论文部分内容阅读
[摘 要]抽水蓄能电站是实现新能源发展的不可或缺的重要装置，是一种新型的储能装置。相较于风电场，它运行更加稳定，相较于核电机组，它更加安全可靠，技术更加成熟可靠，并且此储能装置使用寿命长，是现在新能源发展道路上不可缺少的主力。文章针对抽水蓄能电站电气设备的发热量问题进行讨论，对抽水蓄能电站内的主要电气设备的发热量确定进行介绍和研究。
[关键词]抽水蓄能;电站电气设备;发热量
[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]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 抽水蓄能电站的发展史
由于地球上的资源是有限的，如煤炭石油等资源，所以现在各国都在走新能源的发展道路，开发新的可再生能源，例如太阳能、风能等。其中电力储能逐渐受到业内人士的关注，并且，在电力储能的诸多储能方法中，技术较为成熟并且效率高、运行稳定的是抽水蓄能技术。尽管抽水蓄能电站受到的限制条件较多，例如需要合适的地理环境，需要较高的技术水平给予支持，但是由于抽水蓄能电站储能的高效性、稳定性，使得其在新能源建设方面得到了极其稳定的高地位。现在此技术得到了大规模推广和应用，很多企业都在竞相展开对相关技术的研究，应用也较广泛。
电网的负荷并不恒定，早晚负荷相差较大，造成电网运行不稳定，而抽水蓄能电站就可以平衡电网负荷不均衡现象，俗称“削峰填谷”。用通俗一点的解释，它就像是一个“巨型的充电宝，在电网负荷低谷时将电能转化为水的势能储存起来，负荷高峰时再将水能转化为电能”。
随着我国国民经济水平的提高，同时伴随着科技的快速发展，对于抽水蓄能电站的技术研究也走在前列。由于抽水蓄能电站对于运行环境的要求较高，尤其是温度湿度方面，所以对于此方面的研究受到了众多业内人士的关注，不仅是为了满足设备所需，也是为了工作人员的工作环境更加舒适。
1.2 我国关于抽水蓄能电站的发展情况
（1）虽然我国关于此方面的技术起步较晚，于20世纪60年代开始有抽水蓄能电站的建设，但是经过了60年的发展，我国在相关技术上的进步可见一斑，各项指标都跃居世界前列，但是还是有很大的发展空间，仍需要进行进一步的研究。
（2）從需求方面来看，由于我国华东、华中、华南等经济发达地区对于能源的需求旺盛，而且有足够的符合标准的区域可以进行抽水蓄能电站的建设，这也为我国在此方面的蓬勃发展奠定了良好的基础。同时，由于我国走可持续发展道路，这也决定了建设抽水蓄能电站的必要性以及重要性。
（3）从抽水蓄能电站的区域分布来看，西北地区还没有建成投产的抽水蓄能电站，但是此地区的风能、太阳能等新能源发电占比最高，所以需要加强在此地区的建设，加强抽水蓄能电站的建设，降低弃风弃光率等。
结合我国国情以及各项数据显示，我国抽水蓄能电站的发展前景十分广阔，应加强进一步的研究以及建设。除了扩容之外，也应该关注局部的优化情况，例如对电站的发热情况加强管理。因为电站电气设备的发热问题会影响电站的实际运行，所以需要根据散热量情况进行优化设计。
1.3 散热量计算的必要性
对电站电气设备的散热量进行计算能在设计时更好地对冷却设备等进行设计，或者在选材方面进行考虑，使得设备的工作效率更高。同时，只有了解了相关的散热数据，才能在通风空调方面做好优化设计，对电站的环境、温度等做好控制，优化工人人员的工作环境。抽水蓄能电站厂房的热负荷主要来自于电站内各种机电设备的发热。随着我国大型抽水蓄能电站的建设，我国关于此领域的研究也在进一步深入，例如相关的自主产品开发，只有对散热量进行充分的了解计算，才能更好地选材、进行优化设计。
2 电站设备发热量计算
2.1 电动发电机组散热量
电动发电机组的散热量主要来自于两个方面，一是机组的盖板传热和机壳围护结构传热，二是机组的冷却循环风的漏风所带来的热量。 电机机壳的散热量可以按下式计算：
Qk=KS（tg-ti） （1）
式中，K為电机机壳的传热系数，w/m2·℃，S为电机机壳的面积，tg为电机冷却循环风的平均温度，ti为室内的温度。
规定漏风系数为β，电机的冷却循环风量为v，空气比热容为c，空气容重为γ，电机漏风温度为tw。电机的漏风散热量也可以通过相关公式进行计算：Qw=βvcγ（tw-ti），单位为W。通过上述公式，结合各电动发电机组的系数（例如电机机壳的传热系数，电机机壳的面积等）以及自然系数（空气比热容、室内温度等）就可以算出机组壳体的散热量以及大致的漏风散热量。但是关于漏风热量的计算还有一定的不足，因为现如今空气冷却器的效率越来越高，不同型号的机组的冷却循环风量不一样，有较大差别，所以不同型号的机组散热量的计算结果产生较大的出入。
因此，在实际的设计计算中，应根据电机厂商提供冷却循环风量参数对计算结果加以核算。
2.2 变压器发热量
变压器作为抽水蓄能电站中的重要设备，其作用不言而喻，但是从电站运行的实际情况来看，变压器容易出现过热故障，对其稳定性安全性造成影响。主要原因有变压器绕组过热、引线过热、漏磁引发的过热还有冷却装置异常等，针对这些现象相关的解决办法是：①严格按照标准，制作变压器的高压线圈等部件，加强制作管理监督，在投入使用之前进行严格的筛选。②定期对变压器进行检查，检查是否存在老化的部件，及时进行更换维修等操作。③然后为了避免过热性故障，还需要对冷却装置进行定期的检查维护，防止设备损坏。④还需要根据变压器的紧固件以及密封件的应用标准，选用合适的紧固件和密封件，防止漏电现象的产生。
关于水冷变压器的散热量计算：
Q1=5.5×（tv-ti）1.25Sa×10-3（kW） （2）
式中，tv为油箱的平均油温，Sa为油箱的散热面积，m2。由于电站的水冷却主变，容易受到冷却水温度的影响，也易被水冷却器的工作效率所影响，所以在针对其散热进行相关的冷却设计时应该按照最大的散热量进行计算。
2.3 母线、电缆发热量
母线用于连接发电机的主出线和主变的低压侧，其负责运输几千安培的电流，责任重大。母线的发热量包括母线的功率损耗发热和外壳感应散热两部分。抽水蓄能电站所用的主要是自冷封闭母线，其散热能力较差，所以对其发热量的计算很重要，可以根据正交设计法得到优化尺寸，再根据优化尺寸对导体和外壳的适合运行温度进行计算，如果发热量在此范围内，则设计正确。
设Im为母线导体最大工作电流，取额定电流的1.05倍;Rm为直流电阻;ρ20为母线导体在20℃直流电阻率;α为电阻温度系数;tm为母线导体的计算温度，可以根据长期工围作运行温度进行计算;Sm为母线导体截面积。Sm=Dm·δm–δm2，其中δm为母线导体的厚度，Dm为的母线导体外径;Km为集肤效应系数;Kom为邻近效应系数;l表示的是母线的长度。
于是有下列公式：
因为封闭母线几乎不受邻近效应的影响，所以在式（3）中Kom的值取1。
母线的发热损耗与众多因素有关，包括设计时选择的材料，在制造时选择的工艺，都会对其产生影响，所以需要尽量选择较好的材料，保证焊接工艺水平，这样就可以确保Rm的值较小，从式（4）中可以得出，Rm与发热损耗呈线性关系，并且是正相关的。
另外，在水电站厂房内敷设了各种电压等级的动力、照明、控制电缆，在运行中会散发出一定的热量，如果电缆温度过高，将导致电缆表面绝缘老化，电缆的载流量下降。
由于电压等级越高，散热量越小，所以除了主厂房中设有大量的电缆桥架和专门的电缆层、电缆廊道应核算电缆的发热量外，其他部位的电缆发热可以忽略不计。
2.4 电抗器发热量
电抗器可以阻止电流变化，最主要的作用就是将电能转化为磁能保存起来，也被称为电感器。设电抗器的利用系数为η1，一般取η1=0.95，设电抗器的负荷系数为η2，一般取其值为0.75，P表示的是电抗器在额定功率下所产生的功率消耗。
电抗器的散热量可以按下式计算：
Q2=η1η2P（kW） （5） 电抗器是由绕组组成的，发热特性是热容量和发热量较大，达到稳定发热量需要一段时间。如果是长期运行的电抗器，其发热量是稳定的，如果是间歇运行的电抗器，应按运行时间和电抗器的发热特性曲线确定发热量。
2.5 高、低压盘柜发热量
高压配电盘柜的散热量可以按下式计算：
式（6）中，q额定表示的是在额定电流下高压开关的散热量。
低压配电盘柜的散热量可以按下式计算：
Q4=k1k2∑P（kW） （7）
式（7）中，k1、k2分别代表低压配电盘柜的利用系数和实耗系数。由于电站内各种盘柜的用途不同，盘柜的工作电流也不同，一般说来，工作电流越大，盘柜内的电气元件发热量也越大。对于集中布置的配电盘柜尽可能由设备制造商提供发热量较为准确。
特别的，对于重要的配电盘柜，由于制造商对盘柜内的电气元件的保护，防止运行湿度过大，绝缘性能的下降，在盘柜内本身另设有电加热器。一般每只盘柜在0.3～0.5 kW，集中布置的继电保护室等应加以考虑。
由于励磁系统关系到机组的安全启动和运行，对于集中或封闭布置的励磁盘柜应较为准确地核算其发热量。
2.6 SFC静止变频器发热量
SFC称为静止变频启动装置，主要用于抽水蓄能电站的机组抽水工况的启动。SFC装置的发热量和SFC的容量、运行时间有极为密切的关系，如果要较为准确地确定设备发热量，应请有关制造商提供设备的运行特性曲线，然后根据设备的容量和运行时间确定。现在我国已经有了自己的静止变频器，摆脱了进口依赖，有利于我国在抽水蓄能电站的建设上更进一步，但还有关于容量设计、散射技术的难关，国产化的道路还很艰难。我国很多研究人员迎难而上，相信在未来会有更优的我国自产的静止变频器，我国在新能源的发展道路上也能越走越远，位于世界前端。
2.7 照明设备的发热量
现在大、中型电站都有关于灯光的设计，照明设备也会有散热，但是由于影响照明设备散热的因素并不多，所以只要电压以及功率保持稳定，有关于其散热量的计算就十分便利，基本上是不变的。照明设备散热是指一部分消耗的电能转化为热能，发散到空气之中。
3 结语
现在关于新能源的开发建设受到了越来越多人的重视，除了因为环保理念的增强之外，也因为新型能源的产生使得科学技术得以进一步的提升，国家实力得到了进一步的提升。现阶段关于抽水蓄能电站的建设研究是一项长期和细致的工作，需要各研究人员共同努力，对设备进行优化设计。
參考文献
[1] 李明利.浅谈抽水蓄能电站自主调频控制策略[J].建筑工程技术与设计，2018（31）：2372.
[2] 巨杨.浅谈抽水蓄能电站技术供水系统设计与研究[J].城市建设理论研究（电子版），2015，5（14）：4021-4022.
[关键词]抽水蓄能;电站电气设备;发热量
[中图分类号]TM73 [文献标志码]A [文章编号]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 抽水蓄能电站的发展史
由于地球上的资源是有限的，如煤炭石油等资源，所以现在各国都在走新能源的发展道路，开发新的可再生能源，例如太阳能、风能等。其中电力储能逐渐受到业内人士的关注，并且，在电力储能的诸多储能方法中，技术较为成熟并且效率高、运行稳定的是抽水蓄能技术。尽管抽水蓄能电站受到的限制条件较多，例如需要合适的地理环境，需要较高的技术水平给予支持，但是由于抽水蓄能电站储能的高效性、稳定性，使得其在新能源建设方面得到了极其稳定的高地位。现在此技术得到了大规模推广和应用，很多企业都在竞相展开对相关技术的研究，应用也较广泛。
电网的负荷并不恒定，早晚负荷相差较大，造成电网运行不稳定，而抽水蓄能电站就可以平衡电网负荷不均衡现象，俗称“削峰填谷”。用通俗一点的解释，它就像是一个“巨型的充电宝，在电网负荷低谷时将电能转化为水的势能储存起来，负荷高峰时再将水能转化为电能”。
随着我国国民经济水平的提高，同时伴随着科技的快速发展，对于抽水蓄能电站的技术研究也走在前列。由于抽水蓄能电站对于运行环境的要求较高，尤其是温度湿度方面，所以对于此方面的研究受到了众多业内人士的关注，不仅是为了满足设备所需，也是为了工作人员的工作环境更加舒适。
1.2 我国关于抽水蓄能电站的发展情况
（1）虽然我国关于此方面的技术起步较晚，于20世纪60年代开始有抽水蓄能电站的建设，但是经过了60年的发展，我国在相关技术上的进步可见一斑，各项指标都跃居世界前列，但是还是有很大的发展空间，仍需要进行进一步的研究。
（2）從需求方面来看，由于我国华东、华中、华南等经济发达地区对于能源的需求旺盛，而且有足够的符合标准的区域可以进行抽水蓄能电站的建设，这也为我国在此方面的蓬勃发展奠定了良好的基础。同时，由于我国走可持续发展道路，这也决定了建设抽水蓄能电站的必要性以及重要性。
（3）从抽水蓄能电站的区域分布来看，西北地区还没有建成投产的抽水蓄能电站，但是此地区的风能、太阳能等新能源发电占比最高，所以需要加强在此地区的建设，加强抽水蓄能电站的建设，降低弃风弃光率等。
结合我国国情以及各项数据显示，我国抽水蓄能电站的发展前景十分广阔，应加强进一步的研究以及建设。除了扩容之外，也应该关注局部的优化情况，例如对电站的发热情况加强管理。因为电站电气设备的发热问题会影响电站的实际运行，所以需要根据散热量情况进行优化设计。
1.3 散热量计算的必要性
对电站电气设备的散热量进行计算能在设计时更好地对冷却设备等进行设计，或者在选材方面进行考虑，使得设备的工作效率更高。同时，只有了解了相关的散热数据，才能在通风空调方面做好优化设计，对电站的环境、温度等做好控制，优化工人人员的工作环境。抽水蓄能电站厂房的热负荷主要来自于电站内各种机电设备的发热。随着我国大型抽水蓄能电站的建设，我国关于此领域的研究也在进一步深入，例如相关的自主产品开发，只有对散热量进行充分的了解计算，才能更好地选材、进行优化设计。
2 电站设备发热量计算
2.1 电动发电机组散热量
电动发电机组的散热量主要来自于两个方面，一是机组的盖板传热和机壳围护结构传热，二是机组的冷却循环风的漏风所带来的热量。 电机机壳的散热量可以按下式计算：
Qk=KS（tg-ti） （1）
式中，K為电机机壳的传热系数，w/m2·℃，S为电机机壳的面积，tg为电机冷却循环风的平均温度，ti为室内的温度。
规定漏风系数为β，电机的冷却循环风量为v，空气比热容为c，空气容重为γ，电机漏风温度为tw。电机的漏风散热量也可以通过相关公式进行计算：Qw=βvcγ（tw-ti），单位为W。通过上述公式，结合各电动发电机组的系数（例如电机机壳的传热系数，电机机壳的面积等）以及自然系数（空气比热容、室内温度等）就可以算出机组壳体的散热量以及大致的漏风散热量。但是关于漏风热量的计算还有一定的不足，因为现如今空气冷却器的效率越来越高，不同型号的机组的冷却循环风量不一样，有较大差别，所以不同型号的机组散热量的计算结果产生较大的出入。
因此，在实际的设计计算中，应根据电机厂商提供冷却循环风量参数对计算结果加以核算。
2.2 变压器发热量
变压器作为抽水蓄能电站中的重要设备，其作用不言而喻，但是从电站运行的实际情况来看，变压器容易出现过热故障，对其稳定性安全性造成影响。主要原因有变压器绕组过热、引线过热、漏磁引发的过热还有冷却装置异常等，针对这些现象相关的解决办法是：①严格按照标准，制作变压器的高压线圈等部件，加强制作管理监督，在投入使用之前进行严格的筛选。②定期对变压器进行检查，检查是否存在老化的部件，及时进行更换维修等操作。③然后为了避免过热性故障，还需要对冷却装置进行定期的检查维护，防止设备损坏。④还需要根据变压器的紧固件以及密封件的应用标准，选用合适的紧固件和密封件，防止漏电现象的产生。
关于水冷变压器的散热量计算：
Q1=5.5×（tv-ti）1.25Sa×10-3（kW） （2）
式中，tv为油箱的平均油温，Sa为油箱的散热面积，m2。由于电站的水冷却主变，容易受到冷却水温度的影响，也易被水冷却器的工作效率所影响，所以在针对其散热进行相关的冷却设计时应该按照最大的散热量进行计算。
2.3 母线、电缆发热量
母线用于连接发电机的主出线和主变的低压侧，其负责运输几千安培的电流，责任重大。母线的发热量包括母线的功率损耗发热和外壳感应散热两部分。抽水蓄能电站所用的主要是自冷封闭母线，其散热能力较差，所以对其发热量的计算很重要，可以根据正交设计法得到优化尺寸，再根据优化尺寸对导体和外壳的适合运行温度进行计算，如果发热量在此范围内，则设计正确。
设Im为母线导体最大工作电流，取额定电流的1.05倍;Rm为直流电阻;ρ20为母线导体在20℃直流电阻率;α为电阻温度系数;tm为母线导体的计算温度，可以根据长期工围作运行温度进行计算;Sm为母线导体截面积。Sm=Dm·δm–δm2，其中δm为母线导体的厚度，Dm为的母线导体外径;Km为集肤效应系数;Kom为邻近效应系数;l表示的是母线的长度。
于是有下列公式：
因为封闭母线几乎不受邻近效应的影响，所以在式（3）中Kom的值取1。
母线的发热损耗与众多因素有关，包括设计时选择的材料，在制造时选择的工艺，都会对其产生影响，所以需要尽量选择较好的材料，保证焊接工艺水平，这样就可以确保Rm的值较小，从式（4）中可以得出，Rm与发热损耗呈线性关系，并且是正相关的。
另外，在水电站厂房内敷设了各种电压等级的动力、照明、控制电缆，在运行中会散发出一定的热量，如果电缆温度过高，将导致电缆表面绝缘老化，电缆的载流量下降。
由于电压等级越高，散热量越小，所以除了主厂房中设有大量的电缆桥架和专门的电缆层、电缆廊道应核算电缆的发热量外，其他部位的电缆发热可以忽略不计。
2.4 电抗器发热量
电抗器可以阻止电流变化，最主要的作用就是将电能转化为磁能保存起来，也被称为电感器。设电抗器的利用系数为η1，一般取η1=0.95，设电抗器的负荷系数为η2，一般取其值为0.75，P表示的是电抗器在额定功率下所产生的功率消耗。
电抗器的散热量可以按下式计算：
Q2=η1η2P（kW） （5） 电抗器是由绕组组成的，发热特性是热容量和发热量较大，达到稳定发热量需要一段时间。如果是长期运行的电抗器，其发热量是稳定的，如果是间歇运行的电抗器，应按运行时间和电抗器的发热特性曲线确定发热量。
2.5 高、低压盘柜发热量
高压配电盘柜的散热量可以按下式计算：
式（6）中，q额定表示的是在额定电流下高压开关的散热量。
低压配电盘柜的散热量可以按下式计算：
Q4=k1k2∑P（kW） （7）
式（7）中，k1、k2分别代表低压配电盘柜的利用系数和实耗系数。由于电站内各种盘柜的用途不同，盘柜的工作电流也不同，一般说来，工作电流越大，盘柜内的电气元件发热量也越大。对于集中布置的配电盘柜尽可能由设备制造商提供发热量较为准确。
特别的，对于重要的配电盘柜，由于制造商对盘柜内的电气元件的保护，防止运行湿度过大，绝缘性能的下降，在盘柜内本身另设有电加热器。一般每只盘柜在0.3～0.5 kW，集中布置的继电保护室等应加以考虑。
由于励磁系统关系到机组的安全启动和运行，对于集中或封闭布置的励磁盘柜应较为准确地核算其发热量。
2.6 SFC静止变频器发热量
SFC称为静止变频启动装置，主要用于抽水蓄能电站的机组抽水工况的启动。SFC装置的发热量和SFC的容量、运行时间有极为密切的关系，如果要较为准确地确定设备发热量，应请有关制造商提供设备的运行特性曲线，然后根据设备的容量和运行时间确定。现在我国已经有了自己的静止变频器，摆脱了进口依赖，有利于我国在抽水蓄能电站的建设上更进一步，但还有关于容量设计、散射技术的难关，国产化的道路还很艰难。我国很多研究人员迎难而上，相信在未来会有更优的我国自产的静止变频器，我国在新能源的发展道路上也能越走越远，位于世界前端。
2.7 照明设备的发热量
现在大、中型电站都有关于灯光的设计，照明设备也会有散热，但是由于影响照明设备散热的因素并不多，所以只要电压以及功率保持稳定，有关于其散热量的计算就十分便利，基本上是不变的。照明设备散热是指一部分消耗的电能转化为热能，发散到空气之中。
3 结语
现在关于新能源的开发建设受到了越来越多人的重视，除了因为环保理念的增强之外，也因为新型能源的产生使得科学技术得以进一步的提升，国家实力得到了进一步的提升。现阶段关于抽水蓄能电站的建设研究是一项长期和细致的工作，需要各研究人员共同努力，对设备进行优化设计。
參考文献
[1] 李明利.浅谈抽水蓄能电站自主调频控制策略[J].建筑工程技术与设计，2018（31）：2372.
[2] 巨杨.浅谈抽水蓄能电站技术供水系统设计与研究[J].城市建设理论研究（电子版），2015，5（14）：4021-4022.