配電站智能化節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)

張 弛，傅曉飛，黃 玉，姜 蕓，陳筱平，韓浩江，王乃盾，許 敏，張思平

（1.國網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122；2.國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072；3.上海神潔環(huán)保科技發(fā)展有限公司，上海 201100）

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，配電站應(yīng)用不斷增多。配電站內(nèi)變壓器等設(shè)備在運行過程中會導(dǎo)致配電房內(nèi)氣溫上升，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，會引起變壓器損耗增加、運行效率下降。因此，配電房內(nèi)必須維持一定的溫濕度狀態(tài)，才能保證其中的設(shè)備能夠安全正常運行。一般要求配電站室內(nèi)溫度不超過40℃。由于配電柜及變壓器發(fā)熱量很大（一般為變壓器功率的1.26%～1.52%），在夏季各主配電室氣溫上升較高，導(dǎo)致設(shè)備的穩(wěn)定性下降，因此需要通風(fēng)降溫以保證機房內(nèi)的余熱能夠及時排除，以避免溫度超過允許值［1］。

1 配電站常用的散熱降溫方法

通常配電站內(nèi)采用的散熱降溫措施包括：安裝空調(diào)進(jìn)行降溫；采用排熱通風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)散熱等［2］。

1）采用空調(diào)通風(fēng)降溫效果比較好，但空調(diào)開放會消耗大量電能。

2）采用排熱通風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)散熱時，由于配電設(shè)備會受到陽光紫外線（波長為280～400nm）的影響，對配電設(shè)備會造成一定損傷，減少設(shè)備的使用壽命。同時，配電站內(nèi)的灰塵也會使設(shè)備發(fā)生缺陷和故障的概率增高。其次，在受到陽光照射時，由于熱輻射作用，使配電站內(nèi)溫度升高，需要更多的通風(fēng)來完成降溫工作。此外由于變壓器本體振動及其風(fēng)冷裝置振動產(chǎn)生的噪聲，會對外界環(huán)境造成一定的影響。

2 仿真模擬配電站內(nèi)溫度場

2.1 變配電站設(shè)備的散熱量

配電站內(nèi)設(shè)備表面溫度高于室內(nèi)環(huán)境溫度而產(chǎn)生的設(shè)備散熱，即設(shè)備表面溫度與環(huán)境（包括設(shè)備周圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與空氣）溫度的不同所產(chǎn)生的兩種不同散熱方式，主要包括兩個方面，一是由于設(shè)備表面溫度與室內(nèi)物體表面溫度的差異而產(chǎn)生的輻射傳熱（不考慮空氣中的輻射傳熱）；二是由于設(shè)備表面溫度與室內(nèi)空氣溫度的差異所引起的對流傳熱［3］。

2.1.1 輻射傳熱量

壁面溫度（開氏溫度）為Tw、環(huán)境溫度為Tf時，變壓器設(shè)備的輻射換熱量為：

式中：Ar為輻射表面積，m2；ε為表面發(fā)射率，普通鋼板表面發(fā)射率為0.820。

2.1.2 對流傳熱量

對流傳熱量的計算公式為：

2.2 模擬變配電站內(nèi)溫度場

本文采用有限元法FEM分析軟件ANSYS，對配電房內(nèi)輻射傳熱量和對流傳熱量的計算來分析配電房室內(nèi)溫度場，配電房室內(nèi)變壓器和高壓開關(guān)柜在運行時處于穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài)。通過對配電房內(nèi)輻射傳熱量和對流傳熱量的計算，確定配電房室內(nèi)穩(wěn)定熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本步驟包括建立有限元模型、施加載荷、求解和后處理［4］。

以上海某配電站為例，配電房長度為20m、寬度為10m、高度為3.5m。對溫度場的計算結(jié)果顯示在面積為20m×10m的配電房內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)機距地0.5m，加過濾網(wǎng)送入室內(nèi)，排風(fēng)機距離配電房頂部距離為0.5m，熱源之間距離8m×4m為最佳位置。

3 配電站發(fā)熱量估算

配電房內(nèi)設(shè)備運行時產(chǎn)生的熱量，即變壓器的總損耗P包括空載損耗P0和負(fù)載損耗Pe。空載損耗為常數(shù)，負(fù)載損耗等于負(fù)載率（低壓側(cè)電流I和低壓側(cè)額定電流Ie之比，或高壓側(cè)電流與高壓側(cè)額定電流之比）的平方乘以額定負(fù)載時的負(fù)載損耗Pe，即［2］

電纜的散熱量可由載流電纜的損耗求出，損耗功率以一年最熱季節(jié)中可能產(chǎn)生的最大損耗進(jìn)行計算。一條n芯電纜損耗功率的表達(dá)式為：

式中：Pr為損耗功率，W；I為一條電纜的計算負(fù)荷電流，A；r為電纜運行時平均溫度為50℃時電纜芯的電阻率（銅芯為0.019 3Ωmm2／m，鋁芯為0.031 6Ωmm2／m）；S為電纜芯截面，mm2。

由式（4）可以看出，配電站的發(fā)熱量是比較大的。配電房內(nèi)變壓器與開關(guān)柜的散熱方式主要包括輻射換熱和對流換熱。對流換熱包括自然對流和強制對流換熱。自然對流換熱主要發(fā)生在開關(guān)設(shè)備、變壓器與風(fēng)機不接觸的表面部分散熱，對流換熱主要發(fā)生在風(fēng)機輻射范圍內(nèi)的流體散熱。

4 對配電站的改造措施

4.1 使用微正壓通風(fēng)過濾裝置對配電房通風(fēng)降溫

選用K型、P型配電站作為試點進(jìn)行降溫方式改造。在K型配電站中使用微正壓通風(fēng)過濾裝置代替空調(diào)對配電房內(nèi)降溫，而在P型配電站中直接使用微正壓通風(fēng)過濾裝置進(jìn)行通風(fēng)降溫，而安裝位置可依據(jù)配電站內(nèi)溫度場分布情況進(jìn)行選擇。

此種降溫方式是使用風(fēng)機把室外自然風(fēng)經(jīng)過過濾裝置通到室內(nèi)，以降低室內(nèi)溫度。微正壓通風(fēng)過濾裝置的風(fēng)機控制箱，可根據(jù)所偵測到的室內(nèi)溫度智能改變風(fēng)速大小，以控制室內(nèi)溫度在適當(dāng)?shù)姆秶瑥亩ＷC室內(nèi)設(shè)備的正常安全運行。

4.2 使用太陽能板發(fā)電系統(tǒng)為風(fēng)機提供電能

在配電站房頂安裝太陽能板發(fā)電系統(tǒng)為風(fēng)機提供電能，與以前使用空調(diào)降溫方式相比，節(jié)約了大量電量。例如：一般配電房內(nèi)使用的是5匹中央空調(diào)，功率大約為12kW。在正常運行情況下，一天需要電量為12kW×24h＝288（kWh）。而使用太陽能電池板為風(fēng)機提供電能，一天可至少節(jié)約288kWh的電量，起到了節(jié)能效果。此太陽能電池板具有很好的儲電功能，可保證陰天下雨時風(fēng)機正常運作的使用電量。

4.3 微正壓通風(fēng)過濾裝置

微正壓通風(fēng)過濾裝置使封閉母線外殼內(nèi)部，產(chǎn)生一個略高于外部大氣壓的干燥氣壓差，迫使外界環(huán)境中的潮氣、灰塵、鹽霧等不能侵入封閉母線的外殼內(nèi)，而留在窗口除塵網(wǎng)上。這樣使風(fēng)機所得到是一種潔凈干燥的風(fēng)，使得配電房內(nèi)環(huán)境保持清潔干燥，避免灰塵等進(jìn)入配電房內(nèi)對設(shè)備造成損害。

4.4 配電房頂安裝雨水收集器

在配電房頂安裝雨水收集器，使設(shè)計收集的雨水流經(jīng)路線經(jīng)過窗口除塵網(wǎng)。在下雨時，雨水收集器會接收其所在面積的雨水，使其匯集在一起，在流經(jīng)窗口除塵網(wǎng)時，雨水沖刷除塵網(wǎng)達(dá)到清潔作用，不僅可減少清潔人員的工作量，而且為電力公司節(jié)省了人力成本。雨水收集器除塵流程圖如圖1所示。

圖1 雨水收集器除塵流程圖

5 開發(fā)一種防火保溫材料

針對上海變配電站的特點，開發(fā)了一種防火保溫材料。

5.1 防火保溫材料性能指標(biāo)

導(dǎo)熱系數(shù)：≤0.032W／（m·K）；耐酸性48h：無異常；耐堿性96h：無異常；耐鹽霧500h：無異常；耐老化1000h：合格。

5.2 防火保溫材料的作用［5］

變配電站安裝此防火保溫材料后，不僅可使配電房外墻保溫，而且可有效防止因太陽照射而導(dǎo)致的配電房內(nèi)溫度升高。同時，防火保溫材料對外界起到消除噪聲的作用。

6 結(jié)論

通過對配電站進(jìn)行溫度場模擬分析，形成了配電房的智能化節(jié)能通風(fēng)系統(tǒng)，制定了配電房的節(jié)能減排實施方案。

1）開發(fā)了微正壓通風(fēng)過濾裝置，可替代空調(diào)對配電房通風(fēng)降溫，并使用太陽能電池板為其提供電量，不僅節(jié)約了大量的電能，而且使得配電房內(nèi)能夠保持清潔。

2）開發(fā)的防火保溫材料不僅可有效防止因太陽照射而導(dǎo)致的配電房內(nèi)溫度升高，同時可起到減少噪聲污染等作用。

3）配電房頂安裝雨水收集器可有效清潔窗口除塵網(wǎng)，減少人員對配電站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)清潔的工作量，節(jié)省了人力成本。

［1］那愷.變配電室降溫方式簡述［J］.暖通空調(diào)HV＆AC，2010，40（4）：101－103.

［2］黃倫，武興民，張燕濤.風(fēng)冷式電力變壓器散熱計算的討論［J］.陜西電力，2007（1）：50－54.

［3］張楠，陳民鈾，孔維政.配電房溫度場分布模型與優(yōu)化設(shè)計研究［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，27（2），164－167.

［4］張耀華，李汛.地下箱式變電站內(nèi)通風(fēng)換熱的模擬計算［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006.33（7）：25－28.

［5］閻瑾瑜，馬先偉.保溫材料防火性［J］.廣州化工，2011，39（11）：27－29.