以及国内母线厂家设计技术和制造水平的不断提升，强迫风冷离相封闭母线强迫风冷离相封闭母线的市场应用也会越来越广，将从核电机组延伸到大容量火电机组和水电机组。

参考文献

[1]杨世铭，陶文铨.传热学第三版.高等教育出版社，1998.

[2]吴励坚.大电流母线的理论基础与设计.水利电力出版社.1985.

[3]孔庆东，罗敬安，林福本.大电流母线的设计、制造及安装.水利电力出版社.1988.

（作者单位：河北大学）