500 kV地下变电站通风量问题分析及解决措施

李 迅，孙蒙蒙，周 宁

(国网上海市电力公司检修公司，上海 200043)

静安(世博)地下变电站(以下简称“静安站”是国内首座500 kV全地下变电站，站内设备种类繁多、发热量大，设备安全运行要求高。此类大型全地下变电站没有专门的通风空调系统设计规范，也缺乏相应的实践经验和专业运行维护。

现场数据采集表明：上海市夏季室外最高温度35℃时，静安站66 kV 1号主变4号电抗器室和35 kV 1号站用变室(以下简称“1号设备间和2号设备间”)温度在36 ℃左右。设备间内挂有温湿度计，一般挂在高1.5 m处，而设备间的高度是10 m，由于浮力的作用，高度方向的温度变化不可忽略。为了分析整个设备间不同维度的温度，采用计算流体力学(Computer Fluid Dynamics，简称CFD)的方法模拟实际的温度场。

1 设计温度值和实际温度值

静安站电抗器室、站用变室和接地变室是混合通风(自然进风、机械排风)的方式，处理过的新风由送风管道送至公共区域走廊。在负压的作用下，走廊新风由自然进风口引入以消除设备间余热，并维持压力稳定。

不同设备间设备的功能、发热量、运行方式、房间面积等都不相同，因此各房间温度的设定值也不相同。1号设备间夏季温度设计≤45 ℃、2号设备间夏季温度设计≤40 ℃[1]。

使用风速计对1号和2号设备间的进风口风速、温度、湿度进行了测量。66 kV 1号主变4号电抗器室的自然进风风速0.5 m/s，房间温度35.9℃；35 kV 1号站用变室的自然进风风速2.5 m/s，房间温度36.1℃。测量时为了减少误差，在同一个点测量3次，然后取3次测量结果平均值作为此设备间的进风速度。

选择这2个设备间进行分析，是因为：①它们代表静安站自然进风房间发热量最大、较典型的两种重要设备；②冷却方式不同，66 kV 1号主变4号电抗器的冷却方式是油—水—空气+空气，35 kV 1号站用变的冷却方式是油—空气；③房间温度高而风速差别很大，35 kV 1号站用变房间自然进风口处风速为2.5 m/s，66 kV 1号主变4号电抗器房间自然进风口处风速为0.5 m/s。

2 模型建立

2.1模拟软件介绍

CFD方法是模拟现实中流动现象的一种有效工具，是进行“三传”(传热、传质、动量传递)燃烧多相流和化学反应研究的核心和重要技术。CFD已经成为暖通空调领域不可或缺的工具。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国市场的占有率为60%，只要涉及流体、热传递及化学反应等工程问题，都可以用它来解算[2]。本文采用ANSYS Fluent15软件对静安站66 kV 1号主变4号电抗器室和35 kV 1号站用变室的温度场进行模拟。

2.2 数学模型

电抗器室和站用变室的室内均为三维紊流稳定流场，使用有限体积法建立离散方程，计算过程中采用计算精度高的二阶迎风格式，求解器采用SIMPLE算法，湍流模拟采用Realizable 模型，在近壁区域采用标准壁面函数法。采用Boussinesq假设来处理温差引起的浮生力项，空气密度为1.159 kg/m3。重力加速度方向与Z坐标轴相反，所以重力加速度g=-9.81 m/s2，Boussinesq的温度为31.5℃(实际测出)。

进风口采用Velocity-inlet，出风口采用Pressure-outle边界条件[3]，电抗器室的进风口风速为0.25 m/s，出口处压力为-0.123 Pa；站用变室的进风口风速为2.5 m/s；进风温度均为31.5℃，出风口的压力值为-32 Pa。

2.3 物理模型

为了简化物理模型，将电抗器简化成半径为1.6 m，高为4.4 m的圆柱体发热源；将站用变简化成长3 m、宽4.6 m、高4 m的长方体发热源。

进风口和排风口均为百叶风口，百叶风口的有限面积系数通常在0.6以上，结合实际情况静安变的百叶风口有效系数取0.75[4]。因此，模型中进风口和排风口面积要在实际尺寸的基础上乘以0.75的系数。66 kV 1号主变4号电抗器和35 kV1号站用变的几何模型如图1和图2所示。

图1 电抗器室几何模型图

图2 站用变室几何模型图

66 kV电抗器的冷却方式为油—水—空气+空气，总散热量是120 kW，7/8的散热由设备冷却系统来负担，1/8的散热由室内通风系统来负担，故此模型中电抗器的散热量为15 kW，热流密度为288 W/m2。站用变的冷却方式是油—空气，设备总散热量为15 kW，全部由通风系统负担；故此模型中站用变的散热量为15 kW，热流密度为201 W/m2。

3 数值模拟

3.1 监测点选取

设备间温度分布主要从设备安全运行所需要的温度及人员活动区域的承受温度两方面考虑。因此，分析对象为(X轴为房间长度；Y轴为房间宽度；Z轴为房间高度)电抗器室和站用变室。

电抗器室：①Z=2 m水平截面的温度分布；②X=4.25 m和Y=4.25 m竖直剖面的温度分布。

站用变室：①Z=2 m水平截面的温度分布；②X=2.7 m和Y=2.85 m竖直剖面的温度分布。

3.1.1 电气设备对温度的要求

参考《火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程》可知，电气设备对温度的要求是：电抗器室的排风温度不超过40℃，站用变室的排风温度不超过45℃[5]。

如果设备间排风温度过低，说明风量大，会导致换热不充分，造成能源浪费。如果温度过高，说明风量小，可能会产生以下后果。

(1)设备的热量不能及时散出去，将会使设备由于过热跳闸，甚至烧坏设备。

(2)影响产品的使用寿命，还会影响保护器性能的稳定性和动作的可靠性及计量的准确性。

(3)绝缘材料将会变脆老化，绝缘性能下降，甚至击穿。

(4)电接触两导体表面会剧烈氧化，接触电阻明显增加，造成导体及其附件温度升高，电接触的稳定性变差，容易造成电气故障。

3.1.2 人体对温度的要求

参考《35～220 kV地下变电站通风空调设计规范》可知，人员对温度的要求是：人员活动区域需满足温度在35～37℃[6]，即Z=2 m水平截面的温度为35～37℃。

(1) 温度低于35℃，换热不充分，造成能源浪费。

(2) 35～37℃时，人体可通过蒸发汗水散发热量进行“自我冷却”。

(3) 温度高于37℃，人体汗腺排汗已难以确保正常体温，再加上工作人员都穿全棉长袖工作服，佩戴安全帽，中暑的风险加大。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 电抗器室模拟结果分析

电抗器室Z=2 m水平截面的温度分布(此截面的温度需要满足人体对温度的要求)如图3所示。X=4.25 m竖直剖面的温度分布，Y=4.25 m竖直剖面的温度分布(这两个剖面是设备中心剖面，需要满足设备对温度的要求)如图4和图5所示。

图3 电抗器室Z=2 m截面温度分布云图

图4 电抗器室X=4.25 m处温度分布云图

图5 电抗器室Y=4.25 m处温度分布云图

从图3可以看出：电抗器表面温度最高，最高温度可达52℃左右，热量由电抗器向外扩散，热空气和自然进风口进入的冷空气对流换热，使得工作人员的活动区域内的温度为36～40℃。从图4、图5可以看出：随房间高度的增加温度增高，排风口处温度为46℃左右，设计时规定电抗器室温度低于40℃，因此不满足人员和设备对温度的要求。

3.2.2 站用变室实际模拟结果分析

站用变室Z=2 m水平截面的温度分布(此截面的温度需要满足人体对温度的要求)如图6所示。X=2.7 m竖直剖面的温度分布，Y=2.85 m竖直剖面的温度分布(这两个剖面是设备中心剖面，需要满足设备对温度的要求)如图7和图8所示。

图6 站用变室Z=2 m截面温度分布云图

图7 站用变室X=2.7 m处温度分布云图

图8 站用变室Y=2.85 m处温度分布云图

从图6可以看出：站用变表面温度最高，最高温度可达49℃左右，热量由站用变向外扩散，热空气和自然进风口进入的冷空气对流换热，使得工作人员的活动区域内的温度为33～39℃。从图7和图8可以看出：排风口处温度为45℃左右。模拟时室外最高温度是35℃，根据上海市气象参数统计知：上海市夏季室外最高温度35℃以上的天数一般在20天以上，当室外最高温度超过35℃时，站用变室排风温度将会超过45℃。站用变室排风温度要求是小于等于45℃，因此不满足设计要求。

对66 kV 1号主变4号电抗器室和35 kV 1号站用变室的模拟结果表明：两设备间的温度分布均不满足人体和设备对温度的要求。结合静安站10年间通风系统实际运行情况，把温度分布偏高，归结为通风量不足的问题。下面对静安站通风系统风量不足的原因进行分析并对所研究的两个设备间的通风系统进行检查和改进。

4 通风量不足原因分析及解决措施

4.1 通风量不足原因分析

查阅设计文件并结合10年间通风系统出现过的问题，把设备间通风量不足的原因归纳为以下几个方面。

(1)安装方面，设计与实际存在偏差。静安站通风系统在建设安装阶段，实际安装与设计有偏差，增加了整个系统的阻力。比如：2号继电保护室1号和2号空调机组应该按照图9安装，实际安装示意图如图10所示，无形中增加了一个90°转角，90°转角的局部阻力系数在整个通风系统中的占比不可忽略。

图9 空调机组设计安装示意图

图10 空调机组实际安装示意图

(3)风管破裂，有漏风现象。静安站初设采用的都是玻镁风管，玻镁风管两大主要缺点是：①连接部位容易开缝、脱落；②风机启动时，转角部位瞬时受力容易破损。长时间使用，漏风的可能性很大。运行10年间，出现过多处玻镁风管破裂、大块掉落，已经用镀锌铁皮风管替代多条通风管道，但是自然进风设备间的排风管道还是玻镁风管。目前，玻镁风管破裂情况如图11所示。

图11 玻镁风管现场照片

(4)风管内阀门关闭。排风机距离设备间距离较远，多处穿墙，穿墙前后都会安装防火风阀，在长时间运行过程中阀门容易出现卡涩。站用电停电维护时防火风阀失电关闭，恢复通电后，由于阀门卡涩执行机构扭矩不够，无法顺利打开阀门，风路被阻断。

(5)玻镁风管还有易起冷凝水的缺点，这又增加了阀门锈蚀的可能，进而增大风管内的阻力。

4.2 原因排查及解决措施

对静安站66 kV 1号主变4号电抗器室和35 kV 1号站用变室两设备间的通风系统进行一次排查，得出具体原因和解决措施如下。

(1)风管破裂。检查出66 kV 1号主变4号电抗器室通风系统风管存在两处破裂，都是拼接处的铝箔胶带老化脱落。检修人员用铝箔胶带把漏风处重新粘接后，测量设备间进风口风速为0.8 m/s；35 kV 1号站用变室通风系统风管存在一处破裂，也是拼接处的铝箔胶带老化脱落。漏风处重新粘接后，测量设备间进风口风速为2.7 m/s。

(2)风阀卡涩关闭。检查发现66 kV 1号主变4号电抗器室通风系统风管确实有一处风阀关闭了，待消防人员手动调整执行机构后开启阀门，再次测量设备间进风口风速为2.5 m/s；35 kV 1号站用变室风管内阀门开启正常。

5 结语

对静安站即将扩建的3号主变提出以下参考建议。

(1) 用一台风机替代同一设备间并联的2台风机。66 kV 1号主变3号和4号电抗器室排风机是两台型号相同、转速为1 450/960 r/min的轴流式风机并联运行。两台型号相同且转速相等的风机并联后，风量最高时是2台风机风量的90%左右，风压等于单台风机的压力[8]。当其中一台转速发生变化，就变成了2台型号相同转速不等的2台风机并联使用，此时风量等于较大一台风机的风量，风压不叠加，风量降为设计时的56%左右。静安站的通风系统365天都在运转，受外力影响风机转速很容易发生变化，此时2个设备间的风量都会大幅降低。

(2) 各专业设备布局合理。建安方面多方配合，合理布局，尽量把误差最小化。一旦投运，后期整改大部分需要先停电，操作复杂。

(3)镀锌铁皮风管替代玻镁风管。将玻镁风管的优缺点结合静安站10年运行情况，由专业人士做技术经济分析，决定玻镁风管采用与否。

(4)风阀的执行机构和防潮方面采取措施。风阀不能自动开启问题时有发生，而且很难立即发现。时间长了，不仅设备间由于空气不流通使温度升高，而且风管由于负压也会破损。

(5)常检查离心式风机的皮带。由于设备持续发热，风机365天都在运行，离心式风机故障大部分是皮带磨损、松动所引起，皮带松动会造成风机转速降低，进而风机压力指数级下降。