变压器室置换通风降温研究

高 骏，周 萌，郑松林

(1.国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210008；2.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

随着城市化和城市功能的不断提升，各种电压等级变电站越来越多地被设计成紧凑型户内或者地下变电站[1]。环境的封闭性和设计的局限性使得站内变压器的散热问题逐渐成为影响其安全性和可靠性的主要因素[2]。GB 1094.7—2008《油浸式电力变压器负载导则》指出，变压器绝缘实际工作温度范围为80～140 ℃时，变压器运行温度每升高6 K，老化率增加1倍，即其寿命减少一半[3]。因此，通过合理的通风降温方式把变压器在运行中由于正常损耗而产生的大量热量排出室外，维持良好的室内环境运行温度，是保证室内变电站正常工作的重要条件之一。

本文通过对越溪500 kV户内变电站变压器室通风降温方案进行优化研究，利用置换通风的设计原理，优化变压器室通风气流组织，提高通风换热效率的同时降低通风量及通风系统运行能耗。

1 工程概况

越溪500 kV变电站为全户内变电站，配电装置楼一层平面布置如图1所示，布置方案采用对称式布局，中心布置辅助办公生活区，主变室散热器区左右依次布置，气体绝缘配电装置(gas insulated switchgear, GIS)设备区紧邻主变室散热器区，无功设备区分居两翼。

图1 配电装置楼一层平面图

配电装置楼采用二层局部三层布置，平面轴线尺寸为125 m×37 m，变压器室层高为13.5 m，220 kV GIS室、电抗器及散热器室、电容器室层高设为7.5 m，500 kV GIS室层高为13.5 m，建筑面积为6 972 m2。

2 变压器室降温环境控制优化研究

2.1 常规变压器室设计升温分析

常规变压器室自然进风机械排风的通风剖面示意图如图2所示。当空气进入主变压器室内，在迎风面上由于空气流动受阻，速度降低，空气部分动能转变为静压，使得迎风面上的压力大于大气压，形成正压区。而变压器背面由于空气曲绕过程中形成空气稀薄现象，此处压力小于大气压形成负压区，导致变压器在X轴方向上产生涡流现象，使得新鲜空气无法与热量充分接触而排至室外，导致变压器本体局部 高温。

图2 主变室通风剖面图

2.2 变压器室常规通风降温方案CFD仿真模拟

本文对变压器室内环境进行计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真模拟分析。本工程选用4台1 000 MVA三相一体主变，单台变压器空载损耗为350 kW,负载损耗为1 440 kW，散热体带走80%的散热量，变压器本体散热量为360 kW。

模型的进口边界条件见表1所列，出口边界条件见表2所列。

表1 进口边界条件

表2 出口边界条件

在上述边界条件下求解数学模型，可以得到百叶窗下部送风轴流风机上部排风时变压器室的温度场和气流速度场的分布情况。图3为CFD模拟Y=2 m处变压器工作区温度场，从图中可以看出变压器室后部由于空气速度较快，与热量接触不充分，这个区域温度偏高。从图4立面图上来看，在变压器设备高度以下的空气温度基本满足设计要求，而变压器正上方的空气仍会超过45 ℃。

图3 CFD模拟Y=2 m处变压器工作区温度场

图4 CFD模拟Z=3 m处变压器工作区温度场

由上述分析可知，常规降温方案基本可以满足变压器室的环境运行要求，但由于运行时风机风速风量均不可调节，容易造成变压器室内局部温度超标，影响变压器设备安全稳定的运行。

2.3 变压器通风降温优化方向

提高进排风温差。由图5置换通风原理图可知，只需要保证分界层面为变压器顶部，工作区域温度tn维持在变压器允许运行温度即可，上部区域温度te略高并不会影响变压器的实际运行。

图5 置换通风原理图

根据典型热压作用时自然通风原理[4]，进排风温差的提高可以降低通风量，使得室内空气流速减小，让室外低温空气有机会充分与变压器热源接触，达到更好的换热效果；另外进排风温差的提高还直接影响变压器油温升高幅度，保证变压器的平稳运行。

风机变频设置。常规轴流风机由于自动化程度不足，无法根据电力负荷的变化、运行方式的调整和室外温度的变化而调整风量。采用变频风机，可以随着变压器散热量的变化而调整通风量，使得室内气流组织和室内环境温度均保持在一个稳定的状态。

2.4 变压器通风降温优化方案及CFD仿真模拟

本工程变压器室通风采用机械进风和自然排风的通风方式，引用置换通风的理念，针对主变压器室内部发热量较大的布置特点，提出可控弱气流通风的全新通风方式，利用物联网实现对室内环境的有效控制。物联网包含三个基本要素，搭载在物品上的传感器、用于传输和存储信息的网络系统、安装了应用软件的终端设备。传感器可以是温度传感器，也可以是其它能够用设备识别的信息载体；网络系统可以是有线网，也可以是无线网或各种总线及其综合系统；终端设备可以是PC，甚至是手机。利用物联网的这些特征，可以建立起包括变电站智能环境辅控系统、室内通风降温设备及室外环境的物联网，从而实现变压器室内环境控制系统的管控一体化。

变电站智能环境控制系统，通过采用“可控弱气流对流散热”技术对气流进行有效组织和精确控制，以自然对流与强制对流共同作用的复合换热过程对电气设备等热源体进行散热降温，优化气流的对流形态从而极大提升热交换的效率，自动控制调节气流量和对流的强度，使其与热源体发热量变化的动态特性相匹配。

在主变压器室的通风降温系统中主要体现在以下几个方面：

1)送风地点。利用主变压器室下方的通风沟道，引入下部温度较低的新鲜空气，调整机械送风的送风口位置，有效地将主变发热部位热源控制，避免造成整个室内环境温度的升高。

2)送风速度。为了维持主变压器室内的温度分层界面稳定在变压器的顶部，必须控制送风装置送风口速度，既要满足有效维持室内温度所需的合理通风量，又要保持室内空气处于稳定状态。

3)送风时机和送风量。室内设备发热量随电网负载的变化而变化，室外环境温度又随着季节的更替、昼夜变化而变化，可控弱气流通风借助于物联网控制系统，根据室内外环境温度变化，自动调整送风装置的送风量，实现满足设备运行环境温度的节能运行。

本文对变压器室内环境进行CFD仿真模拟分析。本工程选用4台1 000 MVA三相一体主变，单台变压器空载损耗为350 kW，负载损耗为1 440 kW，散热体带走80%的散热量，变压器本体散热量为360 kW。优化方案采用智能环境控制系统，利用置换通风的设计原理，减小送风速率，保证变压器设备高度以下运行环境低于45 ℃。通风系统选用4台智能通风机组，单台送风量为8 000 m3/h。由于目前厂家无法提出提出变压器油枕的位置、外形和散热量，故本文在进行CFD模拟时将变压器按整体模型考虑。

模型的进口边界条件见表3所列，出口边界条件见表4所列。

表3 进口边界条件

表4 出口边界条件

在上述边界条件下求解数学模型，可以得到智能环境控制系统下部送风、排风阀窗上部排风时变压器室的温度场和气流速度场的分布情况。图6、图7分别为变压器室内进排风设备布置图、房间立面的温度分布场。其中，主变压室的尺寸为10.0 m×23.5 m×14.0 m(宽×长×高)，变压器本体尺寸为4.5 m×13.08 m×8.5 m(宽×长×高)。从图7可知，相对于百叶窗自然进风轴流风机机械排风的通风方式来说，该平面通风降温效果有了极大的改善，除了靠近变压器表面和变压器室内最高处的空气温度超过45 ℃以外，其它区域温度都可以满足规范要 求[5]。相对于变压器室设备高度8.5 m以下高度来说，绝大部分区域温度保持在40 ℃。

图6 变压器室通风设备布置图

图7 CFD模拟Z=2 m处变压器工作区温度场

传统变压器室通风设计时，为了追求较高的换热效率而增大风机的通风量，风机无法根据实际环境情况和变压器运行情况调整风量，空气动能过大，迎风面压力增大，反而加剧变压器背面的涡流现象，降低通风换热效率。

与传统变压器室通风设计方案相比，优化后的方案取得了较好的降温效果，从图8的气流组织图上来看，室外冷空气通过智能通风机组由房间下部低速送入室内，与室内热源充分接触排至室外。从模拟结果看，调整变压器室通风设备的送排风方式及参数，更好得降低工作区的温度，达到了预期目标。

图8 CFD模拟Z=2 m处变压器工作区周围流场

3 结语

本文通过对变压器室常规通风降温方法缺陷分析，提出变压器室通风降温优化方案。在此基础上，结合越溪500 kV户内变电站实际工程，分别对变压器室常规通风降温方案和利用置换通风原理优化后的通风降温方案进行CFD模拟仿真分析，研究结果表明：通过调整变压器室通风设备的送排风方式及参数，能有效提高通风换热效率的同时降低通风量及通风系统运行能耗。