适用于特高压主变压器现场安装的充气柱式保温房设计与实施

刘 博，侯纪勇，阎国增

（国家电网有限公司交流建设分公司，北京 100052）

0 引言

高寒地区特高压变电站主变压器的施工对环境有着严格的要求[1-6]，雨、雪及风力4级以上，相对湿度75%以上，环境温度低于0℃，都不能进行器身检查。而油务处理虽然没有明确环境温度条件，但是低气温条件下进行油务处理时，由于温度损失很快，绝缘油很难被加热至真空滤油滤油机工作条件所要求的出口油温值（65±5℃）[7-8]，此时滤油机将维持在低性能下工作，特别是脱气、脱水能力将会显著下降。受之影响，绝缘油的循环过滤次数、过滤时间需大大增加；并且在长期低温环境下，工人由于需要穿着厚重的保温服，从而加大了现场作业的难度，对工期也会有影响。故需对主变压器的安装制定针对性的加热保温方案[9-10]，以满足安装要求并提高工人工作环境，确保在高寒地带主变压器安装的正常进行。

1 不同保温措施的对比

由于本文提出的充气柱式保温房和酚醛泡沫保温房在主变压器的安装过程中各有利弊，因此本节先将二者从保温效果、经济性等方面进行对比，得到适合现场作业的最佳方案。

1.1 不同保温措施保温效果的对比

1.1.1 充气柱式保温房的传热计算

充气柱式保温房的相关参数列于表1中。

表1 充气柱式保温房的相关参数

设定室外温度为Tw=-24℃，设室内温度为Tn，通过计算，即可求出室内最大加热温度与加热功率的关系。具体计算过程如下：

通过墙面和屋顶的散热量为：

式中：K为传热系数，A为传热面积，ΔT=Tn-Tw。

由于所用帐篷尺寸较小，地面无法按照四级地带处理，故全部采用第一地带的传热系数，则通过地面的散热量为：

总散热量Qs为：

因此，需要提供的总功率Q为：

则可计算出室内最大加热温度和加热功率的关系如表2所示。

表2 充气柱式保温房不同室内外温差下加热功率的理论值

1.1.2 酚醛泡沫保温房的传热计算

保温房计算理论与充气帐篷基本相同，只是在计算墙体和屋顶的传热系数K时有所差异，由于缺少经验范围，故通过附加实验测定，具体步骤如下：

保温房内部尺寸100 cm×60 cm×60 cm，外部尺寸 120 cm×80 cm×70 cm，加热稳定后室内温度为tn=46.8℃，外界空气温度为tw=17.1℃，保温房内、外壁温度分别为tnw=39℃和tww=19℃。

在稳定传热的情况下，取保温材料导热系数为 0.091 W/（m2·K）。则墙面和屋顶的总传热系数K为：

式中：an和aw分别为内外空气与墙壁的对流换热系数；δi为墙壁厚度；λi为墙壁材料的导热系数。

保温房的相关参数如表3所示。

表3 酚醛泡沫保温房的相关参数

通过墙面和屋顶的散热量为：

地面仍简化为第一地带进行处理，则通过地面的散热量为：

总散热量为：

因此，需要提供的总功率为：

同理，保温房不同室内温度的加热功率的理论值如表4所示。

表4 酚醛泡沫保温方不同室内外温差下加热功率的理论值

通过对比表3和表4，我们可以发现，当需要达到同样的室内温度时，充气柱式保温房需要的加热功率大于酚醛泡沫保温房需要的加热功率。换句话说，酚醛泡沫保温房的保温效果比充气柱式保温房的保温效果好。

1.2 不同保温措施经济性对比

在同样工作量下，计及购置费用、维护费用、人工及机械费用后，单台充气柱式保温房的价格为7.78万元人民币，而单台酚醛泡沫保温房的价格为35.26万元人民币，两者金额相差甚大。可以得到结论，充气柱式保温房比酚醛泡沫保温房更经济。

1.3 不同保温措施性能综合对比

在综合考虑了保温效果和经济性两方面之后，可以得到结论：

（1）充气柱式保温房虽然保温效果略差于酚醛泡沫保温房，但其在安装周期、移动拆卸、人身安全、设备安全、安装时受外界影响及可重复利用等方面明显优于酚醛泡沫保温房。

（2）保温帐篷具有明显的经济效益优势，便于现场实施，完全符合特高压项目工期紧、任务重的施工特点。

因此，现场根据实际需要，为确保主变和高抗的冬季施工效果，决定采用充气柱式保温房方案（保温方案使用时间为主变铁件安装完成后，套管及芯检前至主变局放及耐压试验前）。

2 充气柱式保温房设计

2.1 整体框架

提出的保温房整体框架采用的是气柱框体结构，通过气柱支撑出整个保温房，其中包括主体充气骨架、外蓬布、内蓬布、自动补气系统、电动充气气泵配件等组成。气柱框架具体尺寸根据现场实际情况（被装变压器或高抗器外形尺寸和基础、油池等尺寸）确定。气柱为圆柱，整体贯通。顶部采用斜面布置，高面气柱需躲过油枕，低面气柱需躲过油管高。顶部避开套管增设#型气柱，增加顶面帆布强度。顶部气柱与侧面气柱考虑隔离，分开充气。保温房整体运输可折叠运输。未使用情况下，气柱不充气，到现场后充气组立，整体吊装就位。充气柱式保温房整体结构如图1所示。

2.2 覆盖材料

气柱内外侧采用帐篷帆布内外覆盖，依托气柱支撑。外层帆布采用防水帆布，能有效保证帐篷防雪防水功能，还需具有耐磨功能，外部帆布为一个整体结构，形状与充气状态气柱大小一致，直接整体罩于气柱外侧。内层帆布采用保温加厚的软质帆布，减少内层热量散失，两帆布间形成一个由空气组成的隔热层，可减少空气对流，确保保温效果。同样为一个整体结构，紧靠气柱内侧，与气柱固定，形成一个整体。

图1 充气柱式保温房整体结构

2.3 顶部开孔尺寸

由于特高压变压器有很长的套管，故根据变压器高中低套管升高座位置及具体尺寸，在顶部帆布加开相应大小孔洞，便于变压器套管的吊装，孔洞封闭可考虑采用拉链形式闭合。

3 充气柱式保温棚的制作

3.1 充气帐篷结构

根据特高压变压器的实际尺寸，将充气帐篷的规格设计为长12.5 m、宽10 m、高11.5 m，总七组主架，主架之间有连接，以达到力度均衡，如图2、图3所示。其中一头设计开口可以进出设备使用。产品分为上部和下部气室，用电动泵间断供气。产品上部有吊装点，采用吊装带制作而成，足以承载其重量。上下部充气使用电动泵性供气。产品使用纤绳固定周围或内部，达到抵抗外界环境能力。吊装时用准备好的吊装架。

3.2 帐篷材料

主体充气骨架材料：1100D，白色涂层建筑膜材（亚克力），内外单布材料采用400 g蓝色PVC涂层夹网布。

3.3 技术参数

主要技术参数为：

（1）工作时抗风等级：抗风8级（纤绳、配重等满足使用要求）。

（2）适温范围：-20℃～+65℃。

（3）静水压：≥16 kPa。

（4）充气压力： 10～15 kPa。

（5）充气成型时间： 1～1.5 h。

图2 充气帐篷俯视图

图3 充气帐篷正视图

4 现场实施方案

4.1 保温房的安装

保温房整体为顶部为圆弧的六面体，全部结构采用气柱支撑。因起吊时顶部面积大，为控制保温房整体变形量，确保保温房在起吊过程能够顺利避开，生产时考虑在顶部气柱端部位置设置8个吊点。采用8根长吊带分别固定8个点，均衡保温房气柱框架整体受力，有效减小保温房变形。因保温房顶部为不规则结构，考虑现场吊带长度的不可控制，考虑在低立柱侧吊带上增加链条葫芦，可调节吊带长度，确保保温房吊装时整体稳定性。现场具体吊装示意如图4所示。

图4 现场吊装示意

4.2 保温房的充气与保持

保温房气柱采用密封柱体，运输采用折叠方式。到现场后充气使用。每次充气后气柱气压可以保持一定时间，使用过程中若发现气压不够后可以增加气压。保温房拆卸过程中需放气，缩小体积，吊装到位后重新充气使用。顶部气柱和侧面立柱采用隔离，在使用过程前分别充气，分阶段充放气便于吊装。图5为保温房的吊装后整体外观。

图5 保温房整体外观

4.3 保温措施

搭建好后，即可应用传热模型计算环境温度为-20℃时保温房需要的加热功率等参数，算出加热所需功率后便可在房内不同位置放置相应功率的暖风机等加热装置，以保证达到需要的保温效果。同时，在房内的多个位置设置温度传感器，并实时监测，确保环境温度达到要求，以便主设备可以顺利的安装。

5 现场应用及效果

充气柱式保温房安装结束后，利用温度监测系统对保温房保温效果进行了验证。

本次现场测温方案由5台温度传感器节点、一台网关、一台电脑组成。调试成功后，进入数据采集阶段，分别包含了实时数据显示以及历史温度曲线显示。

由图6历史曲线可以看出，曲线的最低点是开始测温时的温度，安装完成后，节点传回的数据完整显示温度在整个滤油循环过程中的从正午到凌晨的变化情况，在3月22日至4月1日，外部环境温度较低，保温房内温度明显高于环境温度，网关记录了2次完整的滤油过程，在滤油过程中的温度均在55～65℃之间，房内温度维持在10℃左右，体现了保温房的保温作用。

图6 组态软件历史温度曲线

6 结论与建议

本文首先设计了在高寒条件下，可用于在特高压主变压器安装过程中提供保温的充气柱式保温房和酚醛泡沫保温房，并通过对二者性能的对比，确定出充气柱式保温房更适合在安装过程中为主变压器提供保温。并在此基础上，对充气柱式保温房的结构尺寸进行了详述和现场安装调试。最后，对充气柱式保温房的实际应用效果进行了现场测试，测试结果符合现场安装要求。

本文的研究成果为高寒地区特高压主设备在安装过程中保温措施的选择上提供了理论依据和技术支持。