Сводка формул расчета нагрева электрооборудования

I. Тепловая мощность распределительных устройств/панелей высокого и низкого напряжения

Тепловыделение панелей высоковольтных распределительных устройств можно рассчитать по следующей формуле:

Q=(​I_g/I_e​​)²q_e​(кВт)

I_g​: Рабочий ток переключателя высокого-напряжения (А)

I_e​: Номинальный ток переключателя высокого-напряжения (А)

q_e​: Тепловыделение переключателя высокого-напряжения при номинальном токе

Распределительное устройство высокого-разделяется на входное распределительное устройство и фидерное распределительное устройство. Как правило, тепловыделение вводного распределительного устройства выше, чем у фидерного распределительного устройства.

Тепловыделение панелей распределительных устройств низкого-напряжения можно рассчитать по следующей формуле:

Q=e×∑P(кВт)

e: Коэффициент использования панели

x: Фактический коэффициент потерь панели.

∑P: Сумма потерь мощности всех электрических компонентов в панели низкого-напряжения (кВт).

● Из-за различных целей и рабочих токов различных панелей электростанции, как правило, чем больше рабочий ток, тем больше тепловыделение электрических компонентов панели. Для центрально расположенных распределительных щитов рекомендуется получить более точные данные о тепловыделении у производителя оборудования.

● В частности, внутри важных распределительных щитов устанавливаются электрические нагреватели для защиты электрических компонентов, предотвращения чрезмерной влажности и снижения изоляционных характеристик. Мощность каждой панели обычно составляет около 0,3~0,5 кВт, что следует учитывать в централизованно расположенных помещениях релейной защиты.

 

II. Трансформаторное производство тепла

Тепловыделение трансформаторов в основном относится к потерям энергии внутри трансформатора, которые состоят из двух частей: потери в меди (резистивные потери) и потери в железе (магнитные потери). Потери в меди меняются в зависимости от нагрузки, тогда как потери в железе не зависят от нагрузки и могут рассматриваться как константа. Обычно потери в меди при номинальной нагрузке определяются как потери при коротком-замыкании, а потери в железе при номинальном напряжении определяются как потери на холостом ходу.

Потери трансформаторов с самоохлаждением-, воздушным-охлаждением и сухим-типом рассеиваются в окружающий воздух. Напротив, в трансформаторах с водяным-охлаждением большая часть потерь уносится системой водяного охлаждения, а небольшая часть рассеивается в воздух из-за того, что температура масла выше температуры окружающего воздуха.

Как правило, на закрытых заводах, подземных электростанциях и гидроаккумулирующих электростанциях главные трансформаторы, расположенные в заводских зданиях или под землей, в основном имеют водяное охлаждение. Однако другие трансформаторы на электростанциях, такие как служебные трансформаторы станции, трансформаторы освещения, аварийные трансформаторы и трансформаторы возбуждения, в основном используют трансформаторы с воздушным-охлаждением или сухим-типом.

Тепловыделение трансформаторов с воздушным-охлаждением можно просто рассчитать по следующей формуле:

Q=P_k​+P_d​(кВт)

P_k​ - Нет-потери нагрузки трансформатора (кВт)

Тепловыделение трансформаторов с водяным-охлаждением можно рассчитать по следующей формуле:

Q=5.5×(t_y​−t_n​)1.25A×10⁻³(кВт)

Где: т_y​- Средняя температура масла в баке трансформатора (обычно 65–70 градусов)

t_n​ - Температура окружающей среды в помещении (градусы)

 

III. Тепловыделение шин и кабелей

На электростанциях для соединения генераторов и трансформаторов чаще всего используются самоохлаждающиеся закрытые шины. Выделение тепла в шинах состоит из двух частей: выделение тепла в результате потери мощности на шине и наведенное рассеивание тепла из корпуса.

Поскольку оба конца главной шины подключены соответственно к генераторному и трансформаторному оборудованию, воздух между шиной и корпусом фактически закрыт. Корпус действует как защита и электромагнитный экран, уменьшая воздействие электромагнитного поля шины на окружающее электрооборудование и окружающую среду, не уменьшая при этом тепловыделение шины. Тепло от потери мощности на шине передается воздуху между шиной и корпусом, а затем в окружающую среду через оболочку корпуса. Вызванное рассеивание тепла от корпуса напрямую передается в окружающую среду.

Тепловыделение, вызванное потерями мощности на шине, можно рассчитать по следующей формуле:

q_s​=3×I²RΣ​φ_s​L×10⁻³(кВт)

I: Рабочий ток шины (А)

RΣ​: Эквивалентное сопротивление на единицу длины шины (Ом/м).

φ_s​: Пропорциональный коэффициент потерь мощности, рассеиваемой в окружающую среду.

L: Длина шины (м)

Индуцированное тепловыделение кожуха сборных шин можно рассчитать по следующей формуле:

q_k​=3×I²R_k​φ_k​L×10⁻³(кВт)

I: Фазный ток шины (А)

R_Z​: сопротивление шины постоянному току при рабочей температуре (Ом/м)

R_k​: Сопротивление постоянного тока шинного шкафа при рабочей температуре (Ом/м)

φ_s​: Коэффициент скин-эффекта шины.

φ_k​: Коэффициент скин-эффекта кожуха сборных шин

L: Длина шины (м)

 

IV. Тепловыделение реакторов

Реакторы используются в устройствах распределения электроэнергии большой-мощности для ограничения токов короткого-замыкания, а также могут использоваться в качестве фильтрующих реакторов в выпрямительных устройствах.

Тепловыделение реактора можно рассчитать по следующей формуле:

Q=η₁​η₂​P(kW)>Где:

η₁​: Коэффициент использования реактора, обычно принимаемый как0.95

η₂​: Коэффициент загрузки реактора, обычно принимаемый как0.75

P: Потери мощности реактора при номинальной мощности (кВт), определяемые номинальным током, номинальным реактивным сопротивлением и моделью.

Реакторы состоят из обмоток с большой теплоемкостью и тепловыделением, и для достижения стабильного тепловыделения требуется определенное время. Для реакторов, работающих непрерывно, тепловыделение стабильно; для реакторов периодического действия тепловыделение следует определять по времени работы и характеристической кривой тепловыделения реактора.

 

V. Выработка тепла генераторными установками

Рассеяние тепла в генераторных установках в основном происходит за счет двух аспектов: один - это передача тепла через крышку и конструкцию корпуса, а другой - тепло, возникающее в результате утечки охлаждающего циркулирующего воздуха генераторной установки.

Генераторные установки больших и средних-размеров обычно используют режим охлаждения с замкнутой воздушной само-циркуляцией: потери обмотки генератора передаются охлаждающему воздуху, а затем тепло воздуха отводится охлаждающей водой через водяной охладитель установки. Согласно измеренным данным, температура воздуха, выходящего из статора, обычно не превышает 65 градусов, а температура воздуха, поступающего в ротор, обычно не ниже 5 градусов.

Тепловыделение корпуса генератора можно рассчитать по следующей формуле:

q_k​=КА(т_g​−t_n​)(W)

K: Коэффициент теплопередачи корпуса генератора (Вт/(м²·градус))

A: Площадь поверхности корпуса генератора (м²)

t_g​: Средняя температура охлаждающего циркулирующего воздуха генератора (градусы)

t_n​: Температура окружающей среды в помещении (градусы)

 

Рассеяние тепла из-за утечки воздуха в генераторе

Тепловыделение, вызванное утечкой воздуха в генераторе, можно рассчитать по следующей формуле:

q_f​= vc (t_f​−t_n​)

: Коэффициент утечки (0,3% для стальных крышек)

v: Объем циркуляции охлаждающего воздуха (м³/ч)

c: Удельная теплоемкость воздуха (Вт/(кг · град))

: Плотность воздуха (1,2 кг/м³)

t_f​: Температура воздуха утечки (градусы)

t_n​: Температура окружающей среды в помещении (градусы)

Ключевое примечание: Расчет потерь тепла при утечке воздуха во многом зависит отобъем охлаждающего воздуха (v). Из-за различий в стандартах проектирования отечественных и международных производителей указанный объем воздуха может значительно различаться (например, 200 м³/ч по сравнению с . 120 м³/ч для агрегата мощностью 300 МВт). Для получения точных результатов рекомендуется получить официальные параметры объема охлаждающего воздуха от производителя генератора, а не полагаться исключительно на ручные расчеты.

 

VI. Выделение тепла пусковым устройством статического преобразователя частоты SFC

SFC (статический преобразователь частоты) — это пусковое устройство со статическим преобразованием частоты, в основном используемое для запуска агрегатов гидроаккумулирующих электростанций в условиях перекачки. Он состоит из входных реакторов, выходных реакторов, фильтров, силовых шкафов и реакторов постоянного тока.

Для гидроаккумулирующей-электростанции единичной мощностью 300 МВт мощности каждого компонента в устройстве КУЗ зарубежного производителя составляют:

Емкость устройства SFC

Нет.	Название оборудования	Работа (кВт)	Режим ожидания (кВт)
1	Входной реактор	27	3
2	Выходной реактор	63	0
3	Фильтр	83	28
4	Силовой шкаф	15	6
5	Реактор постоянного тока	200	0
6	Общий	388	37

 

Как мы видим, тепловыделение устройства SFC достигает 388 кВт при расчете на полную нагрузку. Согласно реальному анализу работы и статистике некоторых действующих гидроаккумулирующих электростанций, пуск одного агрегата (от статического волочения до подключения к сети) занимает всего 240 секунд, а время запуска шести агрегатов составляет около 25 минут.

На основании кривой рабочих характеристик устройства SFC, предоставленной зарубежным производителем:

Входные реакторы, выходные реакторы и реакторы постоянного тока достигают20%их номинального тепловыделения после 25 минут работы.

Фильтры и силовые шкафы достигают примерно70%их номинального тепловыделения.

Согласно этому расчету тепловыделение устройства SFC составляет около126,6 кВт, что32.6%номинального тепловыделения.

Тепловыделение устройства SFC тесно связано с его мощностью и временем работы. Для более точного определения тепловыделения оборудования необходимо запросить рабочую характеристику оборудования у соответствующего производителя, а затем рассчитать ее, исходя из мощности оборудования и времени работы.

 

VII. Тепловыделение осветительного оборудования

На крупных и средних-электростанциях мощность освещения имеет тенденцию к увеличению из-за потребности в освещении в архитектурном декоре и ландшафтном дизайне. С развитием осветительного оборудования применение освещения на электростанциях перешло от ламп накаливания и люминесцентных ламп к источникам света высокой-яркости, таким как йодные-вольфрамовые лампы и металлогалогенные лампы. Однако тепловыделение осветительного оборудования стабильно: пока стабильны напряжение и мощность, тепловыделение остается неизменным.

 

Часть электрической энергии, потребляемой освещением, напрямую преобразуется в тепло, которое рассеивается в окружающую среду посредством конвекции и проводимости. Световая энергия излучается наружу в виде инфракрасного излучения, которое не может напрямую поглощаться воздухом, но проходит через воздух, поглощается окружающими объектами, а затем передается воздуху. Часть, преобразованная в свет, также сначала проецируется на окружающие объекты, поглощается этими объектами, а затем преобразуется в тепло, которое затем передается воздуху и другим объектам посредством конвекции, проводимости или излучения.

Тепловыделение осветительного оборудования рассчитывается как:

Q=n₁​Н(кВт)

n₁​: Коэффициент энергопотребления балласта, обычно принимаемый как1.2

N: Общая установленная мощность осветительного оборудования (кВт)