變電站電容室水冷空壓通風(fēng)降溫裝置研究

摘 要：為了改善變電站戶內(nèi)電容組的運(yùn)行環(huán)境，提高電容室的通風(fēng)降溫效率，以半導(dǎo)體制冷結(jié)合冷卻水循環(huán)的熱交換為核心原理，設(shè)計(jì)出電容室水冷空壓通風(fēng)降溫裝置，增加了內(nèi)外循環(huán)切換和喇叭口導(dǎo)流組件，組裝后與原風(fēng)冷直排進(jìn)行效果對(duì)比驗(yàn)證，證實(shí)裝置能高效制冷，節(jié)能減排，取得了預(yù)期效果，設(shè)備發(fā)熱缺陷的自燃風(fēng)險(xiǎn)得到預(yù)控。

關(guān)鍵詞：電容室;降溫裝置;水冷;空壓

中圖分類號(hào)：TM72" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）04-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.016

0" " 引言

電容器及電抗器是變電站中發(fā)熱較高的設(shè)備，產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致室溫大幅升高，但風(fēng)機(jī)對(duì)電容器室降溫效果有限，夏季時(shí)室溫gt;50 ℃，存在人身中暑風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備發(fā)熱點(diǎn)溫度持續(xù)上升還會(huì)造成設(shè)備缺陷[1]，嚴(yán)重時(shí)達(dá)到燃點(diǎn)發(fā)生自燃，對(duì)設(shè)備和人身安全都有著較大的危害[2]。因此，設(shè)計(jì)了一種電容器室水冷空壓通風(fēng)降溫裝置，通過(guò)對(duì)進(jìn)氣口進(jìn)行改造，增加冷空氣流入電容室進(jìn)行循環(huán)，有效降低了電容室溫度，減少了電容室因溫度過(guò)高造成的人身和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

1" " 降溫裝置模型

不同絕緣等級(jí)的材料其絕緣等級(jí)溫度也不同，具體如表1所示[2]。絕緣材料的壽命隨著溫度升高呈指數(shù)型下降，以F級(jí)材料為例，當(dāng)高出最高溫度時(shí)，溫度每升高12 ℃絕緣壽命會(huì)縮短一半[3]。電抗器在高于最高溫度時(shí)，擊穿自燃的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。故通過(guò)降低電容室的溫度從而降低電容器及電抗器的溫度十分必要。

電容室水冷空壓通風(fēng)降溫裝置由帶4臺(tái)蒸發(fā)器的冷卻窗、30 L水箱、10組共670 W半導(dǎo)體制冷片、內(nèi)外循環(huán)切換器等組成，裝置正視圖如圖1所示。

如圖2所示，裝置主體由冷卻窗和外機(jī)兩個(gè)部分組成，其中冷卻窗配備4臺(tái)蒸發(fā)器、內(nèi)側(cè)普通百葉窗、外側(cè)電動(dòng)百葉窗、中間切換內(nèi)外循環(huán)百葉窗、防塵網(wǎng)、喇叭口等。裝置外機(jī)配置有水泵、容量為30 L的水箱，在水箱表面貼有10組共670 W的半導(dǎo)體制冷片。冷卻窗和外機(jī)通過(guò)冷水管和熱水管連接，冷卻窗嵌入墻體中替代原有普通百葉窗，外機(jī)裝設(shè)于電容室門(mén)外。

2" " 降溫裝置特點(diǎn)

1）環(huán)保無(wú)污染：本裝置組件包括蒸發(fā)器、百葉窗、防塵網(wǎng)、水泵、半導(dǎo)體制冷片、水箱、喇叭型導(dǎo)流片，主要組成部分為金屬構(gòu)件，采用冷卻水為介質(zhì)，均為無(wú)害可回收使用的材料，環(huán)保無(wú)污染。

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：使用半導(dǎo)體制冷片配合冷卻水箱經(jīng)冷、熱水管和蒸發(fā)器連接，加上百葉窗的電動(dòng)調(diào)節(jié)適時(shí)進(jìn)行內(nèi)、外循環(huán)切換，對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行降溫處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作較為簡(jiǎn)易。

3）維護(hù)方便：本裝置配備可拆卸式防塵網(wǎng)紗，方便在積塵時(shí)進(jìn)行清洗更換，使進(jìn)氣口能時(shí)刻保持暢通。

4）降溫效果好：區(qū)別于傳統(tǒng)戶內(nèi)電容室功能單一的通風(fēng)口，本裝置具備內(nèi)、外循環(huán)切換功能，戶外氣溫低時(shí)，切換至外循環(huán)降溫效果好，且節(jié)能環(huán)保;戶外氣溫高時(shí)，切換至內(nèi)循環(huán)隔絕外部熱空氣，使用水冷蒸發(fā)器進(jìn)行內(nèi)部空氣降溫，過(guò)程快，效果明顯，能有效降低電容室內(nèi)的溫度。

5）占地面積小：本裝置由冷卻窗和外機(jī)組成，冷卻窗嵌入電容室原通風(fēng)口墻體中，不占據(jù)額外空間，外機(jī)與空調(diào)外機(jī)大小相當(dāng)，整套裝置占地面積小，安裝維護(hù)方便。

3" " 制冷工作原理

3.1" " 半導(dǎo)體制冷

與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，半導(dǎo)體制冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制冷速度快、控制靈活、形狀大小可變、排布靈活等優(yōu)點(diǎn)，符合裝置制冷的高效、可控性高的需求。

因?yàn)殡娮釉诎雽?dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量發(fā)散，半導(dǎo)體材料在電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。當(dāng)電流通過(guò)兩種不同的導(dǎo)電材料時(shí)，會(huì)在它們的接觸處產(chǎn)生熱量的吸收或釋放，此時(shí)熱量可以從一個(gè)材料中吸收，然后釋放到另一個(gè)材料中，從而實(shí)現(xiàn)制冷效果。

半導(dǎo)體制冷裝置包括多個(gè)熱電模塊，每個(gè)模塊由一對(duì)N型和P型半導(dǎo)體材料組成。當(dāng)電流通過(guò)這些模塊時(shí)，一側(cè)材料會(huì)吸收熱量，而另一側(cè)材料會(huì)釋放熱量。通過(guò)將多個(gè)模塊堆疊在一起，熱量可以從制冷目標(biāo)被吸收，并在另一側(cè)排出，從而降低目標(biāo)溫度。

半導(dǎo)體制冷裝置可以通過(guò)控制電流方向和大小來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。通過(guò)改變電流的方向，可以實(shí)現(xiàn)制冷或加熱;通過(guò)調(diào)整電流的大小，可以實(shí)現(xiàn)溫度的精確調(diào)節(jié)。

3.2" " 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器內(nèi)部的冷卻水通路采用銅管，銅管使用壽命長(zhǎng)且銅的導(dǎo)熱性能良好，在制冷領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是其他金屬管材無(wú)法比擬的。當(dāng)?shù)蜏氐睦淠后w通過(guò)蒸發(fā)器時(shí)，冷凝液體通過(guò)銅管能與外界空氣進(jìn)行熱量交換，冷凝液體氣化吸熱，達(dá)到流經(jīng)通風(fēng)口的空氣制冷進(jìn)而整體室內(nèi)降溫的效果。

3.3" " 切換內(nèi)外循環(huán)百葉窗

百葉窗能夠通過(guò)電動(dòng)開(kāi)合的方式控制切換。當(dāng)外界溫度過(guò)高時(shí)，外部切換百葉窗關(guān)閉，中間切換百葉窗開(kāi)啟，有效隔絕外界高溫空氣，裝置切換至內(nèi)循環(huán)模式，冷卻蒸發(fā)器工作對(duì)內(nèi)部空氣進(jìn)行降溫。當(dāng)外界溫度較低時(shí)，中間切換百葉窗關(guān)閉，外部切換百葉窗開(kāi)啟，使外界冷空氣參與電容室空氣循環(huán)，大大提高了降溫效率。

4" " 降溫裝置工作原理

裝置使用半導(dǎo)體制冷片貼于水箱表面，使用冷端對(duì)水箱中液體降溫，熱端為風(fēng)冷散熱。水泵將冷卻水輸送到蒸發(fā)器作為低溫冷凝液體與空氣進(jìn)行熱量交換，確保流入電容室為低溫氣體，在空氣循環(huán)中給電容室降溫。冷凝液體經(jīng)蒸發(fā)器吸收熱量，通過(guò)水泵做功循環(huán)至外機(jī)進(jìn)行降溫。

冷卻窗設(shè)計(jì)為內(nèi)外循環(huán)，利用撥片形式切換進(jìn)氣方式，氣溫高時(shí)采用內(nèi)循環(huán)模式，氣溫低時(shí)采用外循環(huán)模式，外循環(huán)加裝喇叭口設(shè)計(jì)百葉，在空氣流通時(shí)壓縮后釋放降溫，強(qiáng)排配合增強(qiáng)空氣流動(dòng)，能有效降低外部熱空氣的溫度。進(jìn)風(fēng)口配置可拆卸隔離網(wǎng)，方便定期清潔，保證空氣流通正常。

5" " 降溫裝置試驗(yàn)分析

5.1" " 兩種方式降溫對(duì)比

對(duì)變電站5個(gè)電容室投入該裝置，環(huán)境溫度為35 ℃，通風(fēng)15 min。分別采用直接通風(fēng)和水冷空壓裝置通風(fēng)降溫進(jìn)行對(duì)比分析，水冷空壓裝置通風(fēng)采用外循環(huán)模式，得到結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2分析可得，在電容投入數(shù)量不同時(shí)，電容室溫度相差較大：在沒(méi)有電容投入時(shí)，電容室室內(nèi)溫度接近環(huán)境溫度;當(dāng)有兩個(gè)電容投入時(shí)，室內(nèi)溫度達(dá)到50 ℃以上。

直接通風(fēng)情況下，室內(nèi)溫度降低不明顯，不能起到電容室降溫的作用。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)可得，在有電容投入時(shí)，水冷空壓降溫裝置效果較好，可以使室內(nèi)溫度降低8 ℃以上;在無(wú)電容投入時(shí)，裝置對(duì)電容室的降溫效果較差，降溫在3 ℃以下，如表3所示。

分析得出，兩種方法都很難將電容室溫度降至環(huán)境溫度以下。

通過(guò)圖3可知，室溫與降低溫度成正相關(guān)關(guān)系，電容室內(nèi)溫度越高，裝置降溫效果越好。

兩臺(tái)電容運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)溫度較高，存在人身風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。在此情況下該裝置有效降低電容室的溫度，能夠同時(shí)降低人員中暑或設(shè)備壽命縮短乃至擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)方式比較，本裝置能更有效地降低電容室室溫。

5.2" " 內(nèi)外循環(huán)降溫對(duì)比

對(duì)變電站5個(gè)電容室投入電容室水冷空壓降溫裝置，環(huán)境溫度為35 ℃，通風(fēng)15 min。采用水冷空壓裝置通風(fēng)降溫的內(nèi)循環(huán)模式和外循環(huán)模式進(jìn)行降溫，得到結(jié)果如表4所示。

對(duì)比內(nèi)外循環(huán)對(duì)電容室的降溫效果，氣溫為35 ℃時(shí)，由于環(huán)境溫度較高，采用內(nèi)循環(huán)模式降溫的效果比采用外循環(huán)模式好，降低的溫度更多。故在高溫環(huán)境下，應(yīng)該采用內(nèi)循環(huán)模式給電容室進(jìn)行通風(fēng)降溫。

6" " 結(jié)束語(yǔ)

利用半導(dǎo)體制冷片和蒸發(fā)器研制的變電站電容室水冷空壓通風(fēng)降溫裝置通過(guò)降低空氣循環(huán)中流入空氣的溫度，來(lái)降低電容室內(nèi)的溫度。根據(jù)環(huán)境溫度的不同設(shè)計(jì)了內(nèi)外循環(huán)兩種模式的轉(zhuǎn)換，根據(jù)實(shí)際情況可選擇使用內(nèi)循環(huán)或者外循環(huán)。根據(jù)試驗(yàn)，本裝置能夠有效降低電容室內(nèi)的溫度，達(dá)到降低人員中暑以及設(shè)備自燃、擊穿等風(fēng)險(xiǎn)的效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王敏，許躍宏，孫華美，等.風(fēng)電變流器用電容散熱型功率單元：CN203056824U[P].2013-07-10.

[2] 張科，原會(huì)靜，郭磊，等.河南電網(wǎng)干式空心電抗器運(yùn)行分析及建議[J].河南電力，2016（6）：18-22.

[3] 電氣絕緣 耐熱性和表示方法：GB/T 11021—2014[S].

收稿日期：2023-10-19

作者簡(jiǎn)介：許嘯林（1999—），男，湖北宜昌人，研究方向：變電站運(yùn)維。