張?jiān)?，段佩怡，張栓?/p>

（1.廣東水電二局股份有限公司，廣州 510341；2.東南粵水電投資有限公司，海口 570208；3.濱州粵水電能源公司，山東 濱州 256812）

0 引言

干式變壓器的使用壽命往往取決于絕緣層的壽命，而對(duì)絕緣材料影響最大的因素是溫度，一旦溫度超過(guò)其耐熱值，絕緣層會(huì)被破壞，變壓器不能正常工作[1-2]。運(yùn)行溫度變化大是干式箱變?cè)谑褂眠^(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題，變壓器等電氣元器件安設(shè)在封閉式箱體內(nèi)，隨著變壓器等發(fā)熱器件發(fā)熱，如果箱體散熱性能不良，長(zhǎng)期過(guò)高的運(yùn)行溫度會(huì)降低箱變內(nèi)部元器件的使用壽命，甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)等安全事故。變壓器作為關(guān)鍵的電力設(shè)備，電能若要在電力網(wǎng)中不突然變化地傳送就要依靠它，其可以保證電能的正常調(diào)配、使用不出現(xiàn)問(wèn)題，減少運(yùn)營(yíng)成本[3]。

干式變壓器冷卻方式為自然空氣冷卻（AN）和強(qiáng)迫空氣冷卻（AF）[4]，為了保證變壓器安全可靠運(yùn)行，大多數(shù)通過(guò)干式變壓器底部安裝風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱[5]。使用過(guò)程中為了降低箱變內(nèi)的溫度，采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)將箱變內(nèi)的熱量及時(shí)散發(fā)掉，使溫度保持在標(biāo)準(zhǔn)允許值以內(nèi)。機(jī)械通風(fēng)方式是在變壓器底部及上部設(shè)置進(jìn)、排風(fēng)口，使得箱變內(nèi)外形成空氣對(duì)流，通過(guò)內(nèi)外空氣的熱交換降低箱變內(nèi)溫度。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是箱變?cè)O(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，一定風(fēng)量下使箱變內(nèi)形成的散熱量需要與發(fā)熱量相當(dāng)，達(dá)到熱平衡才能使箱變內(nèi)的溫度保持在一定數(shù)值內(nèi)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)通風(fēng)散熱的研究主要集中在對(duì)通風(fēng)口位置、通風(fēng)口面積等優(yōu)化對(duì)箱變的熱平衡的影響，采用軟件模擬計(jì)算方法進(jìn)行研究。郭盛等[6]模擬室內(nèi)變電站送風(fēng)口尺寸、送風(fēng)口位置、送風(fēng)溫濕度和送風(fēng)量對(duì)室內(nèi)環(huán)境的綜合控制，建立多種室內(nèi)變電站通風(fēng)方式模型，并在Fluent軟件中進(jìn)行溫度和通風(fēng)走勢(shì)的模擬，通過(guò)對(duì)比分析得出最優(yōu)通風(fēng)布置模式。趙博文[7]通過(guò)ANSYS CFX模擬了變壓器通風(fēng)口位置布置方式對(duì)通風(fēng)散熱的影響，發(fā)現(xiàn)底部增加進(jìn)風(fēng)口對(duì)通風(fēng)散熱效果較好。以上研究均從軟件模型模擬的角度對(duì)箱變內(nèi)的通風(fēng)散熱進(jìn)行研究，但是從試驗(yàn)角度出發(fā)的較少，本文對(duì)干式變壓器熱平衡溫度影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，明確了干式變壓器溫度控制的主要因素，對(duì)于干式變壓器設(shè)計(jì)及使用中溫度控制提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

根據(jù)某濱海風(fēng)電場(chǎng)的CBW-2200/35箱變?yōu)樵?，根?jù)幾何相似原理，以長(zhǎng)度1∶3的比例縮小制作箱變模型（尺寸1.9 m×1.06 m×0.95 m），試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。箱變模型內(nèi)分為低壓室、變壓器室和高壓室、鋁合金邊框及底座4個(gè)主要部分，選用HYY22A電熱爐（功率1000/1200/2200 W）放置在變壓器室啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生熱量模擬干式變壓器設(shè)備散熱，進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口分別設(shè)置在變壓器室的左下角及右上角，用百葉窗進(jìn)行遮擋，出風(fēng)口設(shè)置排風(fēng)扇，同時(shí)，用空壓機(jī)（型號(hào)1500-50-2，排氣量270 L/min）代替輻流風(fēng)機(jī)給變壓器室底部送風(fēng)，在變壓器室采用MIKWZP溫度探頭（測(cè)溫范圍-50～200℃，精度A級(jí)）在試驗(yàn)中進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，溫度探頭1～12位置如圖1所示，其中進(jìn)風(fēng)口外側(cè)為溫度探頭3，排風(fēng)口外側(cè)為溫度探頭4。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)溫裝置示意圖

在試驗(yàn)過(guò)程中，先打開(kāi)電熱爐，排風(fēng)扇和空壓機(jī)保持關(guān)閉狀態(tài)，使溫度上升至試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度后再開(kāi)啟排風(fēng)扇及空壓機(jī)，當(dāng)溫度降低達(dá)到平衡后，關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，重復(fù)試驗(yàn)調(diào)整目標(biāo)溫度。本次試驗(yàn)的工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況表

1.2 干式變壓器通風(fēng)量計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)手冊(cè)[8-12]中關(guān)于干式變壓器通風(fēng)計(jì)算方法以及山東省沾化濱海風(fēng)電場(chǎng)的CBW-2200/35箱變廠家通風(fēng)量的計(jì)算方法，兩者計(jì)算方法一致，通風(fēng)量計(jì)算公式如下：

式中：L為變壓器室的設(shè)計(jì)通風(fēng)量，m3/s；Q為變壓器散熱量，kW；Cp為空氣比熱容，取Cp=1.01 kJ/(kg·℃)；D為空氣密度，kg/m3；tin、tex分別為進(jìn)、排風(fēng)溫度，對(duì)于直接從室外吸風(fēng)的，tin應(yīng)取當(dāng)?shù)赝L(fēng)室外計(jì)算溫度，對(duì)于干式變壓器室，tex≤40℃，進(jìn)排風(fēng)溫度差不應(yīng)超過(guò)15℃；M為空氣利用系數(shù)，0～1；p為大氣壓強(qiáng)，Pa。

通過(guò)通風(fēng)量計(jì)算公式可以得出，進(jìn)排風(fēng)口溫度決定了通風(fēng)量的大小，進(jìn)風(fēng)口溫度為環(huán)境溫度，人為不可控制進(jìn)風(fēng)口的自然溫度，只能通過(guò)機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)，降低排風(fēng)口溫度，對(duì)于干式變壓器，在箱變的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用人為經(jīng)驗(yàn)確定排風(fēng)口溫度，但通過(guò)本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種方法是不可取的，排風(fēng)口溫度會(huì)出現(xiàn)超過(guò)人為設(shè)計(jì)溫度現(xiàn)象，排風(fēng)口的溫度不僅與發(fā)熱量有關(guān)，反過(guò)來(lái)還與通風(fēng)量有關(guān)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 箱變內(nèi)溫度分布情況

在試驗(yàn)開(kāi)啟后，箱變內(nèi)各點(diǎn)的溫度變化均分為3個(gè)階段：溫度上升階段（0～18 min）、溫度下降階段（18～24 min）和溫度趨于平衡階段（24～36 min），如圖3所示，在18 min時(shí)刻開(kāi)啟試驗(yàn)排風(fēng)系統(tǒng)后，變壓器室各點(diǎn)溫度在7 min之內(nèi)迅速達(dá)到平衡溫度。

圖3 變壓器室溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度曲線

對(duì)于變壓器室，在溫度上升、下降及平衡階段各點(diǎn)溫度的由大到小依次為6號(hào)點(diǎn)、5號(hào)點(diǎn)、4號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)、1號(hào)點(diǎn)，即靠近發(fā)熱體的5號(hào)點(diǎn)和6號(hào)點(diǎn)的溫度最高，變壓器室內(nèi)上部溫度（3號(hào)點(diǎn)和4號(hào)點(diǎn)）高于下部溫度（1號(hào)點(diǎn)和2號(hào)點(diǎn)），因此在變壓器室的溫度梯度及由排風(fēng)系統(tǒng)形成的對(duì)流散熱路徑如圖4所示。

圖4 變壓器室溫度梯度及對(duì)流散熱路線

對(duì)于高壓室和低壓室，如圖5所示，除了溫度上升和下降階段各點(diǎn)的溫度有所差異外，各點(diǎn)的平衡溫度沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明平衡階段高壓室和低壓室內(nèi)溫度均勻分布，這是由于高壓室和低壓室均沒(méi)有空氣對(duì)流的原因。高壓室和低壓室的溫度升高與降低是由變壓器室的溫度輻射影響的，因此整體溫度都比變壓器室的溫度低，低壓室由于空間小，中心點(diǎn)離變壓器室較近，平衡溫度比高壓室高3℃左右。對(duì)于高壓室和低壓室溫度的控制取決于變壓器室溫度的控制，因此變壓器室的通風(fēng)與散熱是箱變溫度控制的重點(diǎn)。

圖5 高壓室、低壓室溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度曲線

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)溫度對(duì)熱平衡的影響

通常情況在箱變內(nèi)溫度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，箱變內(nèi)的溫度會(huì)逐漸降低，達(dá)到平衡值。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)箱變內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，運(yùn)行人員通常會(huì)降低通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)溫度以降低平衡溫度，但是根據(jù)干式變壓器通風(fēng)量計(jì)算方法，平衡溫度在進(jìn)風(fēng)口溫度和出風(fēng)口溫度之間，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度一定時(shí)，出風(fēng)口溫度只與通風(fēng)量有關(guān)，因此，干式變壓器平衡溫度與通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)溫度關(guān)系不大，這與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果一致，當(dāng)將通風(fēng)系統(tǒng)的啟動(dòng)溫度從40℃提高到50℃再到60℃的過(guò)程中，變壓器室內(nèi)各點(diǎn)的平衡溫度基本保持一致，如圖6所示，1～5號(hào)點(diǎn)的最終的平衡溫度分別為30℃、34℃、37℃、41℃、45℃，與通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的溫度無(wú)必然聯(lián)系。

圖6 變壓器室各點(diǎn)不同啟動(dòng)溫度下的溫度變化情況

2.3 通風(fēng)模式對(duì)熱平衡的影響

部分干式變壓器箱變的變壓器室，會(huì)在干式變壓器底部設(shè)置向上送風(fēng)的風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)變壓器室內(nèi)空氣流動(dòng)。本文通過(guò)對(duì)干式變壓器底部不設(shè)風(fēng)機(jī)和設(shè)置風(fēng)機(jī)兩種情況進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖7所示，為干式變壓器底部不設(shè)置風(fēng)機(jī)和安設(shè)風(fēng)機(jī)時(shí)變壓器室內(nèi)溫度最高點(diǎn)5號(hào)點(diǎn)的溫度變化曲線，在1～10 min開(kāi)啟加熱器，當(dāng)溫度上升到65℃時(shí)關(guān)閉加熱器，當(dāng)溫度降低到35℃時(shí)同時(shí)打開(kāi)加熱器和通風(fēng)設(shè)備，干式變壓器底部安設(shè)風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)組同時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)。干式變壓器底部設(shè)置風(fēng)機(jī)的變壓器室內(nèi)溫度在35 min左右上升到最高溫度50℃，而不設(shè)置風(fēng)機(jī)的變壓器室內(nèi)溫度在30 min左右就上升到最高溫度50℃。干式變壓器底部設(shè)置風(fēng)機(jī)的變壓器室內(nèi)溫度上升速度要小于底部不設(shè)置風(fēng)機(jī)的室內(nèi)溫度。但變壓器室內(nèi)干式變壓器底部設(shè)置風(fēng)機(jī)和不設(shè)置風(fēng)機(jī)的熱平衡溫度卻逐漸趨于一致，如圖8所示，雖然底部設(shè)置風(fēng)機(jī)的箱變內(nèi)部溫度攀升的速度比底部不設(shè)風(fēng)機(jī)的慢，但是兩者的平衡溫度最終都保持在42℃左右，說(shuō)明干式變壓器最終的熱平衡不受通風(fēng)模式的影響，只對(duì)達(dá)到熱平衡的過(guò)程有一定影響。

圖7 不設(shè)置底部風(fēng)機(jī)和設(shè)置底部風(fēng)機(jī)時(shí)箱變的溫度變化情況

圖8 不設(shè)置底部風(fēng)機(jī)和設(shè)置底部風(fēng)機(jī)時(shí)箱變的熱平衡

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)干式變壓器箱變的熱平衡進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明箱變內(nèi)的從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口有兩條溫度升高梯度路線，同時(shí)以變壓器為發(fā)熱中心，向四周輻射熱量，變壓器室的通風(fēng)與散熱是箱變溫度控制的重點(diǎn)。采用控制單一變量并重復(fù)多次試驗(yàn)的方法，得出以下結(jié)論：（1）不同溫度下啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，箱變內(nèi)部各點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)保持一致，隨著通風(fēng)系統(tǒng)的開(kāi)啟，會(huì)逐漸達(dá)到熱平衡，干式變壓器熱平衡與通風(fēng)系統(tǒng)的啟動(dòng)溫度沒(méi)有明顯關(guān)系；（2）不同通風(fēng)模式下，平衡溫度最終都保持相同，干式變壓器熱平衡不受通風(fēng)模式的影響；（3）根據(jù)通風(fēng)量計(jì)算公式，干式變壓器熱平衡與箱變的散熱與通風(fēng)量以及進(jìn)風(fēng)口溫度有關(guān)。