預裝式變電站熱負荷特性與散熱討論

張俠

【摘 要】隨著經濟的不斷發展，城市供電格局已經產生了巨大的變化，前些年的集中降壓以及長距離的配電方式會對城市的發展起到制約公用。當前城市電網建設要求高壓要直接進入到市區當中，且要到達負荷的中西，在此大背景之下，預裝式變電站得到了廣泛的應用。本文主要從預裝式變電站自身的結構與特點角度出發，從實際應用情況入手，對預裝式變壓器在我國的發展現狀、內部高低壓配電裝置以及變壓器箱進行了分析。

關鍵詞：預裝式變電站熱負荷特性 散熱

中圖分類號： TM63 文獻標識碼： A

預裝式變電站的特點就是“小”，要保證外形最小化，但是最小化的外形也代表著會給內部熱量散發帶來影響，如果預裝式的變電站散熱不夠通常，則會直接對產品可靠性以及實際使用壽命產生巨大的影響，所以本文主要從通風散熱的情況這一角度入手，對如何實現具有高可靠性且滿足小型緊湊化的預裝式變電站進行分析。

一、預裝式變壓器

預裝式變壓器又被人們稱之為戶外成套變電站。是上世紀60年代-上世紀70年代歐洲諸多西方國家共同研究與發布的一種作為戶外成套變電所的一種新型的變電設備。在進入到上世紀90年代中期之后，我國出現了簡易的箱式變電站，但是并沒有得到較為廣泛的應用。在90年代末期時，我國制造技術與科研投入都在不斷增大，對電力的需求產生質變，預裝式變壓器才得以廣泛的應用。近年來相關技術發展比較快，但是整體水平依舊要低于發達國家，所以我國的預裝式變壓器存在較大的發展空間。預裝式變電站共由高壓配電裝置以及低壓配電裝置等結構組成。預裝式變電站具有成套性強、整體體積較小以及占地少等諸多特點，所以目前已經廣泛應用于機場、施工工地以及風力發電等場所。

二、預裝式變壓器溫升試驗及性能分析

變壓器在正常傳輸功率的前提下，需要消耗掉自身的一些電能，這些電能就是空載損耗以及負載損耗。電能在轉化成熱能時，會導致變壓器自身溫度的提升。為了可以將變壓器的溫控控制在一個安全的范圍之內，會在結構建造上加入一些散熱面導熱。小容量產品靠箱壁散熱，中型產品通常情況下會使用散熱管或者散熱器，但是這些方法在大型工程上顯然是不實用的，所以會適當增加自然油循環吹風這一冷卻方式。在預裝式變電站的箱內，空氣會從箱體下側部分的柵格當中逐漸轉移到箱體內部。在箱體當中，空氣會通過湍流的方式途徑變壓器以及高低壓柜的表面，利用對流這一方式將設備所產生的熱量帶走，保證變壓器內部溫度的恒定。

從各預裝變電站溫升的情況來看，油浸式的變壓器在裝入箱體之后，頂層油的溫升值提升了12K，這一數值可以滿足當前國標BG /T17467-2010當中的相關要求。與莊變電站外殼級別從5K-30K不等。在相同情況下，外殼級別小，變壓器所要承受的符合能力越大，同樣外殼級別比較小，就代表了該變電站通風散熱能力比較強。在實際使用過程當中，一些用戶會從節約成本的角度出發，將變電站進行小型化以及緊湊化處理，為了提升之變壓器整體利用效率，會要求預裝變電站的外殼級別最小化。

三、變電站的模擬計算

1.模型的構建

從實際情況入手，建立一4.1mX3.4mX4m的預裝式變電站模型，該模型當中包含了變壓器室以及高低壓室。電壓器同兩位2250KVA，同時具備高低壓柜，外形的尺寸是1.8mX2.4mX3.1m，從底部進風，于頂部的四周出風。選擇k-ε模型，設進風口速度為邊界條件，固定進口空氣的射流速度以及射流方向與湍動能擴散率，同時將設備出風口定義成速度出口的邊界條件，各壁面當絕熱的邊界，高低柜作為非滑移墻體進行處理，進風口的溫度定位300K，變壓器溫度定在365K，忽略其內部整體結構。

2.箱內的溫度分布

可以使用模擬計算的方式對Z值進行確定，分別為±1.8、±1.2、±0.6、0.通過總結實際情況我們可以發現，變電站的箱體內部，越靠近頂部右側，出風口位置溫度就越高，流場的變化會直接決定整體溫度場變化， 因為氣流整體是從上至下流動的，因為設備右側變壓器室會占據比較大的空間，所以上方的空間整體比較小，因為左側高低柜溫度較低，所以大氣流的運動較為容易，可以帶走大量熱量。氣流變化會直接影響到溫度場自身的變化，所以流場的差異一定會影響到熱源間的溫度。有高低柜的界面溫度要明顯高于沒有高低壓柜的地區，因為氣流的運動會受到高低壓柜的影響，所以上方空間的氣流整體運動比較小，帶走的熱量也少，所以該地區的溫度比較高。從箱體出口位置的速度分布當中可以發現，頂部出口四角速度值要比其余部分的高，除了拐角位置之外，其余位置的速度部分比較均勻，貼近壁面的粘滯阻力速度會比中間位置的流速小，符合整體流體特點。在試驗中，箱體出口溫度上，頂部靠近出口位置的右側方向，因為變壓器室會給氣流帶來阻礙，所以該位置溫度要比其余部分溫度高，因為高低壓柜兩側的空間足夠，所以溫度要低很多。

通過試驗我們發現，變電站箱體內部，靠近頂部右側的出風口位置溫度要明顯高于其余地區的溫度，因為流場變化會直接決定溫度場上的變化，氣流會從下方逐漸向上方來運動，因為右側的變壓器室占據了比較大的空間，所以上方的空間就比較小，但是左側會收到高低壓柜的影響，本身溫度就要低于其余地區，并且空氣流動也比較容易，所以氣流帶走的熱量要高于其余位置。從截面Z=-1.8以及Z=1.8這兩點上，沿著固定方向，在有高低壓柜的絕面當中，其上方溫度要明顯比沒有高低壓柜的位置高。在右側面靠近底部地區，因為變壓器室和墻壁之間的空間較小，進而產生了擠壓作用，導致箱體內部在這一位置的氣流值較高。地面的磧口從進風口當中進入，會收到變壓器室的影響，導致磧口在出風口位置匯集，所以該位置的溫度要明顯高于其余位置的溫度。

四、變壓器熱效應與溫度分布

變壓器的運行過程中，繞組、鐵心以及引線等鋼結構構建是設備的主要熱源，因為上述零件在電磁能量的轉換過程當中必然會產生損耗，損耗部分會轉換成為熱量。繞組損耗會站到整體損耗的80*以上，所以繞組為變壓器內部熱源的主體。長期處于熱作用情況之下的絕緣必然會損失彈性，整體變的比較松脆，而且因為受到變壓器運行中產生的機械損壞，絕緣的拉伸強度以及彎曲程度都會受到機械強度的影響，進而導致電氣強度不足。A級油浸式的變壓器繞組熱點要比平均溫度提升13K，代表了繞組的年均溫度在98℃以下。

變壓器內部熱量的散發主要依靠熱傳導以及輻射等對流的模式來完成的，內部溫差在5℃左右，熱量從繞組當中散發到油中，都是要依靠對流來實現的，熱量從油中散發到箱壁內，也要依靠該形式來實現。箱壁內部的熱傳導形式溫差在3℃左右，通過對流與輻射兩種形式共同實現散熱，而鐵心到周圍介質之間也存在與此相同的散熱條件。下圖為油浸自冷式的變壓器溫度沿高度方向的一種比較典型的分布，其中曲線1代表了油箱外表面溫度，而曲線2則代表了油自身的溫度，曲線3則表示鐵心自身的溫度，最后一條曲線4代表繞組溫度。

在通過數值模擬計算時，計算迭代到60分鐘，油區的溫度上升比較慢，因為變壓器當中沒有熱源，熱量的產生集中于繞組內部，且要比鐵芯與油區內的溫度高。在迭代120分鐘之后，油區溫度開始變化，比60分鐘時最高高出20K，如果繼續迭代，那么溫度提升會更加明顯。通過該模擬計算我們可以發現，內部最高溫均在繞組，不同油位高度溫升變化基本吻合。不同介質當中溫度梯度比較明顯，并且在相同介質當中變化趨勢較小。

結束語：

本文主要從變壓器熱效應與溫度分布、變電站的模擬計算、預裝式變壓器溫升試驗及性能分析、預裝式變壓器四方面，聯合模擬計算與試驗等方式，對預裝式變電站熱負荷特性與散熱進行了討論，旨在幫助相關從業人員更好的認識該類型裝置，提升工作效率與工作質量。

參考文獻：

【1】趙彬，李先庭，彥啟森.用 CFD 方法改進室內非等溫送風氣流組織設計[J].應用基礎與工程科學學報, 2010, 8(4):376-386.

【2】王秀春,吳明訓.由變壓器溫升試驗結果確定繞組內油平均溫升的非線性回歸方法[J]. 變壓器. 2011，31(1):20-23

【3】賈子瑜, 姚日琪,王秀蓮等. 強油導向冷卻電力變壓器的油流工程計算方法[J].變壓器.2011. 35(2):34-37

【4】咸日常.電力變壓器溫升與冷卻裝置改造的技術經濟分析[J].高壓電器,2012,25(1):58-61.

【6】肖永強.預裝式變電站熱負荷特性及散熱研究[D].華南理工大學碩士學位論文，2012,：05-07.

【7】孫兵，曾慶贛.半埋式熱管散熱雙層預裝式變電站[M].第18屆CIRED2011年配電開關設備文集,2011:222-224.