主變壓器室通風散熱系統設計及實現

李一寧

（河南省電力公司，鄭州 450000）

城市變電站的變壓器一般為室內布置方式，其換熱條件受制約較多。城市經濟的高速增長對電力的需求也越來越大，夏季高溫時顯得尤其明顯，大部分變壓器都在接近或超過滿負荷的情況下運行，因而夏季高溫時主變室的散熱冷卻問題已經成為影響變壓器出力和安全運行的一個嚴重因素。為防止溫度過高而影響變壓器出力及產生多種缺陷，電力運行部門已經積極采取一些措施，也開展了一系列的科學研究。莫文雄等著重分析主變室內通風不足的原因，并對主變室內的通風設計提出一些有價值的建議[1]；周劍等分析主變壓器低壓側套管升高座過熱問題并制定出相應的改造措施[2]；陳濤、李武興等通過對變壓器室內溫度的各項因素分析，提出了應對室內溫升和通風散熱的方法[3]，除此還有其他大量的同類研究都能解決特定的問題。但這些措施難以全面、有效的解決主變室散熱問題。金立軍采用對流換熱微分方程描述針對主變室導熱的特點，并通過計算和試驗結果分析，得出主變室散熱的一種優化設計[4]；舒愷、黃琰波等通過建立主變室換熱的微分方程，并通過現場采集的數據來擬合主變室通風阻力系數和變壓器散熱公式中的常數[5]，這些數據對主變室的合理設計提供直接的幫助。由此如何按照動力與流體力學進行設計以保證主變室合理的環境運行溫度是非常有必要的。其中采用何種通風方式并科學布置、合理選擇通風量，實現對變壓器散熱降溫的實時智能控制，是目前電網系統所需要解決的一項研究內容。

本文先介紹了應用主變室內空氣流動及傳熱理論模型，對主變室的通風降溫系統進行優化設計；接著將工程實現主變室及變壓器散熱通風和溫度智能實時控制系統。

1 通風降溫系統優化設計

變壓器運行過程中的發熱量主要由變壓器的鐵損與銅損組成。變壓器線圈和鐵心的熱量以油為介質,通過傳導和對流的方式傳至變壓器表面和散熱器,再與空氣進行熱交換把熱量帶走。本節在參考文獻[6]基礎上，依據空氣流動與傳熱理論模型得到描述艙內空氣流動和傳熱的質量、動量、能量方程，如式（1）所示。

式中，為速度矢量，T、ρ、P、μ分別為溫度、密度、壓力及運動粘度，k為導熱系數，Cρ為空氣比熱容，g為重力加速度，E為變壓器產生的熱量耗散的速率。邊界條件假定為所有壁面上分速度為零、不考慮垂直于紙面墻壁的導熱性能、變壓器表面溫度為Tb、進口處風溫Tj恒定且等于室外環境溫度、出進口處風溫Ts恒定且等于室內環境溫度、進口處風速的大小和方向已知。根據此模型，為進行數值研究，對主變室截取一個截面如圖1所示。

圖1 主變室剖面圖

本文采用平均努謝爾數作為主變室通風換熱能力強弱的指標。各項指標如式（2）所示。

當溫差一定時，換熱系數越高，對流換熱的熱流密度越大，溫度分布越均勻，其換熱的能力也越強。溫度熱負荷一定時，所需通風量也越小。

本文通過FLUENT 軟件采用交錯網格的SΙMPLE算法對模型進行數值模擬。依據公式（1）的指標，該通風降溫系統系統特設計如下： ①為提高有效通風面積，在進排風口處采用柵格加百葉窗罩蓋。而且在主變室下部，靠近地面約40cm 的墻體多開進氣窗口，增加進風口的面積；②為提高通風效率，進風口處于主變室下部，排風口處于主變室上部；③為增強變壓器的散熱效果，進風口與排風口之間的空氣對流路徑應經過變壓器；④風機采用水冷式風機類型。

2 主變室散熱通風及溫度智能控制系統的實現

室內變壓器的正常運行與室內溫度密切相關，而影響室內溫度的因素主要有變壓器運行發熱量、進風量、進風溫度、排風溫度等。為了保持室內溫度在設定溫度范圍內，單單依賴常規設計進行通風散熱滿足不了要求，而且室外環境溫度對散熱效果也有較大影響，針對該問題，通過對進風量、排風量、進風溫度、排風溫度、變壓器油溫、變壓器運行功率等參數的檢測，設計一個智能控制系統，實現主變室內溫度的實時控制。同時，風機采用變頻調速水冷式風機，實現運行過程的節能。

2.1 智能控制系統結構

智能控制系統的結構如圖2所示，在智能控制器的作用下，通過對實測溫度與設定值的偏差對主變室的通風量進行調節，保持主變室內溫度穩定在設定值上，使變壓器正常運行，避免超溫運行所帶來的壽命損失甚至故障。本文將采用遺傳模糊控制系統[7-8]對主變室溫度進行控制，模糊控制器的結構如圖3所示。之所以采用模糊控制，是因為該控制方法不需要知道控制對象的精確的數學模型，而且我們可以直接應用主變室內的各種控制經驗。溫度設定值可通過監控計算機進行設置。該系統能夠有效克服進風溫度、排風溫度、風速、變壓器運行負荷、變壓器油b 溫等因素對室溫的影響，使得變壓器運行在安全穩定的溫度范圍內。

圖2 智能控制系統的結構

圖3 模糊控制系統的結構

2.2 模糊控制算法

在遺傳模糊控制模糊控制系統中，其數據集和規則集的選擇直接決定著控制系統的性能。對于規則集，本文采用經驗規則。設主變室即時溫度、變壓器表面即時溫度為T、Tb，設定溫度為Ts、Tsb，則令e=(e1，e2)=(Ts—T，Tb—Tsb)、ec=de/dt。設模糊系統的輸入變量為多維變量(e、ec)，輸出變量為r=(r1，r2)，r1為控制進風風機的變頻器的可接收信號，r2為控制排風風機的的變頻器的可接收信號。

輸入輸出變量的模糊劃分如下所示。

在數據集一定的情況下，經典規則表示如下：

本文采用FGA 算法[9]來對經驗規則進行優化。

對于數據集，首先通過尺度變換將輸入變量變換為在區間[-10，10]范圍內的數值,輸出變量變換在區間[0，10]范圍內的數值。此時，要在算法解模糊階段對其反變換，以得到控制風機的變頻器的輸入信號。輸入變量、輸出變量的隸屬函數均采用三角形隸屬函數。ei、eci及ri的模糊度劃分分別如下：NB∈( -1 0,- 6)，NM∈( -7 ,- 2)，NS∈( -3 ,0)，ZO∈( -0.5,0.5)，PS∈(0,3)，PM∈ (2,7)，PB∈ (6,10)，Higher∈(8,10)，High∈ (6,9)，Medium∈(4,7)，Low∈ (1,5)，Lower∈ (0,2)偏移距離d取值為1.5。為實現快速優化，本文采用遺傳偏移調節算法來優化模糊控制器的隸屬函數[10]，以得到最優的控制性能。對于評價函數，本文將采用文獻[11]中的給出的適應度函數。

2.3 系統仿真及工程實踐分析

該工程所用的變壓器型號為 SZ9-40000kVA/ 110kV，其空載損耗約為 36.3kW，負載損耗約為148kW，額定電流為210A/2199A，有效散熱面積約為389m2。本文在對變壓器的發熱升溫原理的基礎上，建立如式（3）所示的主變室通風散熱模型

采用模糊控制系統后在LΙNUX 環境下通過C++建立GFS 控制系統，仿真分析后可以得到主變室的溫度曲線如圖4所示。經過系統建模及在Matlab下分析可以得知系統的增益裕度約為64.4dB，相角裕度約為97.7°，符合工程要求。

3 結論

通過對主變室空氣流動及傳熱理論模型的研究，設計出較為優化的通風降溫系統。對于該系統采用智能模糊系統進行控制，經過過變電站的實際運行可以得出：該控制系統具有一定的魯棒性。而 且通過技改前后的實測效果對比可知，該系統是有效的、可靠的。

圖4 主變室溫度仿真結果

然而，在模糊控制中尚未考慮模糊規則的冗余問題，下一步將對該問題做一定的研究，并建立更加優化的控制系統。

[1] 莫文雄,曾文斐.室內變電站主變通風散熱問題的分析及對策[J].廣東輸電與變電技術,2004(5):27-31.

[2] 周劍,楊月燦,余貴良.通風降溫措施在大型變壓器上的應用[J].華東電力,2009,37(10).

[3] 陳濤,李武興,梁向東,等.35kV 變壓器室通風系統選型與改造[J].供用電,2009,26(2).

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

[5] 舒愷,黃琰波,等.變壓器通風狀況的實測研究[J].浙江電力,2010(12):1-3.

[6] 吳群剛,梁新剛,等.方形空間通風換熱的氣流組織性能數值分析(J).航天醫學與醫學工程,2000,3(13).

[7] Mamdani E H,Assilian S.An experiment in linguistic sythesis with a fuzzy logic controller[J].Ιnternational Journal of Man-MachineStudies,1975: 1-13.

[8] Cordon O,Gomide F,Herrera F,Hoffmann F,Magdalen A L.Ten years of genetic fuzzy systems : current framework and new trends[J].Fuzzy Sets and Systems ,2004:5-31.

[9] 張博,張懷相.倒立擺控制系統的遺傳優化方法[J].杭州電子科技大學學報,2009,29(3):49-51.

[10] 張博,張懷相.倒立擺控制系統的遺傳優化方法[J].杭州電子科技大學學報,2009,29(5):129-132.

[11] 李孝安,張曉貴.基于遺傳算法的PΙD 控制參數尋優方法及應用[C].北京:中國自動化學會第十屆青年學術年會論文集,1994:304-307.