變壓器室置換通風降溫研究

高 駿，周 萌，鄭松林

(1.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008；2.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，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計成緊湊型戶內或者地下變電站[1]。環境的封閉性和設計的局限性使得站內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載導則》指出，變壓器絕緣實際工作溫度范圍為80～140 ℃時，變壓器運行溫度每升高6 K，老化率增加1倍，即其壽命減少一半[3]。因此，通過合理的通風降溫方式把變壓器在運行中由于正常損耗而產生的大量熱量排出室外，維持良好的室內環境運行溫度，是保證室內變電站正常工作的重要條件之一。

本文通過對越溪500 kV戶內變電站變壓器室通風降溫方案進行優化研究，利用置換通風的設計原理，優化變壓器室通風氣流組織，提高通風換熱效率的同時降低通風量及通風系統運行能耗。

1 工程概況

越溪500 kV變電站為全戶內變電站，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，主變室散熱器區左右依次布置，氣體絕緣配電裝置(gas insulated switchgear, GIS)設備區緊鄰主變室散熱器區，無功設備區分居兩翼。

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 變壓器室降溫環境控制優化研究

2.1 常規變壓器室設計升溫分析

常規變壓器室自然進風機械排風的通風剖面示意圖如圖2所示。當空氣進入主變壓器室內，在迎風面上由于空氣流動受阻，速度降低，空氣部分動能轉變為靜壓，使得迎風面上的壓力大于大氣壓，形成正壓區。而變壓器背面由于空氣曲繞過程中形成空氣稀薄現象，此處壓力小于大氣壓形成負壓區，導致變壓器在X軸方向上產生渦流現象，使得新鮮空氣無法與熱量充分接觸而排至室外，導致變壓器本體局部 高溫。

圖2 主變室通風剖面圖

2.2 變壓器室常規通風降溫方案CFD仿真模擬

本文對變壓器室內環境進行計算流體動力學(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。

模型的進口邊界條件見表1所列，出口邊界條件見表2所列。

表1 進口邊界條件

表2 出口邊界條件

在上述邊界條件下求解數學模型，可以得到百葉窗下部送風軸流風機上部排風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，這個區域溫度偏高。從圖4立面圖上來看，在變壓器設備高度以下的空氣溫度基本滿足設計要求，而變壓器正上方的空氣仍會超過45 ℃。

圖3 CFD模擬Y=2 m處變壓器工作區溫度場

圖4 CFD模擬Z=3 m處變壓器工作區溫度場

由上述分析可知，常規降溫方案基本可以滿足變壓器室的環境運行要求，但由于運行時風機風速風量均不可調節，容易造成變壓器室內局部溫度超標，影響變壓器設備安全穩定的運行。

2.3 變壓器通風降溫優化方向

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

圖5 置換通風原理圖

根據典型熱壓作用時自然通風原理[4]，進排風溫差的提高可以降低通風量，使得室內空氣流速減小，讓室外低溫空氣有機會充分與變壓器熱源接觸，達到更好的換熱效果；另外進排風溫差的提高還直接影響變壓器油溫升高幅度，保證變壓器的平穩運行。

風機變頻設置。常規軸流風機由于自動化程度不足，無法根據電力負荷的變化、運行方式的調整和室外溫度的變化而調整風量。采用變頻風機，可以隨著變壓器散熱量的變化而調整通風量，使得室內氣流組織和室內環境溫度均保持在一個穩定的狀態。

2.4 變壓器通風降溫優化方案及CFD仿真模擬

本工程變壓器室通風采用機械進風和自然排風的通風方式，引用置換通風的理念，針對主變壓器室內部發熱量較大的布置特點，提出可控弱氣流通風的全新通風方式，利用物聯網實現對室內環境的有效控制。物聯網包含三個基本要素，搭載在物品上的傳感器、用于傳輸和存儲信息的網絡系統、安裝了應用軟件的終端設備。傳感器可以是溫度傳感器，也可以是其它能夠用設備識別的信息載體；網絡系統可以是有線網，也可以是無線網或各種總線及其綜合系統；終端設備可以是PC，甚至是手機。利用物聯網的這些特征，可以建立起包括變電站智能環境輔控系統、室內通風降溫設備及室外環境的物聯網，從而實現變壓器室內環境控制系統的管控一體化。

變電站智能環境控制系統，通過采用“可控弱氣流對流散熱”技術對氣流進行有效組織和精確控制，以自然對流與強制對流共同作用的復合換熱過程對電氣設備等熱源體進行散熱降溫，優化氣流的對流形態從而極大提升熱交換的效率，自動控制調節氣流量和對流的強度，使其與熱源體發熱量變化的動態特性相匹配。

在主變壓器室的通風降溫系統中主要體現在以下幾個方面：

1)送風地點。利用主變壓器室下方的通風溝道，引入下部溫度較低的新鮮空氣，調整機械送風的送風口位置，有效地將主變發熱部位熱源控制，避免造成整個室內環境溫度的升高。

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

3)送風時機和送風量。室內設備發熱量隨電網負載的變化而變化，室外環境溫度又隨著季節的更替、晝夜變化而變化，可控弱氣流通風借助于物聯網控制系統，根據室內外環境溫度變化，自動調整送風裝置的送風量，實現滿足設備運行環境溫度的節能運行。

本文對變壓器室內環境進行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。優化方案采用智能環境控制系統，利用置換通風的設計原理，減小送風速率，保證變壓器設備高度以下運行環境低于45 ℃。通風系統選用4臺智能通風機組，單臺送風量為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，故本文在進行CFD模擬時將變壓器按整體模型考慮。

模型的進口邊界條件見表3所列，出口邊界條件見表4所列。

表3 進口邊界條件

表4 出口邊界條件

在上述邊界條件下求解數學模型，可以得到智能環境控制系統下部送風、排風閥窗上部排風時變壓器室的溫度場和氣流速度場的分布情況。圖6、圖7分別為變壓器室內進排風設備布置圖、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風軸流風機機械排風的通風方式來說，該平面通風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最高處的空氣溫度超過45 ℃以外，其它區域溫度都可以滿足規范要 求[5]。相對于變壓器室設備高度8.5 m以下高度來說，絕大部分區域溫度保持在40 ℃。

圖6 變壓器室通風設備布置圖

圖7 CFD模擬Z=2 m處變壓器工作區溫度場

傳統變壓器室通風設計時，為了追求較高的換熱效率而增大風機的通風量，風機無法根據實際環境情況和變壓器運行情況調整風量，空氣動能過大，迎風面壓力增大，反而加劇變壓器背面的渦流現象，降低通風換熱效率。

與傳統變壓器室通風設計方案相比，優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機組由房間下部低速送入室內，與室內熱源充分接觸排至室外。從模擬結果看，調整變壓器室通風設備的送排風方式及參數，更好得降低工作區的溫度，達到了預期目標。

圖8 CFD模擬Z=2 m處變壓器工作區周圍流場

3 結語

本文通過對變壓器室常規通風降溫方法缺陷分析，提出變壓器室通風降溫優化方案。在此基礎上，結合越溪500 kV戶內變電站實際工程，分別對變壓器室常規通風降溫方案和利用置換通風原理優化后的通風降溫方案進行CFD模擬仿真分析，研究結果表明：通過調整變壓器室通風設備的送排風方式及參數，能有效提高通風換熱效率的同時降低通風量及通風系統運行能耗。