適用于特高壓主變壓器現場安裝的充氣柱式保溫房設計與實施

劉 博，侯紀勇，閻國增

（國家電網有限公司交流建設分公司，北京 100052）

0 引言

高寒地區特高壓變電站主變壓器的施工對環境有著嚴格的要求[1-6]，雨、雪及風力4級以上，相對濕度75%以上，環境溫度低于0℃，都不能進行器身檢查。而油務處理雖然沒有明確環境溫度條件，但是低氣溫條件下進行油務處理時，由于溫度損失很快，絕緣油很難被加熱至真空濾油濾油機工作條件所要求的出口油溫值（65±5℃）[7-8]，此時濾油機將維持在低性能下工作，特別是脫氣、脫水能力將會顯著下降。受之影響，絕緣油的循環過濾次數、過濾時間需大大增加；并且在長期低溫環境下，工人由于需要穿著厚重的保溫服，從而加大了現場作業的難度，對工期也會有影響。故需對主變壓器的安裝制定針對性的加熱保溫方案[9-10]，以滿足安裝要求并提高工人工作環境，確保在高寒地帶主變壓器安裝的正常進行。

1 不同保溫措施的對比

由于本文提出的充氣柱式保溫房和酚醛泡沫保溫房在主變壓器的安裝過程中各有利弊，因此本節先將二者從保溫效果、經濟性等方面進行對比，得到適合現場作業的最佳方案。

1.1 不同保溫措施保溫效果的對比

1.1.1 充氣柱式保溫房的傳熱計算

充氣柱式保溫房的相關參數列于表1中。

表1 充氣柱式保溫房的相關參數

設定室外溫度為Tw=-24℃，設室內溫度為Tn，通過計算，即可求出室內最大加熱溫度與加熱功率的關系。具體計算過程如下：

通過墻面和屋頂的散熱量為：

式中：K為傳熱系數，A為傳熱面積，ΔT=Tn-Tw。

由于所用帳篷尺寸較小，地面無法按照四級地帶處理，故全部采用第一地帶的傳熱系數，則通過地面的散熱量為：

總散熱量Qs為：

因此，需要提供的總功率Q為：

則可計算出室內最大加熱溫度和加熱功率的關系如表2所示。

表2 充氣柱式保溫房不同室內外溫差下加熱功率的理論值

1.1.2 酚醛泡沫保溫房的傳熱計算

保溫房計算理論與充氣帳篷基本相同，只是在計算墻體和屋頂的傳熱系數K時有所差異，由于缺少經驗范圍，故通過附加實驗測定，具體步驟如下：

保溫房內部尺寸100 cm×60 cm×60 cm，外部尺寸 120 cm×80 cm×70 cm，加熱穩定后室內溫度為tn=46.8℃，外界空氣溫度為tw=17.1℃，保溫房內、外壁溫度分別為tnw=39℃和tww=19℃。

在穩定傳熱的情況下，取保溫材料導熱系數為 0.091 W/（m2·K）。則墻面和屋頂的總傳熱系數K為：

式中：an和aw分別為內外空氣與墻壁的對流換熱系數；δi為墻壁厚度；λi為墻壁材料的導熱系數。

保溫房的相關參數如表3所示。

表3 酚醛泡沫保溫房的相關參數

通過墻面和屋頂的散熱量為：

地面仍簡化為第一地帶進行處理，則通過地面的散熱量為：

總散熱量為：

因此，需要提供的總功率為：

同理，保溫房不同室內溫度的加熱功率的理論值如表4所示。

表4 酚醛泡沫保溫方不同室內外溫差下加熱功率的理論值

通過對比表3和表4，我們可以發現，當需要達到同樣的室內溫度時，充氣柱式保溫房需要的加熱功率大于酚醛泡沫保溫房需要的加熱功率。換句話說，酚醛泡沫保溫房的保溫效果比充氣柱式保溫房的保溫效果好。

1.2 不同保溫措施經濟性對比

在同樣工作量下，計及購置費用、維護費用、人工及機械費用后，單臺充氣柱式保溫房的價格為7.78萬元人民幣，而單臺酚醛泡沫保溫房的價格為35.26萬元人民幣，兩者金額相差甚大。可以得到結論，充氣柱式保溫房比酚醛泡沫保溫房更經濟。

1.3 不同保溫措施性能綜合對比

在綜合考慮了保溫效果和經濟性兩方面之后，可以得到結論：

（1）充氣柱式保溫房雖然保溫效果略差于酚醛泡沫保溫房，但其在安裝周期、移動拆卸、人身安全、設備安全、安裝時受外界影響及可重復利用等方面明顯優于酚醛泡沫保溫房。

（2）保溫帳篷具有明顯的經濟效益優勢，便于現場實施，完全符合特高壓項目工期緊、任務重的施工特點。

因此，現場根據實際需要，為確保主變和高抗的冬季施工效果，決定采用充氣柱式保溫房方案（保溫方案使用時間為主變鐵件安裝完成后，套管及芯檢前至主變局放及耐壓試驗前）。

2 充氣柱式保溫房設計

2.1 整體框架

提出的保溫房整體框架采用的是氣柱框體結構，通過氣柱支撐出整個保溫房，其中包括主體充氣骨架、外蓬布、內蓬布、自動補氣系統、電動充氣氣泵配件等組成。氣柱框架具體尺寸根據現場實際情況（被裝變壓器或高抗器外形尺寸和基礎、油池等尺寸）確定。氣柱為圓柱，整體貫通。頂部采用斜面布置，高面氣柱需躲過油枕，低面氣柱需躲過油管高。頂部避開套管增設#型氣柱，增加頂面帆布強度。頂部氣柱與側面氣柱考慮隔離，分開充氣。保溫房整體運輸可折疊運輸。未使用情況下，氣柱不充氣，到現場后充氣組立，整體吊裝就位。充氣柱式保溫房整體結構如圖1所示。

2.2 覆蓋材料

氣柱內外側采用帳篷帆布內外覆蓋，依托氣柱支撐。外層帆布采用防水帆布，能有效保證帳篷防雪防水功能，還需具有耐磨功能，外部帆布為一個整體結構，形狀與充氣狀態氣柱大小一致，直接整體罩于氣柱外側。內層帆布采用保溫加厚的軟質帆布，減少內層熱量散失，兩帆布間形成一個由空氣組成的隔熱層，可減少空氣對流，確保保溫效果。同樣為一個整體結構，緊靠氣柱內側，與氣柱固定，形成一個整體。

圖1 充氣柱式保溫房整體結構

2.3 頂部開孔尺寸

由于特高壓變壓器有很長的套管，故根據變壓器高中低套管升高座位置及具體尺寸，在頂部帆布加開相應大小孔洞，便于變壓器套管的吊裝，孔洞封閉可考慮采用拉鏈形式閉合。

3 充氣柱式保溫棚的制作

3.1 充氣帳篷結構

根據特高壓變壓器的實際尺寸，將充氣帳篷的規格設計為長12.5 m、寬10 m、高11.5 m，總七組主架，主架之間有連接，以達到力度均衡，如圖2、圖3所示。其中一頭設計開口可以進出設備使用。產品分為上部和下部氣室，用電動泵間斷供氣。產品上部有吊裝點，采用吊裝帶制作而成，足以承載其重量。上下部充氣使用電動泵性供氣。產品使用纖繩固定周圍或內部，達到抵抗外界環境能力。吊裝時用準備好的吊裝架。

3.2 帳篷材料

主體充氣骨架材料：1100D，白色涂層建筑膜材（亞克力），內外單布材料采用400 g藍色PVC涂層夾網布。

3.3 技術參數

主要技術參數為：

（1）工作時抗風等級：抗風8級（纖繩、配重等滿足使用要求）。

（2）適溫范圍：-20℃～+65℃。

（3）靜水壓：≥16 kPa。

（4）充氣壓力： 10～15 kPa。

（5）充氣成型時間： 1～1.5 h。

圖2 充氣帳篷俯視圖

圖3 充氣帳篷正視圖

4 現場實施方案

4.1 保溫房的安裝

保溫房整體為頂部為圓弧的六面體，全部結構采用氣柱支撐。因起吊時頂部面積大，為控制保溫房整體變形量，確保保溫房在起吊過程能夠順利避開，生產時考慮在頂部氣柱端部位置設置8個吊點。采用8根長吊帶分別固定8個點，均衡保溫房氣柱框架整體受力，有效減小保溫房變形。因保溫房頂部為不規則結構，考慮現場吊帶長度的不可控制，考慮在低立柱側吊帶上增加鏈條葫蘆，可調節吊帶長度，確保保溫房吊裝時整體穩定性。現場具體吊裝示意如圖4所示。

圖4 現場吊裝示意

4.2 保溫房的充氣與保持

保溫房氣柱采用密封柱體，運輸采用折疊方式。到現場后充氣使用。每次充氣后氣柱氣壓可以保持一定時間，使用過程中若發現氣壓不夠后可以增加氣壓。保溫房拆卸過程中需放氣，縮小體積，吊裝到位后重新充氣使用。頂部氣柱和側面立柱采用隔離，在使用過程前分別充氣，分階段充放氣便于吊裝。圖5為保溫房的吊裝后整體外觀。

圖5 保溫房整體外觀

4.3 保溫措施

搭建好后，即可應用傳熱模型計算環境溫度為-20℃時保溫房需要的加熱功率等參數，算出加熱所需功率后便可在房內不同位置放置相應功率的暖風機等加熱裝置，以保證達到需要的保溫效果。同時，在房內的多個位置設置溫度傳感器，并實時監測，確保環境溫度達到要求，以便主設備可以順利的安裝。

5 現場應用及效果

充氣柱式保溫房安裝結束后，利用溫度監測系統對保溫房保溫效果進行了驗證。

本次現場測溫方案由5臺溫度傳感器節點、一臺網關、一臺電腦組成。調試成功后，進入數據采集階段，分別包含了實時數據顯示以及歷史溫度曲線顯示。

由圖6歷史曲線可以看出，曲線的最低點是開始測溫時的溫度，安裝完成后，節點傳回的數據完整顯示溫度在整個濾油循環過程中的從正午到凌晨的變化情況，在3月22日至4月1日，外部環境溫度較低，保溫房內溫度明顯高于環境溫度，網關記錄了2次完整的濾油過程，在濾油過程中的溫度均在55～65℃之間，房內溫度維持在10℃左右，體現了保溫房的保溫作用。

圖6 組態軟件歷史溫度曲線

6 結論與建議

本文首先設計了在高寒條件下，可用于在特高壓主變壓器安裝過程中提供保溫的充氣柱式保溫房和酚醛泡沫保溫房，并通過對二者性能的對比，確定出充氣柱式保溫房更適合在安裝過程中為主變壓器提供保溫。并在此基礎上，對充氣柱式保溫房的結構尺寸進行了詳述和現場安裝調試。最后，對充氣柱式保溫房的實際應用效果進行了現場測試，測試結果符合現場安裝要求。

本文的研究成果為高寒地區特高壓主設備在安裝過程中保溫措施的選擇上提供了理論依據和技術支持。