變壓器室通風(fēng)狀況的實(shí)測(cè)研究

舒 愷，黃琰波，張紹志，李永存

（1.寧波市電力設(shè)計(jì)院，浙江 寧波 315020；2.浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，杭州 310027）

輸 配電

變壓器室通風(fēng)狀況的實(shí)測(cè)研究

舒 愷1，黃琰波1，張紹志2，李永存2

（1.寧波市電力設(shè)計(jì)院，浙江 寧波 315020；2.浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，杭州 310027）

通過對(duì)兩個(gè)運(yùn)行的變壓器室進(jìn)行15天以上的連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲得了室內(nèi)外溫度、油溫、運(yùn)行功率等數(shù)據(jù)。采用集中參數(shù)模型對(duì)這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到了變壓器室通風(fēng)阻力系數(shù)和變壓器散熱公式中的常數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)夏季極端環(huán)境條件下的變壓器油溫進(jìn)行了模擬。

變壓器室；通風(fēng)；油溫；散熱；實(shí)測(cè)；模擬

處于市區(qū)或近郊區(qū)的新建變電所或變電站，由于占地面積受到限制、需要考慮噪音對(duì)周邊的影響，往往采用全戶內(nèi)型布置，如何將變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的大量熱量通過通風(fēng)方式排出室外，保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是變電所設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。目前有關(guān)變壓器室通風(fēng)散熱的研究和資料不多，變壓器室設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為缺乏。本文對(duì)現(xiàn)有變壓器室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并運(yùn)用傳熱理論對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，得到現(xiàn)有變壓器室通風(fēng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 變壓器室的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

對(duì)位于寧波市的兩個(gè)變壓器室進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其中布政變的變壓器型號(hào)為 SZ9-40000 kVA/110 kV，空載損耗為36.3 kW，負(fù)載損耗148 kW，額定電流210/2199 A，變壓器散熱片的總散熱面積為388.8 m2。低塘變的變壓器型號(hào)為SZ10-40000 kVA/110 kV，空載損耗為33 kW，負(fù)載損耗148 kW，額定電流210/2 199 A，變壓器散熱片的總散熱面積為388.8 m2。溫度測(cè)量采用鉑電阻Pt100，信號(hào)接入Agilent數(shù)據(jù)采集儀表（采集單元34 970 A、采集卡34 901 A），數(shù)據(jù)記錄采用計(jì)算機(jī)，采集軟件用Datalogger。測(cè)試期間變壓器的油溫和運(yùn)行功率由變壓器室所在集控站的工作人員提供。布政變壓器室的測(cè)試時(shí)間為2009年9月4-21日，低塘變壓器室的測(cè)試時(shí)間為2009年9月23日-10月10日，測(cè)試時(shí)間均超過半個(gè)月。

2 理論模型

為描述換熱過程，建立了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的集中參數(shù)變壓器室換熱模型，并假設(shè)：

（1）變壓器本體的溫度是均勻一致的。

（2）變壓器本體的總熱容是固定值，不隨溫度變化。

（3）室內(nèi)空氣的自然對(duì)流是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的，空氣流量根據(jù)穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流的公式計(jì)算。

（4）通過變壓器室墻體向室外散熱為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

（5）變壓器的損耗都轉(zhuǎn)化為變壓器本體的溫度升高。

根據(jù)以上假設(shè)，建立描述變壓器室的傳熱方程組，其中方程（1）描述變壓器的能量平衡，方程（2）描述變壓器室內(nèi)空氣的能量平衡。

式中：n為變壓器主體主要材料種類；ρi為第i種材料的密度；Vi為第i種材料的體積；Cpi為第i種材料的比熱；T為變壓器的溫度；Q為變壓器的發(fā)熱量；α為變壓器與周圍空氣間的換熱系數(shù)；A為變壓器散熱面積；t為時(shí)間；z為變壓器室與周圍接觸墻面數(shù)目；Ta為變壓器室內(nèi)空氣溫度；ρa(bǔ)為室內(nèi)空氣密度；Va為變壓器室內(nèi)總的空氣體積；Cpa為室內(nèi)空氣比熱；為自然對(duì)流的空氣流量；Te為室外環(huán)境溫度；Ti為第i面墻體外側(cè)的空氣溫度；Ki為第i面墻體總的傳熱系數(shù)；Ai為第i面墻體的面積。

第i面墻體的熱平衡方程：

式中：αi、αo為室內(nèi)、室外側(cè)空氣對(duì)流換熱系數(shù)；δi為第i面墻體厚度；λwi為第i面墻體導(dǎo)熱系數(shù)；Mi為第i面墻體的質(zhì)量；Cwi為第i面墻體的比熱容。

變壓器的發(fā)熱量與負(fù)載大小有關(guān)，按下式計(jì)算[3]：

式中：Qb、Qr為空載損耗和負(fù)載損耗；I、Ie為變壓器運(yùn)行電流和額定電流。

變壓器本體與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)α采用形式[3]：

式中：c、x為常數(shù)，主要與變壓器散熱片結(jié)構(gòu)有關(guān)；ΔT為變壓器溫度與室內(nèi)空氣溫度的差值。

自然對(duì)流的空氣流量計(jì)算除考慮進(jìn)出風(fēng)口位置的阻力外，還考慮其它位置的流動(dòng)阻力。在進(jìn)出風(fēng)口，通過風(fēng)口的體積流量與風(fēng)口兩側(cè)壓力差的平方根成正比，即：

設(shè)克服其它位置流動(dòng)阻力的壓差為Δp0。處于室溫附近、1個(gè)大氣壓下的空氣可視作理想氣體，將空氣密度差用溫度表達(dá)式替代，則總驅(qū)動(dòng)壓差Δp為：

式中：φ=3 460 Pa·K/m；H為進(jìn)出風(fēng)口間距；ζ0為其余位置流動(dòng)阻力系數(shù)。

在穩(wěn)態(tài)假設(shè)下，進(jìn)風(fēng)質(zhì)量等于出風(fēng)質(zhì)量，聯(lián)立求解上述方程得出風(fēng)口處的內(nèi)外壓差：

將式（10）代入式（7）即可得到空氣流量。

3 擬合結(jié)果分析

兩個(gè)變壓器室的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)都持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算變壓器總放熱量，減去通過墻體的導(dǎo)熱量后得到自然通風(fēng)散熱量，進(jìn)而得到空氣流動(dòng)的實(shí)際阻力系數(shù)。編制Matlab計(jì)算程序后，根據(jù)布政變的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合得到其余位置流動(dòng)阻力系數(shù)ζ0為3.08；根據(jù)低塘變的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合得到其余位置流動(dòng)阻力系數(shù)ζ0為14.2。低塘變其余位置的流動(dòng)阻力系數(shù)要比布政變高很多，主要原因是低塘變的熱空氣流動(dòng)面積在高約10 m以上縮小了很多。另外，可以看出與進(jìn)出風(fēng)口處阻力相比，其它位置產(chǎn)生的流動(dòng)阻力是不小的，要根據(jù)變壓器室的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定。

布政變和低塘變的變壓器由同一廠家生產(chǎn)，散熱器的結(jié)構(gòu)完全一樣，公式（5）中的系數(shù)相同，在擬合得到ζ0后，綜合兩個(gè)變壓器室的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后可得到換熱系數(shù)α為0.122（ΔT）1.25。

在確定兩個(gè)變壓器室的特征數(shù)據(jù)后，根據(jù)寧波地區(qū)的氣象條件（夏季通風(fēng)溫度32℃、平均室外氣溫32℃）進(jìn)行了滿負(fù)荷以及部分負(fù)荷運(yùn)行的計(jì)算，初始油溫定為60℃，室內(nèi)空氣溫度37℃，墻體溫度34℃。圖1給出了布政變滿負(fù)荷運(yùn)行的曲線，最終油溫為86.9℃，圖2給出了布政變?cè)诓煌?fù)荷下的最終穩(wěn)定油溫曲線。圖3給出了低塘變滿負(fù)荷運(yùn)行的曲線，最終油溫為86.5℃，圖4給出了低塘變?cè)诓煌?fù)荷下的最終穩(wěn)定油溫曲線。以上油溫均為平均油溫，頂層油溫比平均油溫高15℃左右，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)兩個(gè)變壓器室的頂層油溫高于100℃。如果日平均氣溫達(dá)到35℃，則布政變滿負(fù)荷運(yùn)行平均油溫為90℃，低塘變滿負(fù)荷運(yùn)行平均油溫為89.6℃。

圖1 布政變滿負(fù)荷模擬

4 結(jié)語

通過對(duì)兩個(gè)變壓器室通風(fēng)狀況進(jìn)行的實(shí)地測(cè)量，結(jié)合傳熱數(shù)學(xué)模型對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了兩個(gè)變壓器室自然通風(fēng)的阻力系數(shù)，以及變壓器散熱器的換熱公式。這些基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)的獲取將為變壓器室的設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 布政變不同負(fù)荷下的油溫

圖3 低塘變滿負(fù)荷模擬

圖4 低塘變不同負(fù)荷下的油溫

[1]金立軍.變壓器室對(duì)流換熱的分析[J].電力建設(shè)，2000，43（8）:19-22.

[2]吳繆繆，周建華.全自然通風(fēng)室內(nèi)110 kV自冷式大型主變的噪聲及溫升[J].浙江電力，1999，21（5）：11-14.

[3]姚志松，姚磊.中小型變壓器實(shí)用全書[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]陸亞俊.暖通空調(diào)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

（本文編輯：楊 勇）

Research on Field Measurement of Ventilation in Transformer Room

SHU Kai1，HUANG Yan-bo1，ZHANG Shao-zhi2，LI Yong-cun2
（1.Ningbo Electric Power Design Institute,Ningbo Zhejiang 315020，China；2.Refrigeration and Cryogenic Engineering Institute,Zhejiang University,Hangzhou 310027，China）

Continuous monitoring for two transformer rooms in operation was conducted for over fifteen days. The environmental and room temperatures,transformer oil temperature and operational power were recorded. Through the simulation of the field data with a lumped-parameter model,the friction coefficient of ventilation and the constants of the formula for the transformer radiator were obtained.On that basis,simulations were carried outfor the transformer oiltemperature under extreme summer conditions.

transformer room；ventilation；oiltemperature；heatdissipation；actualmeasurement；simulation

TU834.3+3

：A

：1007-1881（2010）12-0001-03

2010-03-10

舒 愷（1973-），男，浙江寧波人，工程師，從事輸電工程土建、建筑暖通設(shè)計(jì)及研究。