高 駿，周 萌，鄭松林

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著城市化和城市功能的不斷提升，各種電壓等級變電站越來越多地被設(shè)計成緊湊型戶內(nèi)或者地下變電站[1]。環(huán)境的封閉性和設(shè)計的局限性使得站內(nèi)變壓器的散熱問題逐漸成為影響其安全性和可靠性的主要因素[2]。GB 1094.7—2008《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》指出，變壓器絕緣實際工作溫度范圍為80～140 ℃時，變壓器運(yùn)行溫度每升高6 K，老化率增加1倍，即其壽命減少一半[3]。因此，通過合理的通風(fēng)降溫方式把變壓器在運(yùn)行中由于正常損耗而產(chǎn)生的大量熱量排出室外，維持良好的室內(nèi)環(huán)境運(yùn)行溫度，是保證室內(nèi)變電站正常工作的重要條件之一。

本文通過對越溪500 kV戶內(nèi)變電站變壓器室通風(fēng)降溫方案進(jìn)行優(yōu)化研究，利用置換通風(fēng)的設(shè)計原理，優(yōu)化變壓器室通風(fēng)氣流組織，提高通風(fēng)換熱效率的同時降低通風(fēng)量及通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

1 工程概況

越溪500 kV變電站為全戶內(nèi)變電站，配電裝置樓一層平面布置如圖1所示，布置方案采用對稱式布局，中心布置輔助辦公生活區(qū)，主變室散熱器區(qū)左右依次布置，氣體絕緣配電裝置(gas insulated switchgear, GIS)設(shè)備區(qū)緊鄰主變室散熱器區(qū)，無功設(shè)備區(qū)分居兩翼。

圖1 配電裝置樓一層平面圖

配電裝置樓采用二層局部三層布置，平面軸線尺寸為125 m×37 m，變壓器室層高為13.5 m，220 kV GIS室、電抗器及散熱器室、電容器室層高設(shè)為7.5 m，500 kV GIS室層高為13.5 m，建筑面積為6 972 m2。

2 變壓器室降溫環(huán)境控制優(yōu)化研究

2.1 常規(guī)變壓器室設(shè)計升溫分析

常規(guī)變壓器室自然進(jìn)風(fēng)機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)剖面示意圖如圖2所示。當(dāng)空氣進(jìn)入主變壓器室內(nèi)，在迎風(fēng)面上由于空氣流動受阻，速度降低，空氣部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，使得迎風(fēng)面上的壓力大于大氣壓，形成正壓區(qū)。而變壓器背面由于空氣曲繞過程中形成空氣稀薄現(xiàn)象，此處壓力小于大氣壓形成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致變壓器在X軸方向上產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，使得新鮮空氣無法與熱量充分接觸而排至室外，導(dǎo)致變壓器本體局部 高溫。

圖2 主變室通風(fēng)剖面圖

2.2 變壓器室常規(guī)通風(fēng)降溫方案CFD仿真模擬

本文對變壓器室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)仿真模擬分析。本工程選用4臺1 000 MVA三相一體主變，單臺變壓器空載損耗為350 kW,負(fù)載損耗為1 440 kW，散熱體帶走80%的散熱量，變壓器本體散熱量為360 kW。

模型的進(jìn)口邊界條件見表1所列，出口邊界條件見表2所列。

表1 進(jìn)口邊界條件

表2 出口邊界條件

在上述邊界條件下求解數(shù)學(xué)模型，可以得到百葉窗下部送風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)上部排風(fēng)時變壓器室的溫度場和氣流速度場的分布情況。圖3為CFD模擬Y=2 m處變壓器工作區(qū)溫度場，從圖中可以看出變壓器室后部由于空氣速度較快，與熱量接觸不充分，這個區(qū)域溫度偏高。從圖4立面圖上來看，在變壓器設(shè)備高度以下的空氣溫度基本滿足設(shè)計要求，而變壓器正上方的空氣仍會超過45 ℃。

圖3 CFD模擬Y=2 m處變壓器工作區(qū)溫度場

圖4 CFD模擬Z=3 m處變壓器工作區(qū)溫度場

由上述分析可知，常規(guī)降溫方案基本可以滿足變壓器室的環(huán)境運(yùn)行要求，但由于運(yùn)行時風(fēng)機(jī)風(fēng)速風(fēng)量均不可調(diào)節(jié)，容易造成變壓器室內(nèi)局部溫度超標(biāo)，影響變壓器設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.3 變壓器通風(fēng)降溫優(yōu)化方向

提高進(jìn)排風(fēng)溫差。由圖5置換通風(fēng)原理圖可知，只需要保證分界層面為變壓器頂部，工作區(qū)域溫度tn維持在變壓器允許運(yùn)行溫度即可，上部區(qū)域溫度te略高并不會影響變壓器的實際運(yùn)行。

圖5 置換通風(fēng)原理圖

根據(jù)典型熱壓作用時自然通風(fēng)原理[4]，進(jìn)排風(fēng)溫差的提高可以降低通風(fēng)量，使得室內(nèi)空氣流速減小，讓室外低溫空氣有機(jī)會充分與變壓器熱源接觸，達(dá)到更好的換熱效果；另外進(jìn)排風(fēng)溫差的提高還直接影響變壓器油溫升高幅度，保證變壓器的平穩(wěn)運(yùn)行。

風(fēng)機(jī)變頻設(shè)置。常規(guī)軸流風(fēng)機(jī)由于自動化程度不足，無法根據(jù)電力負(fù)荷的變化、運(yùn)行方式的調(diào)整和室外溫度的變化而調(diào)整風(fēng)量。采用變頻風(fēng)機(jī)，可以隨著變壓器散熱量的變化而調(diào)整通風(fēng)量，使得室內(nèi)氣流組織和室內(nèi)環(huán)境溫度均保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.4 變壓器通風(fēng)降溫優(yōu)化方案及CFD仿真模擬

本工程變壓器室通風(fēng)采用機(jī)械進(jìn)風(fēng)和自然排風(fēng)的通風(fēng)方式，引用置換通風(fēng)的理念，針對主變壓器室內(nèi)部發(fā)熱量較大的布置特點，提出可控弱氣流通風(fēng)的全新通風(fēng)方式，利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的有效控制。物聯(lián)網(wǎng)包含三個基本要素，搭載在物品上的傳感器、用于傳輸和存儲信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、安裝了應(yīng)用軟件的終端設(shè)備。傳感器可以是溫度傳感器，也可以是其它能夠用設(shè)備識別的信息載體；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以是有線網(wǎng)，也可以是無線網(wǎng)或各種總線及其綜合系統(tǒng)；終端設(shè)備可以是PC，甚至是手機(jī)。利用物聯(lián)網(wǎng)的這些特征，可以建立起包括變電站智能環(huán)境輔控系統(tǒng)、室內(nèi)通風(fēng)降溫設(shè)備及室外環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)變壓器室內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)的管控一體化。

變電站智能環(huán)境控制系統(tǒng)，通過采用“可控弱氣流對流散熱”技術(shù)對氣流進(jìn)行有效組織和精確控制，以自然對流與強(qiáng)制對流共同作用的復(fù)合換熱過程對電氣設(shè)備等熱源體進(jìn)行散熱降溫，優(yōu)化氣流的對流形態(tài)從而極大提升熱交換的效率，自動控制調(diào)節(jié)氣流量和對流的強(qiáng)度，使其與熱源體發(fā)熱量變化的動態(tài)特性相匹配。

在主變壓器室的通風(fēng)降溫系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)送風(fēng)地點。利用主變壓器室下方的通風(fēng)溝道，引入下部溫度較低的新鮮空氣，調(diào)整機(jī)械送風(fēng)的送風(fēng)口位置，有效地將主變發(fā)熱部位熱源控制，避免造成整個室內(nèi)環(huán)境溫度的升高。

2)送風(fēng)速度。為了維持主變壓器室內(nèi)的溫度分層界面穩(wěn)定在變壓器的頂部，必須控制送風(fēng)裝置送風(fēng)口速度，既要滿足有效維持室內(nèi)溫度所需的合理通風(fēng)量，又要保持室內(nèi)空氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)送風(fēng)時機(jī)和送風(fēng)量。室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量隨電網(wǎng)負(fù)載的變化而變化，室外環(huán)境溫度又隨著季節(jié)的更替、晝夜變化而變化，可控弱氣流通風(fēng)借助于物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度變化，自動調(diào)整送風(fēng)裝置的送風(fēng)量，實現(xiàn)滿足設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度的節(jié)能運(yùn)行。

本文對變壓器室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行CFD仿真模擬分析。本工程選用4臺1 000 MVA三相一體主變，單臺變壓器空載損耗為350 kW，負(fù)載損耗為1 440 kW，散熱體帶走80%的散熱量，變壓器本體散熱量為360 kW。優(yōu)化方案采用智能環(huán)境控制系統(tǒng)，利用置換通風(fēng)的設(shè)計原理，減小送風(fēng)速率，保證變壓器設(shè)備高度以下運(yùn)行環(huán)境低于45 ℃。通風(fēng)系統(tǒng)選用4臺智能通風(fēng)機(jī)組，單臺送風(fēng)量為8 000 m3/h。由于目前廠家無法提出提出變壓器油枕的位置、外形和散熱量，故本文在進(jìn)行CFD模擬時將變壓器按整體模型考慮。

模型的進(jìn)口邊界條件見表3所列，出口邊界條件見表4所列。

表3 進(jìn)口邊界條件

表4 出口邊界條件

在上述邊界條件下求解數(shù)學(xué)模型，可以得到智能環(huán)境控制系統(tǒng)下部送風(fēng)、排風(fēng)閥窗上部排風(fēng)時變壓器室的溫度場和氣流速度場的分布情況。圖6、圖7分別為變壓器室內(nèi)進(jìn)排風(fēng)設(shè)備布置圖、房間立面的溫度分布場。其中，主變壓室的尺寸為10.0 m×23.5 m×14.0 m(寬×長×高)，變壓器本體尺寸為4.5 m×13.08 m×8.5 m(寬×長×高)。從圖7可知，相對于百葉窗自然進(jìn)風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)方式來說，該平面通風(fēng)降溫效果有了極大的改善，除了靠近變壓器表面和變壓器室內(nèi)最高處的空氣溫度超過45 ℃以外，其它區(qū)域溫度都可以滿足規(guī)范要 求[5]。相對于變壓器室設(shè)備高度8.5 m以下高度來說，絕大部分區(qū)域溫度保持在40 ℃。

圖6 變壓器室通風(fēng)設(shè)備布置圖

圖7 CFD模擬Z=2 m處變壓器工作區(qū)溫度場

傳統(tǒng)變壓器室通風(fēng)設(shè)計時，為了追求較高的換熱效率而增大風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量，風(fēng)機(jī)無法根據(jù)實際環(huán)境情況和變壓器運(yùn)行情況調(diào)整風(fēng)量，空氣動能過大，迎風(fēng)面壓力增大，反而加劇變壓器背面的渦流現(xiàn)象，降低通風(fēng)換熱效率。

與傳統(tǒng)變壓器室通風(fēng)設(shè)計方案相比，優(yōu)化后的方案取得了較好的降溫效果，從圖8的氣流組織圖上來看，室外冷空氣通過智能通風(fēng)機(jī)組由房間下部低速送入室內(nèi)，與室內(nèi)熱源充分接觸排至室外。從模擬結(jié)果看，調(diào)整變壓器室通風(fēng)設(shè)備的送排風(fēng)方式及參數(shù)，更好得降低工作區(qū)的溫度，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖8 CFD模擬Z=2 m處變壓器工作區(qū)周圍流場

3 結(jié)語

本文通過對變壓器室常規(guī)通風(fēng)降溫方法缺陷分析，提出變壓器室通風(fēng)降溫優(yōu)化方案。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合越溪500 kV戶內(nèi)變電站實際工程，分別對變壓器室常規(guī)通風(fēng)降溫方案和利用置換通風(fēng)原理優(yōu)化后的通風(fēng)降溫方案進(jìn)行CFD模擬仿真分析，研究結(jié)果表明：通過調(diào)整變壓器室通風(fēng)設(shè)備的送排風(fēng)方式及參數(shù)，能有效提高通風(fēng)換熱效率的同時降低通風(fēng)量及通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。