户内变电站热湿传递机理及气流组织分析

石慧，陈磊，孙应春，钱宇昊，李雨菲，史亚鑫

（1.国网江苏省电力有限公司扬州供电分公司，扬州 225001； 2.扬州浩辰电力设计有限公司，扬州 225001；3.华北电力大学（保定），保定 071003）

引言

随着电力技术的发展和进步，模块化、智能化无人值守变电站成为今后发展的趋势[1,2]。江苏省推广建设的110 kV模块化变电站设计方案，采用空调、通风系统控制电气设备运行环境[4]。然而，投入运行的110 kV模块化变电站中存在突出的热湿环境问题及通风、空调气流组织分布问题，当电气设备运行环境温度过高时，设备内部的热量无排出，会导致绝缘介质热老化[6-9]；当设备运行环境中湿度过高时，会在电气设备表面发生凝露现象，将导致绝缘电阻降低、金属构件腐蚀，从而造成绝缘击穿、电气元件烧毁、爆炸等事故[10-13]。

为有效解决110 kV模块化变电站中的热湿环境问题，首先应掌握其热湿环境问题产生原因及其热湿传递规律、分布特点和气流组织形式[14-16]。随着数值模拟软件的出现和发展，弥补了现场实测法的不足，克服了场地、时间和空间的限制，具有高度的灵活性，通过对物理参数的控制，便于开展方案比较，并达到实测中无法实现的理想条件，但同样也存在计算误差、精度有待提高的不足[17-19]。因此，针对现场实测法和数值模拟法的优缺点，并根据模块化变电站“小空间、强热源”的特点及高压输变电场所的特殊性，本文采用实测与数值模拟联合的方法。

模块化变电站热湿环境复杂由“三个空间，两个边界”构成，其室内热湿传递受电气设备损耗发热、电缆沟散湿、室外环境参数及设备壳体、围护结构热工参数等因素综合影响[20]。根据模块化变电站热湿环境的构成，相关的研究内容可以分为两类；第一类研究，聚焦于电气设备的本身，将设备所在的空间理想化，通过应用新技术和新材料，以实现设备内部良好的散热除湿效果，但忽略设备所在空间积热积湿状况的改善[21-23]；第二类研究，通常将设备发热和室外环境的极值情况作为边界条件，虽然满足了最不利情况，但忽略实际情况中设备发热和室外环境是一个动态变化的过程[24,25]。由此可见，现有的研究缺少从整体出发对模块化变电站热湿问题形成原因、热湿传递机理的深入分析。

事实上设备、室内和室外是不可孤立的，而是一个不密不可分的整体，因此，将室内、室外以及设备本身这三者进行综合性的研究。本文通过实测与数值模拟结合的研究方法，构建“设备电力负荷-设备温湿度-室内环境参数-室外气象参数”的数值分析模型，分析评价110 kV模块化变电站设计方案在实际运行中的热湿环境问题，得到核心电气设备与变电站内部环境热湿传递过程规律、温湿度分布特点及气流组织形式，为进一步深化110 kV模块化变电站设计方案，实现变电站安全、可靠、低碳、高效运行提供参考。

1 研究对象

研究对象为江苏省建成在运行的110 kV模块化变电站，夏季7～8月份高峰负载率为（35～45）%。电容器成套装置和主变压器作为核心电气设备损耗发热量大，其所在设备室内部热湿环境复杂[26]。电容器成套装置采用12台BAM11/√3-334-1RF型号电容器，外形尺寸（L*B*H）为440*180*462 mm，额定损耗0.138 kW；1台CKSC-10-200/0.318-5%型号铁芯电抗器，外形尺寸（L*B*H）为1 320*650*1 280 mm，额定损耗2.4 kW；电容器室内布置有2套电容器成套装置，东侧墙体中部为百叶窗进风口，顶部布置2台轴流排风机，型号为WEX-400D4-0.18，风量3 400 m3/h、静压80 Pa。主变压器型号为SZ-11-50000/110，外形尺寸（L*B*H）为6 990*3 240*5 340 mm，空载损耗为31.21 kW，负载损耗为174.59 kW，主变压器与散热器分开布置，主变压器布置于室内中部，主变压器室的北侧墙体下部设有百叶窗进风口，南侧墙体的上部布置2台轴流排风机，型号为WEX-550D4-0.55，风量6 900 m3/h、静压70 Pa[27,28]。

根据上述电容器室和主变压器室的特点，分别设计相应的室内环境参数实测方案，并结合实测数据结果对轴流排风机关闭和开启两种工况开展数值模拟。

2 现场实测

2.1 测试方案

夏季是用电高峰时期，同时也是室外高温、高湿时期，在电气设备高负荷运行和室外环境综合影响下，设备室内存在复杂的热、湿传递规律。因此，在7月15日～7月20日期间，分别对电容器室和主变压器室内热湿环境进行测试。

在带电运行状态的变电站中开展热湿环境测试，需要制定严格符合安全操作规范的测试方案，根据电气设备和设备室内实际情况和特点，合理选择热湿环境测试设备并确定测试设备安装方式及安装位置。测试参数主要有：温度、湿度、风速、热流量，在满足测试参数及测量精度的要求下，测试设备应具备良好的绝缘性和抗电磁干扰能力，外形便于携带使用和安装，对于长期布置的测试设备需具备独立供电功能（测试仪器详细参数见表1）；测试设备安装操作和方式应该符合变电站带电作业规范，安装位置的选择应满足测试参数的典型性、安装的可行性及安全实施标准和规范。电容器室和主变压器室测试方案具体情况如图1。

表1 测试仪器参数信息表

图1 测试点位示意图

综合电容器室和主变压器室现场电气设备实际安装情况及安全操作要求，依据图1测试点位示意图，测试位置有墙体表面、电气设备表面、防护围栏以及室内空间，测试点位分为固定长期测点和手持移动测点，测试点位在墙体表面和室内空间垂直高度1.3 m和2.3 m处分层开展测试，电气设备表面和防护围栏在垂直高度1.3 m处开展测试。此外，在上图中测试点位还有百叶窗中心和主变压器输油管处。

2.2 实测数据分析

1）室外环境与室内环境的作用规律

由于温度势差和湿度势差的存在，热量由室内向室外环境传递，湿度由室外向室内环境传递，当室外环境的温、湿度波动时，将影响室内环境温、湿度的变化。由图2温、湿度变化规律曲线图可知，7月15日～20日变电站室外环境温度波动范围为（25.0～39.5）℃，湿度波动范围为（37.0～100.0）%，温度高于35.0 ℃和湿度低于60.0 %的时段同时出现在每天9～15时；室内与室外环境温度最大时刻均出现在12时左右，但室内环境温度下明显降滞后于室外环境温度。室内外温度与湿度变化曲线呈相反趋势，室外内环境的温、湿度变化趋势大致相同，呈24 h规律性波动；电容器室和主变压器室内温、湿度变化范围接近，温度变化范围为（33.0～43.0）℃，湿度范围变化为（35.0～58.0）%；室内外日内最大温差为12.0 ℃、最大湿度差48.0 %，在0～9时和14～24时两个时段共有约19个小时，室内外温差大于5 ℃，湿度差大于20 %。因此，可以利用室内外存在的温度差，通过通风措施消除室内电气设备发热量，但应防止室外高湿度空气进入室内导致凝露现象。

图2 室外环境与室内环境温、湿度变化图

2）室内环境热湿相互作用规律

在分析室外与室内热、湿环境相互作用的基础上，分别对电容器室和主变压器室17日～18日的室内热、湿传递过程规律进行研究。通过图3可以得到，湿度变化规律呈正弦函数波动，温度变化规律呈余弦函数波动。两室温、湿度波动范围相似，低温高湿的时刻出现在每天5时，高温低湿时刻出现在12时，电容器室内测点处湿度变化范围为（42.0～55.0）%，温度变化范围为（34.0～41.0）℃，日内最大温差为4.8 ℃，最大湿度差为12.5 %；主变压器室内测点处湿度变化范围为（38.0～57.0）%，温度变化范围为（32.0～43.0）℃，日内最大温差为4.7 ℃，最大湿度差为12.1 %；然而，与17日相比18日电容器室内温度降低2 ℃左右湿度升高3 %左右，主变压器室内的温度降低5 ℃左右湿度升高8 %左右，高温低湿时刻向后推移并且温度差和湿度差减小，其中主变压器室内向后推移情况更为明显。此外，结合凝露原理和查阅焓湿图，发现在对应温、湿度范围下，设备室内发生结露的露点温度在（23.0～26.0）℃，且17日较18日露点温度高（1～2）℃。所以在开展散热和通风设计时应注意控制室内温度高于露点温度，避免电气设备发生凝露现象。

图3 室内温、湿度变化图

3）设备运行负荷对室内温度变化的影响

从图4中可以得到电容器设备损耗发热量波动周期与室内温度波动周期并不一致，损耗发热量波动周期位48 h，电容器设备测点处热流量变化范围为（-5.0～41.8）W/m2，热流量值高于40.0 W/m2的时段出现在17日12～20时，热流量值低于-4.0 W/m2的时段出现在18日12～20时；从17日12～13时，热流量维持在42.0 W/m2左右，然而室外温度降低12.0 ℃室内温度仅降低1.0 ℃，从13～21时热流量维持稳定，在室内外温差下作用下，8个小时室内温度仅下降2.5 ℃；然而，从21～24时室外温度在26.0 ℃左右，当热流量下降30.3 W/m2，室内温度降低2.2 ℃；因此，电容器设备损耗发热是导致室内降温延迟的主要原因。从图4中可以得到主变压器设备损耗发热量波动周期与室内温度波动周期大致相同，周期为24 h，17日内主变压器设备测点处热流量变化范围为（3.3～24.8）W/m2，18日比17日热流量下降10.0 W/m2；17日9～12时室外温度在39.0 ℃左右，室内温度与热流量同时升高，热流量增加14.1 W/m2，同时室内温度升高2.4 ℃。此外，两室在平均10 ℃左右的室内外温差作用下，室内温度仅仅下降（1～2）℃，所以在该围护结构热工性能下，需要采用通风手段降低室内温度；通过分析发现电气设备损耗发热是影响室内温度的重要原因，因此掌握设备的损耗发热与室内温升规律，对于制定通风空调系统运行控制策略具有重要意义。

图4 耗发热量与室内温度变化图

3 数值模拟

3.1 数值模拟介绍

电气设备室几何模型如图5所示，电容器室几何尺寸为6 000 mm×5 000 mm×3 900 mm，主变压器室几何尺寸为10 000 mm×7 500 mm×7 500 mm，将百叶窗和轴流风机口等效简化为相同面积的风口。进行网格划分时，采用四面体网格，电气设备表面网格尺寸为60 mm，百叶窗和轴流风机风口处网格尺寸为30 mm，围护结构表面尺寸为90 mm，结合模型几何特点，为提升网格质量和仿真结果可靠性，对局部区域进行网格加密，最终得到电容器室网格总数为200万，主变压器室网格总数为450万。为得到温度场、速度场和湿度场，在Fluent中采用Realizable k-e湍流模型、DO辐射模型以及组分输运模型。

3.2 数值模拟结果与实测数据校核

对比各测点实测数值和模拟数值，验证数值模拟结果的准确性。如图6所示，分别是电容器室和主变压器室的温、湿度实测数值与模拟数值对比，可见各测试点位的实测数值与模拟数值相接近，温度的实测值与模拟值误差在1.5 ℃以内，湿度的实测值与模拟值的误差基本在2.5 %以内，该模型可以较真实的反映自然通风形式下电容器室和主变压器室内的温度和湿度分布情况。

图6 水平高度1.3 m处温、湿度实测值与模拟值对比

3.3 数值模拟结果分析

从图7中可以看出，在自然通风形式下电容器室内温度范围为（41.0～49.6）℃，湿度范围为（35.0～46.0）%，空间内存在明显的温度分层现象，垂直1.3m及以下空间平均温度为41.0 ℃，垂直（1.3～2.0）m中部空间平均温度为46.0 ℃，2.0 m及以上空间平均温度49.0 ℃，电抗器和电容器设备正上方空间为积热区域，最高温度为49.56 ℃，电气设备之间的通道及隔离开关架后面的空间温度较低，低于同一高度电气设备周围的温度（2～3）℃；空间内湿度在低温区域聚集，百叶窗入口处、通道及隔离开关架后面的空间区域湿度高于设备周围及设备上部空间（5～8）%；自然通风形式下形成上述温湿度分布情况，原因是通过百叶窗以自然通风形式进入室内的空气在与发热电气设备进行热量交换后温度不断升高，热空气上升从而形成明显的热羽流现象，造成电气设备上方和远离百叶窗的内部空间温度较高为积热区域，而四周温度较低的区域形成积湿区域。在开启轴流排风机后，室内温度范围为（41.0～46.5）℃，湿度范围为（40.0～50.0）%，与自然通风形式相比整体温度下降（2～3）℃；然而，室内湿度升高（4～5）%同时积湿区域增大。

图7 电容器室温度分布云图

图8 电容器室湿度分布云图

主变压器室内空间高大，从图9中可以看出，在自然通风形式下主变压器室内温度范围为（39.0～44.0）℃，湿度范围为（40.0～49.0）%，在热羽流现象影响下，主变压器设备上方空间温度较高，垂直1.3 m及以下空间平均温度为39.5 ℃，垂直（1.3～2.0）m中部空间平均温度为40.5 ℃，2.0 m及以上空间平均温度43.0 ℃，主变压器箱体四周的空间温度较低，低于上部空间温度（1～2）℃；由于室内温度梯度变化较小，室内湿度分布相对均匀，在设备四周墙体附近存在局部积湿区域，最大湿度为49.62 %。从图10中可以得到，在开启轴流排风机后，室内温度范围为（39.0～40.0）℃，湿度范围为（40.0～50.0）%，与自然通风形式相比整体温度下降（1～4）℃，开启轴流风机后室内温度明显降低，室内局部积湿区域面积增大，但湿度仅升高1.0 %且分布变化较小。

图9 主变压器室温度分布云图

图10 主变压器室湿度分布云图

电容器室和主变压器室内的空间及通风设计呈现对称分布，图11、图12分别为电容器室和主变压器室在自然通风与机械通风两种通风形式下气流组织分布，图中截面是以百叶窗中轴线为基准的速度场分布云图，丝带状和颗粒状流线表示空气及其携带的水蒸气通过百叶窗进入室内后的流动轨迹。电容器室和主变压器室的共同点是百叶窗布置均于电气设备前方，在自然通风形式下进入室内的空气流速较低，电容器室和主变压器室百叶窗入口处风速分别为0.20 m/s和0.21 m/s，在流经设备附近时，由于空气与设备换热升温，从而热气流向上流动形成典型的热羽流现象，电容器和电抗器上方风速为0.37 m/s，主变压器上方风速为0.33 m/s；由于设备的阻挡和热羽流现象，电容器室的隔离开关架后方和主变压器室的设备主体周围存在流速低于0.05 m/s的气流死区。开启轴流排风机后，百叶窗进风口风速明显增大，电容器室百叶窗进风口处风速提高为1.58 m/s,电抗器周围流速提高为0.53 m/s，而电抗器周围流速下降为0.26 m/s，电抗器后部空间存在无气流区域，气流死区从隔离开关架后方扩展到电抗器，可见同侧下进上出的通风形式，造成进入室内的空气未经充分发展就被排风机快速排出，导致“气流短路”现象而不能给室内带来良好的通风散热效果。主变压器室轴流排风机位于主变压器后方墙体上部，百叶窗位于主变压器前方墙体下部，主变压器室百叶窗进风口处风速为2.14 m/s，主变压器周围风速约为1.7 m/s，与自然通风相比风速提高1.5 m/s，异侧下部自然进风上部机械排风的方式，可以使进入室内的空气充分流过设备进行换热，有效带走电气设备产生热量。

图11 电容器室气流组织分布图

图11 电容器室气流组织分布图

4 结论

本文针对电容器室和主变压器室在自然通风和机械通风两种形式下，利用实测数据分析了自然通风形式下室外环境与室内环境的作用规律、室内环境热湿相互作用规律和设备运行负荷对室内温度变化的影响。通过数值模拟得到了不同通风形式下室内整体温度分布、湿度分布和气流组织分布。研究发现：

1）室外环境与室内环境的温、湿度相互作用，整体温度与湿度变化趋势呈相反关系，室内外日内最大温差为12.0 ℃、最大湿度差48.0 %，电容器室和主变压器室温度变化范围为（33.0～43.0）℃，湿度范围变化为（35.0～58.0）%，在0～9时和14～24时两个时段共有约19个小时，室内外温差大于5 ℃，湿度差大于20 %；因此，可利用室内外温差通过通风手段降低室内温度。

2）电容器室中日内最大温差为4.8 ℃，最大湿度差为12.5 %，主变压器室中日内最大温差为4.7 ℃，最大湿度差为12.1 %，经计算得到设备室内发生结露的露点温度在（23.0～26.0）℃，由于17日比18日相比设备室内温度高（2～5）℃、湿度低（3～8）%，造成17日比18日露点温度高（1～2）℃；所以，开展散热和通风设计时宜控制室内温度高于露点温度在26 ℃以上，避免电气设备发生凝露现象。

3）电气设备损耗发热是导致室内降温延迟的主要原因，电容器设备损耗发热量波动以48 h为一个周期，范围为（-5.0～41.8）W/m2，主变压器设备损耗发热量波动以24 h为一个周期，范围为（3.3～24.8）W/m2，根据损耗发热量与室内外温度变化规律，宜将（26～35）℃作为室内温度控制阈值，因此，考虑启用通风空调系统的时段应为7～21时。

4）开启轴流排风机后，电容器室和主变压器室百叶窗风口处风速分别由自然通风形式下0.20 m/s、0.21 m/s升高至1.58 m/s、2.14 m/s，进风口处风速明显提高。开启轴流排风机后主变压器室内设备周围风速为由原来0.1 m/s提升至1.71 m/s，同时气流可以充分流过设备带走热量；然而，电容器室内出现“气流短路”现象，虽然风口附近风速提高，但由于气流快速排出而不能充分在室内发展，室内电抗器附近流速由0.37 m/s下降至0.26 m/s，同时气流死区由原来隔离开关架附近扩展到电抗器附近。因此，异侧下进上出的通风形式优于同侧下进上出的通风形式，可避免“气流短路”现象。