變電站電容室水冷空壓通風降溫裝置研究

摘 要：為了改善變電站戶內電容組的運行環境，提高電容室的通風降溫效率，以半導體制冷結合冷卻水循環的熱交換為核心原理，設計出電容室水冷空壓通風降溫裝置，增加了內外循環切換和喇叭口導流組件，組裝后與原風冷直排進行效果對比驗證，證實裝置能高效制冷，節能減排，取得了預期效果，設備發熱缺陷的自燃風險得到預控。

關鍵詞：電容室;降溫裝置;水冷;空壓

中圖分類號：TM72" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.016

0" " 引言

電容器及電抗器是變電站中發熱較高的設備，產生的熱量會導致室溫大幅升高，但風機對電容器室降溫效果有限，夏季時室溫gt;50 ℃，存在人身中暑風險。設備發熱點溫度持續上升還會造成設備缺陷[1]，嚴重時達到燃點發生自燃，對設備和人身安全都有著較大的危害[2]。因此，設計了一種電容器室水冷空壓通風降溫裝置，通過對進氣口進行改造，增加冷空氣流入電容室進行循環，有效降低了電容室溫度，減少了電容室因溫度過高造成的人身和設備風險。

1" " 降溫裝置模型

不同絕緣等級的材料其絕緣等級溫度也不同，具體如表1所示[2]。絕緣材料的壽命隨著溫度升高呈指數型下降，以F級材料為例，當高出最高溫度時，溫度每升高12 ℃絕緣壽命會縮短一半[3]。電抗器在高于最高溫度時，擊穿自燃的風險會顯著增加。故通過降低電容室的溫度從而降低電容器及電抗器的溫度十分必要。

電容室水冷空壓通風降溫裝置由帶4臺蒸發器的冷卻窗、30 L水箱、10組共670 W半導體制冷片、內外循環切換器等組成，裝置正視圖如圖1所示。

如圖2所示，裝置主體由冷卻窗和外機兩個部分組成，其中冷卻窗配備4臺蒸發器、內側普通百葉窗、外側電動百葉窗、中間切換內外循環百葉窗、防塵網、喇叭口等。裝置外機配置有水泵、容量為30 L的水箱，在水箱表面貼有10組共670 W的半導體制冷片。冷卻窗和外機通過冷水管和熱水管連接，冷卻窗嵌入墻體中替代原有普通百葉窗，外機裝設于電容室門外。

2" " 降溫裝置特點

1）環保無污染：本裝置組件包括蒸發器、百葉窗、防塵網、水泵、半導體制冷片、水箱、喇叭型導流片，主要組成部分為金屬構件，采用冷卻水為介質，均為無害可回收使用的材料，環保無污染。

2）結構簡單：使用半導體制冷片配合冷卻水箱經冷、熱水管和蒸發器連接，加上百葉窗的電動調節適時進行內、外循環切換，對室內空氣進行降溫處理，結構簡單，制作較為簡易。

3）維護方便：本裝置配備可拆卸式防塵網紗，方便在積塵時進行清洗更換，使進氣口能時刻保持暢通。

4）降溫效果好：區別于傳統戶內電容室功能單一的通風口，本裝置具備內、外循環切換功能，戶外氣溫低時，切換至外循環降溫效果好，且節能環保;戶外氣溫高時，切換至內循環隔絕外部熱空氣，使用水冷蒸發器進行內部空氣降溫，過程快，效果明顯，能有效降低電容室內的溫度。

5）占地面積小：本裝置由冷卻窗和外機組成，冷卻窗嵌入電容室原通風口墻體中，不占據額外空間，外機與空調外機大小相當，整套裝置占地面積小，安裝維護方便。

3" " 制冷工作原理

3.1" " 半導體制冷

與傳統的制冷技術相比，半導體制冷具有結構簡單、制冷速度快、控制靈活、形狀大小可變、排布靈活等優點，符合裝置制冷的高效、可控性高的需求。

因為電子在半導體中運動時的能量發散，半導體材料在電流通過時會產生熱量。當電流通過兩種不同的導電材料時，會在它們的接觸處產生熱量的吸收或釋放，此時熱量可以從一個材料中吸收，然后釋放到另一個材料中，從而實現制冷效果。

半導體制冷裝置包括多個熱電模塊，每個模塊由一對N型和P型半導體材料組成。當電流通過這些模塊時，一側材料會吸收熱量，而另一側材料會釋放熱量。通過將多個模塊堆疊在一起，熱量可以從制冷目標被吸收，并在另一側排出，從而降低目標溫度。

半導體制冷裝置可以通過控制電流方向和大小來實現溫度控制。通過改變電流的方向，可以實現制冷或加熱;通過調整電流的大小，可以實現溫度的精確調節。

3.2" " 蒸發器

蒸發器內部的冷卻水通路采用銅管，銅管使用壽命長且銅的導熱性能良好，在制冷領域得到了廣泛應用，是其他金屬管材無法比擬的。當低溫的冷凝液體通過蒸發器時，冷凝液體通過銅管能與外界空氣進行熱量交換，冷凝液體氣化吸熱，達到流經通風口的空氣制冷進而整體室內降溫的效果。

3.3" " 切換內外循環百葉窗

百葉窗能夠通過電動開合的方式控制切換。當外界溫度過高時，外部切換百葉窗關閉，中間切換百葉窗開啟，有效隔絕外界高溫空氣，裝置切換至內循環模式，冷卻蒸發器工作對內部空氣進行降溫。當外界溫度較低時，中間切換百葉窗關閉，外部切換百葉窗開啟，使外界冷空氣參與電容室空氣循環，大大提高了降溫效率。

4" " 降溫裝置工作原理

裝置使用半導體制冷片貼于水箱表面，使用冷端對水箱中液體降溫，熱端為風冷散熱。水泵將冷卻水輸送到蒸發器作為低溫冷凝液體與空氣進行熱量交換，確保流入電容室為低溫氣體，在空氣循環中給電容室降溫。冷凝液體經蒸發器吸收熱量，通過水泵做功循環至外機進行降溫。

冷卻窗設計為內外循環，利用撥片形式切換進氣方式，氣溫高時采用內循環模式，氣溫低時采用外循環模式，外循環加裝喇叭口設計百葉，在空氣流通時壓縮后釋放降溫，強排配合增強空氣流動，能有效降低外部熱空氣的溫度。進風口配置可拆卸隔離網，方便定期清潔，保證空氣流通正常。

5" " 降溫裝置試驗分析

5.1" " 兩種方式降溫對比

對變電站5個電容室投入該裝置，環境溫度為35 ℃，通風15 min。分別采用直接通風和水冷空壓裝置通風降溫進行對比分析，水冷空壓裝置通風采用外循環模式，得到結果如表2所示。

通過表2分析可得，在電容投入數量不同時，電容室溫度相差較大：在沒有電容投入時，電容室室內溫度接近環境溫度;當有兩個電容投入時，室內溫度達到50 ℃以上。

直接通風情況下，室內溫度降低不明顯，不能起到電容室降溫的作用。根據實際試驗可得，在有電容投入時，水冷空壓降溫裝置效果較好，可以使室內溫度降低8 ℃以上;在無電容投入時，裝置對電容室的降溫效果較差，降溫在3 ℃以下，如表3所示。

分析得出，兩種方法都很難將電容室溫度降至環境溫度以下。

通過圖3可知，室溫與降低溫度成正相關關系，電容室內溫度越高，裝置降溫效果越好。

兩臺電容運行時，室內溫度較高，存在人身風險和設備風險。在此情況下該裝置有效降低電容室的溫度，能夠同時降低人員中暑或設備壽命縮短乃至擊穿的風險。與傳統方式比較，本裝置能更有效地降低電容室室溫。

5.2" " 內外循環降溫對比

對變電站5個電容室投入電容室水冷空壓降溫裝置，環境溫度為35 ℃，通風15 min。采用水冷空壓裝置通風降溫的內循環模式和外循環模式進行降溫，得到結果如表4所示。

對比內外循環對電容室的降溫效果，氣溫為35 ℃時，由于環境溫度較高，采用內循環模式降溫的效果比采用外循環模式好，降低的溫度更多。故在高溫環境下，應該采用內循環模式給電容室進行通風降溫。

6" " 結束語

利用半導體制冷片和蒸發器研制的變電站電容室水冷空壓通風降溫裝置通過降低空氣循環中流入空氣的溫度，來降低電容室內的溫度。根據環境溫度的不同設計了內外循環兩種模式的轉換，根據實際情況可選擇使用內循環或者外循環。根據試驗，本裝置能夠有效降低電容室內的溫度，達到降低人員中暑以及設備自燃、擊穿等風險的效果。

[參考文獻]

[1] 王敏，許躍宏，孫華美，等.風電變流器用電容散熱型功率單元：CN203056824U[P].2013-07-10.

[2] 張科，原會靜，郭磊，等.河南電網干式空心電抗器運行分析及建議[J].河南電力，2016（6）：18-22.

[3] 電氣絕緣 耐熱性和表示方法：GB/T 11021—2014[S].

收稿日期：2023-10-19

作者簡介：許嘯林（1999—），男，湖北宜昌人，研究方向：變電站運維。