地下電站基于長垂直封閉母線自然熱壓的建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水利水電工程機電技術領域，具體地指一種地下電站基于長垂直封閉 母線自然熱壓的建模方法。
【背景技術】
[0002] 大型地下電站長垂直封閉母線溫度分布和散熱問題是母線運行安全的保障。隨 著國內水電工程迅猛發展，長垂直離相封閉母線（IPB)在地下水電站中的應用也越來越廣 泛，但是對不同容量和垂直高度的IPB，沒有相關設計、制造標準或規定。各地下水電站的 冷卻方式依靠自然通風冷卻，例如彭水水電站、水布埡水電站，其封閉母線額定電流分別為 14kA、16kA、上述水電站長垂直IPB均為一機一洞引出方式，分別采用自然通風、強迫通風 的方式滿足IPB熱平衡要求。
[0003] 隨著地下電站長垂直封閉母線額定熱流量的增大以及布置方式的復雜化，按傳統 方式的溫度分布計算和散熱方式難以滿足大型地下電站封閉母線的要求。以三峽地下電站 700麗級長垂直大電流離相封閉母線為例，其額定電流達26kA，垂直高度80m，采用兩機一 洞的方式，是世界上已投運和在建工程中額定電流、額定容量最大的長垂直段大電流離相 封閉母線，兩機一洞的布置方式也是世界首創。三峽地下電站IPB發熱量巨大，IPB在額定 容量運行工況下散熱量達到約lkW/m ·相，IPB豎井內沿高度方向每米的發熱量達6kW。如 此大的發熱量如不能及時排除，導致IPB溫度快速升高，并大大超過允許溫度，不僅造成的 IPB損耗加大，而且超出IPB的的耐熱能力，嚴重影響母線的結構和電氣絕緣性能，甚至導 致IPB喪失工作性能，無法正常運行。
[0004] 然而，強電流和特殊的布置方式使得該大型地下電站的IPB、和IPB豎井內的自然 通風具有受限空間內強熱源持續加熱的特點，隨著母線持續對豎井內空氣加熱作用造成熱 空氣在豎井上部積聚，由于熱壓產生的自然對流不足以將熱量帶走，依靠自然對流的方式 是否可以完全滿足散熱和溫度分布的要求需進行詳細的計算分析。
[0005] 針對大型電站長垂直封閉母線的強熱流和布置的復雜性，需要根據不同IPB的熱 源強度，不同的豎井高度等因素詳細分析計算，找到系統性的IPB熱平衡規律，為今后類似 工程中保證IPB安全可靠運行的溫度分布和先進可靠的散熱方式提供指導。
【發明內容】
[0006] 為了解決目前按傳統方式的溫度分布計算和散熱方式難以滿足大型地下電站封 閉母線的要求的問題，本發明提供一種能根據IPB不同的熱源強度，詳細分析出IPB溫度分 布的地下電站基于長垂直封閉母線自然熱壓的建模方法。
[0007] 為實現上述目的，本發明所設計的地下電站基于長垂直封閉母線自然熱壓的建模 方法，是通過對放置封閉母線的豎井空間內的熱平衡狀況進行數理建模，從而計算出豎井 內溫度分布的過程，其特殊之處在于，具體步驟包括：
[0008] 1)根據質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，對豎井空間內每一個點的 熱平衡狀況建立控制方程：
[0009] 連續性方程
[0010] 動量方程
[0011] 能量方程 （3)
[0012] 式中：U1:空氣在垂直方向的平均速度分量；u j:空氣在水平方向的平均速度分量； Xi:垂直高度：t :時間；P :空氣密度；p :壓力；V :層流粘滯系數；v t:紊流系數；g i:垂直方 向重力加速度；β :空氣熱膨脹系數；T :豎井入口處和出口處平均溫度；T" :環境溫度；T : 實際溫度；r :廣義擴散系數；I:輻射強度；
[0013] 2)對壓力P的值進行假設，求解動量方程中的空氣在垂直方向的平均速度分量 U1;
[0014] 3)通過計算得到的U1和連續性方程，對假設的壓力p的值進行修正，使得出的空 氣在垂直方向的平均速度分量U 1滿足連續性方程；
[0015] 4)將修正后的壓力p和空氣在垂直方向的平均速度分量U1的值代入能量方程，求 解實際溫度T ;
[0016] 5)重復步驟1)~4)直至計算出豎井內每一個點的實際溫度T。
[0017] 優選地，所述步驟1)的能量方程中，廣義擴散系數Γ與普朗特數匕與〇 τ存在下 述關系式：
[0018] Γ = v/Pr+vt/ σ τ
[0019] 式中：ν :層流粘滯系數；vt:紊流系數；σ τ:經驗常數，取0. 9~I 普朗特數。
[0020] 優選地，所述步驟1)的能量方程中，輻射強度I采用多表面輻射模型計算。
[0021] 最佳地，所述輻射強度I的計算模型為：
[0022]
[0023] 式中：位置向量；s :垂直長度；I:方向向量；a :吸收系數；〇 s:散射系數；n : 折射系數；σ :斯蒂芬一玻耳茲曼常數；T :實際溫度；Φ :相位函數；Ω' ：空間立體角。
[0024] 本發明通過對大型地下電站強熱流長垂直封閉母線自然通風條件下熱平衡和溫 度分布進行數值計算和現場實測對比研究，獲得在強熱源受限空間中的自然通風條件下溫 度分布規律和特點，并分析豎井尺寸，熱源強度、母線高度等因素對IPB溫度分布的影響， 從而能夠找出對其溫度分布起到關鍵控制性影響的參數和應對不同情況的散熱策略。
[0025] 本發明通過對地下電站長垂直IPB的熱平衡研究和實踐，發現并提出了影響長垂 直封閉母線熱平衡的關鍵參數：熱源強度。由于大型地下電站高熱流長垂直封閉母線在受 限空間內的強熱源散熱呈現出其對流、輻射等散熱的復雜性；同時，母線的熱流強度和耗 損，母線豎井的幾何參數、母線在豎井中的布置方式對于其受限空間內的對流和輻射的散 熱形成影響，從而影響了 IPB溫度分布以及在垂直高度方向的溫差。經計算分析，母線熱源 強度是母線的熱平衡最主要的影響因素。
[0026] 本發明根據離相封閉母線豎井內的母線分布不同，在受限空間內的不同位置母線 的局部溫度和沿垂直高度方向的溫度分布規律將呈不同的變化特點，通過全三維的數值模 擬，給出不同運行參數的條件下，分析大電流長垂直離相封閉母線溫度場、不同位置單根母 線垂直溫度分布規律，進出口溫差變化規律，進而探索和認識混合通風模式下的大電流長 垂直離相封閉母線豎井中的熱流和溫度分布性能，及其不同運行參數對其流動與換熱的影 響規律。
【附圖說明】
[0027] 圖1為IPB豎井剖面圖。
[0028] 圖2為IPB豎井平面圖。
【具體實施方式】
[0029] 以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。
[0030] I) IPB豎井內的熱平衡
[0031] IPB導體的散熱是通過導體和外殼之間的熱輻射、殼內空氣對流進行的，外殼則主 要是通過熱輻射、殼外空氣的對流散熱。熱輻射由輻射系數（為常數）決定，在IPB垂直方 向上沒有差別，因此影響IPB在垂直方向上溫度分布的主要是IPB內部和外部空氣的對流。
[0032] Pm一 Q mf+Qmd
[0033] Pm+Pr - Q Kf+Qkd
[0034] Pm為導體的功率損耗，WAm相）；
[0035] QmfS IPB對外殼的輻射散熱；
[0036] Qmd為導體和外殼