高寒地區(qū)特高壓主設(shè)備安裝過(guò)程保溫棚傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究

劉 博, 侯紀(jì)勇，閻國(guó)增，張 治，胡建國(guó),張 暕,王宇飛

(1. 國(guó)家電網(wǎng)公司 交流建設(shè)分公司， 北京100052； 2. 湖南省送變電工程公司，湖南長(zhǎng)沙410012； 3. 華北電力大學(xué)， 北京102206)

高寒地區(qū)特高壓主設(shè)備安裝過(guò)程保溫棚傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究

劉 博1, 侯紀(jì)勇1，閻國(guó)增1，張 治2，胡建國(guó)2,張 暕3,王宇飛3

(1. 國(guó)家電網(wǎng)公司 交流建設(shè)分公司， 北京100052； 2. 湖南省送變電工程公司，湖南長(zhǎng)沙410012； 3. 華北電力大學(xué)， 北京102206)

特高壓電網(wǎng)建設(shè)是我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向，但在我國(guó)的一些高寒地區(qū)，除了特高壓工程建設(shè)自身的技術(shù)難題，還需克服冬季施工時(shí)環(huán)境溫度過(guò)低的問(wèn)題，因此，實(shí)際工程中，通過(guò)加裝保溫棚來(lái)確保主設(shè)備安裝的順利進(jìn)行。針對(duì)2種不同形式的保溫棚進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論是相同功率下能達(dá)到的最大溫度，還是散熱過(guò)程的溫降速率，酚醛泡沫保溫房的保溫效果均略優(yōu)于充氣帳篷，但綜合考慮實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)性，充氣帳篷拆卸方便，便于移動(dòng)；而保溫房搭建、拆卸耗時(shí)耗力，較為繁瑣。

高寒地區(qū); 特高壓工程; 主設(shè)備; 保溫棚; 實(shí)驗(yàn)分析

0 引言

特高壓交流輸電作為一種資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的先進(jìn)輸電技術(shù)，具有輸送容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)[1]。而隨著國(guó)家防治霧霾計(jì)劃的逐步落實(shí)，特高壓工程必將得到長(zhǎng)足的發(fā)展，同時(shí)特高壓交流輸電也將成為我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向之一[2-5]。但在迎來(lái)發(fā)展良機(jī)的同時(shí)，特高壓工程建設(shè)也需克服相應(yīng)的技術(shù)難題，特別是西北高寒地區(qū)，還要滿足主設(shè)備對(duì)于環(huán)境溫度的特殊需求。比如蒙西-天津南1 000 kV特高壓交流輸變電工程[6]中蒙西站所處的準(zhǔn)格爾地區(qū)，錫盟-山東1 000 kV特高壓工程錫盟站所在的內(nèi)蒙古多倫地區(qū)，在冬季均屬于高寒低溫區(qū)域，氣溫一般在-20 ℃左右，極限低溫甚至?xí)_(dá)到-30 ℃，而根據(jù)工程一級(jí)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃安排，電氣安裝工作基本要橫跨整個(gè)冬季。

特高壓主設(shè)備在安裝過(guò)程中，變壓器的絕緣油需求量大、指標(biāo)要求高，熱油循環(huán)溫度要控制在65±5 ℃[7-10]，而高寒地區(qū)的外界環(huán)境溫度通常為-20 ℃，這樣內(nèi)外溫差將達(dá)到80 ℃以上，極易引起變壓器油熱量的損失，而冬季施工時(shí)，金屬外殼由于導(dǎo)熱快，會(huì)進(jìn)一步增加熱量的散失。因此，需要制定針對(duì)性的保溫加熱方式來(lái)確保低溫條件下特高壓主設(shè)備安裝的順利進(jìn)行[11]。

而當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于高寒地區(qū)特高壓主設(shè)備安裝過(guò)程的保溫措施主要有搭建恒溫房和覆蓋保溫材料兩種措施[12-13]，但這2種保溫措施在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)際操作性上都帶有弊端。故本文針對(duì)高寒地區(qū)變壓器(高抗)的安裝過(guò)程，制定了2種保溫加熱措施，分別為酚醛泡沫保溫房和充氣帳篷，并且通過(guò)建立相應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒▉?lái)比較這兩種保溫措施的各方面性能，從而為實(shí)際施工提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)需要的低溫環(huán)境通過(guò)低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)箱可以控制溫度在-30 ℃左右，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的低溫環(huán)境要求。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于2種不同形式的保溫棚：充氣帳篷的內(nèi)部尺寸為1.3 m×0.7 m×1.3 m，夾層厚度0.15 m，如圖1所示；酚醛泡沫保溫房的內(nèi)部尺寸為1.6 m×1 m×1.2 m，保溫板厚度0.1 m，如圖2所示。其中，通過(guò)拉鏈和粘扣帶來(lái)確保充氣帳篷的密封性，而酚醛泡沫保溫房則通過(guò)泡沫膠粘合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫板之間的密封。

圖1 充氣帳篷外觀圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以加熱的電阻絲作為保溫棚的內(nèi)熱源，且可以通過(guò)調(diào)試發(fā)熱功率來(lái)調(diào)節(jié)輸入的熱量。兩種保溫棚內(nèi)部溫度的測(cè)量均采用溫度傳感器，每個(gè)保溫棚內(nèi)都放入2個(gè)傳感器，離地高度分別為0.25 m和0.8 m。電阻絲通入電流后的加熱過(guò)程和內(nèi)部溫度穩(wěn)定后關(guān)掉電源的散熱過(guò)程，都可以利用傳感器的無(wú)線功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的溫度。

圖2 酚醛泡沫保溫房外觀圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱將室外溫度控制在-24 ℃左右，加熱功率從100 W(實(shí)測(cè)115 W)開(kāi)始，分別觀察充氣帳篷和保溫房的溫度變化規(guī)律，然后同時(shí)加大功率至200 W(226 W)、300 W(344 W)、400 W(450 W)、450 W(506 W)、500 W(506 W)，2種保溫形式的加熱功率和溫度的關(guān)系如表1所示。

3 數(shù)據(jù)分析

圖3為本次實(shí)驗(yàn)中充氣帳篷和保溫房的內(nèi)部溫度隨著加熱功率變化的關(guān)系圖。由圖可知，在室外溫度保持在-24 ℃左右的情況下，室內(nèi)溫度隨著功率的增加而升高，且?guī)缀跏蔷€性增長(zhǎng)的關(guān)系。這與理論分析的結(jié)果一致，因?yàn)槭覂?nèi)對(duì)外的散熱量與內(nèi)外溫差成正比，但由于輻射系數(shù)與溫度的四次方相關(guān)，因此并不是規(guī)律的正比關(guān)系。

表1 加熱功率與不同測(cè)點(diǎn)溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 不同測(cè)點(diǎn)溫度與功率的關(guān)系

同時(shí)，相同功率下，保溫房所達(dá)到的最大溫度總是大于充氣帳篷，這主要在于保溫房的散熱方式主要是熱傳導(dǎo)，而充氣帳篷的散熱方式還包括對(duì)流傳熱和熱輻射，因此，充氣帳篷的換熱系數(shù)會(huì)大于保溫房，使得充氣帳篷的最高溫度小于保溫房所能達(dá)到的最高溫度。

另外，測(cè)試點(diǎn)的溫度不盡相同，高測(cè)點(diǎn)的溫度始終高于低測(cè)點(diǎn)，且隨著溫度的升高，兩者差值逐漸增大，在506 W的加熱功率時(shí)，可達(dá)到4 ℃左右。這主要是由于隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，受熱的空氣逐漸上升，而冷空氣由于密度較大，下降至地面附近，造成上下的溫度不均勻。

圖4為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程充氣帳篷和保溫房加熱時(shí)間與溫度的關(guān)系，由圖可以看出，兩者的溫升規(guī)律比較相似，在開(kāi)始階段，隨著加熱時(shí)間的增加，室內(nèi)溫度均不斷升高，且增長(zhǎng)的速率很快；而經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，溫度雖然仍不斷升高，但增長(zhǎng)比較緩慢，最后趨于穩(wěn)定；然后隨著功率的加大，溫度再次迅速升高，接著趨于穩(wěn)定，并重復(fù)之前的過(guò)程。這與理論分析的結(jié)果是一致的，根據(jù)傳熱理論，在開(kāi)始階段，室內(nèi)外溫差很小，向外散熱量很少，因此加熱功率主要用于室內(nèi)空氣的升溫；而隨著溫度的升高，散熱量增大，導(dǎo)致室內(nèi)空氣的吸熱量逐漸減少，當(dāng)溫度升至某一值時(shí)，散熱量與加熱功率平衡，溫度即不再上升。

圖4 加熱時(shí)間與溫度的關(guān)系

另外可知，同樣的功率下，保溫房的溫度基本均大于充氣帳篷。這主要是因?yàn)楸胤康膿Q熱系數(shù)較小，功率相同時(shí)，溫升比較大。由圖4可以看出，當(dāng)加熱功率為506 W時(shí)，充氣帳篷的溫度可達(dá)到15 ℃左右，但此時(shí)保溫房的溫度已經(jīng)升高至40 ℃，遠(yuǎn)大于充氣帳篷。

2種保溫方式的初始溫度并不完全一致，主要是因?yàn)槌錃鈳づ竦臏囟群铜h(huán)境溫度比較容易一致，而用于實(shí)驗(yàn)的保溫房由于完全密封，并不存在門(mén)窗等設(shè)備，因此將保溫房的溫度降到一定程度很難，為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，沒(méi)有等到和環(huán)境溫度一樣，但是也保證了內(nèi)部溫度為-20 ℃，和外部環(huán)境溫度基本一致。

圖5為500 W功率下加熱時(shí)間與溫度的關(guān)系。由圖可以看出，在相同的功率下，保溫房的溫升速度要快于充氣帳篷，當(dāng)加熱到25 min左右，充氣帳篷室內(nèi)溫度為15.3 ℃，而保溫房的室內(nèi)溫度為22.5 ℃。此時(shí)，關(guān)掉加熱器電源，兩者均開(kāi)始向外散熱，溫度降低，充氣帳篷的溫降速度要快于保溫房，當(dāng)時(shí)間在52 min左右時(shí)，充氣帳篷的溫度從15.3 ℃下降至-10 ℃，溫度降低25.3 ℃；保溫房的溫度從22.5 ℃下降至8.2 ℃，溫度降低14.3 ℃。

圖5 500 W功率下加熱時(shí)間與溫度的關(guān)系

4 結(jié)論

高寒地區(qū)為了滿足特高壓主設(shè)備安裝過(guò)程中的溫度要求，通常會(huì)采用加裝相應(yīng)保溫措施的方式，本文通過(guò)模擬實(shí)際低溫環(huán)境溫度，建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)比了酚醛泡沫保溫房和充氣帳篷這2種保溫方式的利弊，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)性分析，得到了如下結(jié)論：

1)保溫效果。無(wú)論是相同功率下所能達(dá)到的最大保溫棚溫度，還是散熱過(guò)程的溫降速率，酚醛泡沫保溫房的保溫能力均優(yōu)于充氣帳篷。

2)實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)性。充氣帳篷拆卸方便，便于移動(dòng)，而保溫房搭建、拆卸耗時(shí)耗力，較為繁瑣。

[1]劉振亞. 中國(guó)特高壓交流輸電技術(shù)創(chuàng)新[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(3): 566-574.

[2]林銳, 張禮朝, 張培勇, 等. 1 000 kV 特高壓交流輸電線路大跨越導(dǎo)線選型[J]. 電力建設(shè), 2015，36(5): 91-98.

[3]楊昊, 王丹, 劉滌塵. 特高壓交流輸電模型的建立與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)選分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015,43(3):91-96.

[4]胡海瑞, 葉翔. 錫盟～山東1 000 kV特高壓交流輸電線路地線選型[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2015(6): 88-89.

[5]孫昕. 推動(dòng)交流特高壓工程優(yōu)質(zhì)高效大規(guī)模建設(shè)[J]. 國(guó)家電網(wǎng), 2014(4): 24-25.

[6]符嘉琦. 蒙西-天津南1 000 kV特高壓交流輸變電工程發(fā)展及其前瞻分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2015(15): 169-170.

[7]國(guó)家電網(wǎng)公司. 1 000 kV特高壓交流試驗(yàn)示范工程主設(shè)備技術(shù)條件書(shū)[M]. 北京: 國(guó)家電網(wǎng)公司, 2006.

[8]劉銳, 李金忠, 張書(shū)琦, 等. 大型變壓器現(xiàn)場(chǎng)加熱干燥方法的研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(1): 193-198.

[9]許偉民, 江友鈿, 甘軍明, 等. 特高壓變壓器油處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2011, 40(11): 109-110.

[10]張建坤, 賀虎, 鄧德良, 等. 特高壓變壓器現(xiàn)場(chǎng)安裝關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009, 33(10): 1-6.

[11]王玉明. 淺談1 000 kV特高壓變壓器施工監(jiān)理方法[J]. 建設(shè)監(jiān)理, 2012(10): 50-56.

[12]侯紀(jì)勇,閆國(guó)增,趙海森,等.高寒低溫條件下特高壓主設(shè)備安裝過(guò)程保溫措施研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[C].2015年電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2015.

[13]侯紀(jì)勇,閆國(guó)增,何青,等.高寒地區(qū)1 000 kV特高壓電氣主設(shè)備安裝過(guò)程保溫棚的傳熱學(xué)模型及計(jì)算應(yīng)用[C].2015年電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2015.

Experimental Research on Heat Transfer Characteristics of Insulation Shed During Installation Process of Ultra-high Voltage Main Equipments in Cold Regions

LIU Bo1, HOU Jiyong1, YAN Guozeng1, ZHANG Zhi2, HU Jianguo2, ZHANG Jian3, WANG Yufei3

(1. State Grid AC Engineering Construction Co. Ltd., Beijing 100052, China;2. Hunan Electrical Power Supply&Transformation Engineering Co. Ltd., Changsha 410012, China;3.North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The construction of ultra-high voltage (UHV) grid is an important aspect for grid’s development of China. However in some cold regions, due to the extremely low environment temperature, it is hard to carry out the construction, apart from its own technical problems. Therefore, in practical engineering, insulation shed is installed to ensure the main equipment installation proceed smoothly. In this paper, the experiments are carried out corresponding to the two different forms of insulation shed, and the results show that the phenolic foam insulation shed can achieve the better effect comparing with the inflatable tent’s, in the case of the maximum temperature or the temperature drop rate of the cooling process with the same power. However, considering of the economy for the practical engineering, the inflatable tent is easy to remove and move, while the construction of phenolic foam insulation shed requires more time and effort.

cold regions; ultra-high voltage engineering; main equipments; insulation shed; experiment analysis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.02.007

2016-08-28。

TM723

A

1672-0792(2017)02-0041-04

劉博(1965-)，男，高級(jí)工程師，主要從事交流特高壓輸變電工程建設(shè)管理及其施工關(guān)鍵技術(shù)研究。