地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利水电工程机电技术领域，具体地指一种地下电站基于长垂直封闭 母线自然热压的建模方法。
【背景技术】
[0002] 大型地下电站长垂直封闭母线温度分布和散热问题是母线运行安全的保障。随 着国内水电工程迅猛发展，长垂直离相封闭母线（IPB)在地下水电站中的应用也越来越广 泛，但是对不同容量和垂直高度的IPB，没有相关设计、制造标准或规定。各地下水电站的 冷却方式依靠自然通风冷却，例如彭水水电站、水布垭水电站，其封闭母线额定电流分别为 14kA、16kA、上述水电站长垂直IPB均为一机一洞引出方式，分别采用自然通风、强迫通风 的方式满足IPB热平衡要求。
[0003] 随着地下电站长垂直封闭母线额定热流量的增大以及布置方式的复杂化，按传统 方式的温度分布计算和散热方式难以满足大型地下电站封闭母线的要求。以三峡地下电站 700丽级长垂直大电流离相封闭母线为例，其额定电流达26kA，垂直高度80m，采用两机一 洞的方式，是世界上已投运和在建工程中额定电流、额定容量最大的长垂直段大电流离相 封闭母线，两机一洞的布置方式也是世界首创。三峡地下电站IPB发热量巨大，IPB在额定 容量运行工况下散热量达到约lkW/m ·相，IPB竖井内沿高度方向每米的发热量达6kW。如 此大的发热量如不能及时排除，导致IPB温度快速升高，并大大超过允许温度，不仅造成的 IPB损耗加大，而且超出IPB的的耐热能力，严重影响母线的结构和电气绝缘性能，甚至导 致IPB丧失工作性能，无法正常运行。
[0004] 然而，强电流和特殊的布置方式使得该大型地下电站的IPB、和IPB竖井内的自然 通风具有受限空间内强热源持续加热的特点，随着母线持续对竖井内空气加热作用造成热 空气在竖井上部积聚，由于热压产生的自然对流不足以将热量带走，依靠自然对流的方式 是否可以完全满足散热和温度分布的要求需进行详细的计算分析。
[0005] 针对大型电站长垂直封闭母线的强热流和布置的复杂性，需要根据不同IPB的热 源强度，不同的竖井高度等因素详细分析计算，找到系统性的IPB热平衡规律，为今后类似 工程中保证IPB安全可靠运行的温度分布和先进可靠的散热方式提供指导。
【发明内容】
[0006] 为了解决目前按传统方式的温度分布计算和散热方式难以满足大型地下电站封 闭母线的要求的问题，本发明提供一种能根据IPB不同的热源强度，详细分析出IPB温度分 布的地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明所设计的地下电站基于长垂直封闭母线自然热压的建模 方法，是通过对放置封闭母线的竖井空间内的热平衡状况进行数理建模，从而计算出竖井 内温度分布的过程，其特殊之处在于，具体步骤包括：
[0008] 1)根据质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，对竖井空间内每一个点的 热平衡状况建立控制方程：
[0009] 连续性方程
[0010] 动量方程
[0011] 能量方程 （3)
[0012] 式中：U1:空气在垂直方向的平均速度分量；u j:空气在水平方向的平均速度分量； Xi:垂直高度：t :时间；P :空气密度；p :压力；V :层流粘滞系数；v t:紊流系数；g i:垂直方 向重力加速度；β :空气热膨胀系数；T :竖井入口处和出口处平均温度；T" :环境温度；T : 实际温度；r :广义扩散系数；I:辐射强度；
[0013] 2)对压力P的值进行假设，求解动量方程中的空气在垂直方向的平均速度分量 U1;
[0014] 3)通过计算得到的U1和连续性方程，对假设的压力p的值进行修正，使得出的空 气在垂直方向的平均速度分量U 1满足连续性方程；
[0015] 4)将修正后的压力p和空气在垂直方向的平均速度分量U1的值代入能量方程，求 解实际温度T ;
[0016] 5)重复步骤1)~4)直至计算出竖井内每一个点的实际温度T。
[0017] 优选地，所述步骤1)的能量方程中，广义扩散系数Γ与普朗特数匕与〇 τ存在下 述关系式：
[0018] Γ = v/Pr+vt/ σ τ
[0019] 式中：ν :层流粘滞系数；vt:紊流系数；σ τ:经验常数，取0. 9~I 普朗特数。
[0020] 优选地，所述步骤1)的能量方程中，辐射强度I采用多表面辐射模型计算。
[0021] 最佳地，所述辐射强度I的计算模型为：
[0022]
[0023] 式中：位置向量；s :垂直长度；I:方向向量；a :吸收系数；〇 s:散射系数；n : 折射系数；σ :斯蒂芬一玻耳兹曼常数；T :实际温度；Φ :相位函数；Ω' ：空间立体角。
[0024] 本发明通过对大型地下电站强热流长垂直封闭母线自然通风条件下热平衡和温 度分布进行数值计算和现场实测对比研究，获得在强热源受限空间中的自然通风条件下温 度分布规律和特点，并分析竖井尺寸，热源强度、母线高度等因素对IPB温度分布的影响， 从而能够找出对其温度分布起到关键控制性影响的参数和应对不同情况的散热策略。
[0025] 本发明通过对地下电站长垂直IPB的热平衡研究和实践，发现并提出了影响长垂 直封闭母线热平衡的关键参数：热源强度。由于大型地下电站高热流长垂直封闭母线在受 限空间内的强热源散热呈现出其对流、辐射等散热的复杂性；同时，母线的热流强度和耗 损，母线竖井的几何参数、母线在竖井中的布置方式对于其受限空间内的对流和辐射的散 热形成影响，从而影响了 IPB温度分布以及在垂直高度方向的温差。经计算分析，母线热源 强度是母线的热平衡最主要的影响因素。
[0026] 本发明根据离相封闭母线竖井内的母线分布不同，在受限空间内的不同位置母线 的局部温度和沿垂直高度方向的温度分布规律将呈不同的变化特点，通过全三维的数值模 拟，给出不同运行参数的条件下，分析大电流长垂直离相封闭母线温度场、不同位置单根母 线垂直温度分布规律，进出口温差变化规律，进而探索和认识混合通风模式下的大电流长 垂直离相封闭母线竖井中的热流和温度分布性能，及其不同运行参数对其流动与换热的影 响规律。
【附图说明】
[0027] 图1为IPB竖井剖面图。
[0028] 图2为IPB竖井平面图。
【具体实施方式】
[0029] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0030] I) IPB竖井内的热平衡
[0031] IPB导体的散热是通过导体和外壳之间的热辐射、壳内空气对流进行的，外壳则主 要是通过热辐射、壳外空气的对流散热。热辐射由辐射系数（为常数）决定，在IPB垂直方 向上没有差别，因此影响IPB在垂直方向上温度分布的主要是IPB内部和外部空气的对流。
[0032] Pm一 Q mf+Qmd
[0033] Pm+Pr - Q Kf+Qkd
[0034] Pm为导体的功率损耗，WAm相）；
[0035] QmfS IPB对外壳的辐射散热；
[0036] Qmd为导体和外壳