變壓器室通風狀況的實測研究

舒 愷，黃琰波，張紹志，李永存

（1.寧波市電力設計院，浙江 寧波 315020；2.浙江大學制冷與低溫研究所，杭州 310027）

輸 配電

變壓器室通風狀況的實測研究

舒 愷1，黃琰波1，張紹志2，李永存2

（1.寧波市電力設計院，浙江 寧波 315020；2.浙江大學制冷與低溫研究所，杭州 310027）

通過對兩個運行的變壓器室進行15天以上的連續(xù)監(jiān)測，獲得了室內外溫度、油溫、運行功率等數據。采用集中參數模型對這些現場數據進行了擬合，得到了變壓器室通風阻力系數和變壓器散熱公式中的常數。在此基礎上，對夏季極端環(huán)境條件下的變壓器油溫進行了模擬。

變壓器室；通風；油溫；散熱；實測；模擬

處于市區(qū)或近郊區(qū)的新建變電所或變電站，由于占地面積受到限制、需要考慮噪音對周邊的影響，往往采用全戶內型布置，如何將變壓器在運行中產生的大量熱量通過通風方式排出室外，保證變壓器的安全穩(wěn)定運行，是變電所設計的重要任務之一。目前有關變壓器室通風散熱的研究和資料不多，變壓器室設計所需的基礎數據較為缺乏。本文對現有變壓器室進行現場測試，并運用傳熱理論對收集到的數據進行綜合處理，得到現有變壓器室通風的基礎數據。

1 變壓器室的現場測試

對位于寧波市的兩個變壓器室進行了現場測試，其中布政變的變壓器型號為 SZ9-40000 kVA/110 kV，空載損耗為36.3 kW，負載損耗148 kW，額定電流210/2199 A，變壓器散熱片的總散熱面積為388.8 m2。低塘變的變壓器型號為SZ10-40000 kVA/110 kV，空載損耗為33 kW，負載損耗148 kW，額定電流210/2 199 A，變壓器散熱片的總散熱面積為388.8 m2。溫度測量采用鉑電阻Pt100，信號接入Agilent數據采集儀表（采集單元34 970 A、采集卡34 901 A），數據記錄采用計算機，采集軟件用Datalogger。測試期間變壓器的油溫和運行功率由變壓器室所在集控站的工作人員提供。布政變壓器室的測試時間為2009年9月4-21日，低塘變壓器室的測試時間為2009年9月23日-10月10日，測試時間均超過半個月。

2 理論模型

為描述換熱過程，建立了準穩(wěn)態(tài)的集中參數變壓器室換熱模型，并假設：

（1）變壓器本體的溫度是均勻一致的。

（2）變壓器本體的總熱容是固定值，不隨溫度變化。

（3）室內空氣的自然對流是準穩(wěn)態(tài)的，空氣流量根據穩(wěn)態(tài)自然對流的公式計算。

（4）通過變壓器室墻體向室外散熱為準穩(wěn)態(tài)。

（5）變壓器的損耗都轉化為變壓器本體的溫度升高。

根據以上假設，建立描述變壓器室的傳熱方程組，其中方程（1）描述變壓器的能量平衡，方程（2）描述變壓器室內空氣的能量平衡。

式中：n為變壓器主體主要材料種類；ρi為第i種材料的密度；Vi為第i種材料的體積；Cpi為第i種材料的比熱；T為變壓器的溫度；Q為變壓器的發(fā)熱量；α為變壓器與周圍空氣間的換熱系數；A為變壓器散熱面積；t為時間；z為變壓器室與周圍接觸墻面數目；Ta為變壓器室內空氣溫度；ρa為室內空氣密度；Va為變壓器室內總的空氣體積；Cpa為室內空氣比熱；為自然對流的空氣流量；Te為室外環(huán)境溫度；Ti為第i面墻體外側的空氣溫度；Ki為第i面墻體總的傳熱系數；Ai為第i面墻體的面積。

第i面墻體的熱平衡方程：

式中：αi、αo為室內、室外側空氣對流換熱系數；δi為第i面墻體厚度；λwi為第i面墻體導熱系數；Mi為第i面墻體的質量；Cwi為第i面墻體的比熱容。

變壓器的發(fā)熱量與負載大小有關，按下式計算[3]：

式中：Qb、Qr為空載損耗和負載損耗；I、Ie為變壓器運行電流和額定電流。

變壓器本體與空氣間的對流換熱系數α采用形式[3]：

式中：c、x為常數，主要與變壓器散熱片結構有關；ΔT為變壓器溫度與室內空氣溫度的差值。

自然對流的空氣流量計算除考慮進出風口位置的阻力外，還考慮其它位置的流動阻力。在進出風口，通過風口的體積流量與風口兩側壓力差的平方根成正比，即：

設克服其它位置流動阻力的壓差為Δp0。處于室溫附近、1個大氣壓下的空氣可視作理想氣體，將空氣密度差用溫度表達式替代，則總驅動壓差Δp為：

式中：φ=3 460 Pa·K/m；H為進出風口間距；ζ0為其余位置流動阻力系數。

在穩(wěn)態(tài)假設下，進風質量等于出風質量，聯立求解上述方程得出風口處的內外壓差：

將式（10）代入式（7）即可得到空氣流量。

3 擬合結果分析

兩個變壓器室的數據實測都持續(xù)了較長時間，根據這些數據計算變壓器總放熱量，減去通過墻體的導熱量后得到自然通風散熱量，進而得到空氣流動的實際阻力系數。編制Matlab計算程序后，根據布政變的實測數據，擬合得到其余位置流動阻力系數ζ0為3.08；根據低塘變的實測數據，擬合得到其余位置流動阻力系數ζ0為14.2。低塘變其余位置的流動阻力系數要比布政變高很多，主要原因是低塘變的熱空氣流動面積在高約10 m以上縮小了很多。另外，可以看出與進出風口處阻力相比，其它位置產生的流動阻力是不小的，要根據變壓器室的實際結構確定。

布政變和低塘變的變壓器由同一廠家生產，散熱器的結構完全一樣，公式（5）中的系數相同，在擬合得到ζ0后，綜合兩個變壓器室的實測數據后可得到換熱系數α為0.122（ΔT）1.25。

在確定兩個變壓器室的特征數據后，根據寧波地區(qū)的氣象條件（夏季通風溫度32℃、平均室外氣溫32℃）進行了滿負荷以及部分負荷運行的計算，初始油溫定為60℃，室內空氣溫度37℃，墻體溫度34℃。圖1給出了布政變滿負荷運行的曲線，最終油溫為86.9℃，圖2給出了布政變在不同負荷下的最終穩(wěn)定油溫曲線。圖3給出了低塘變滿負荷運行的曲線，最終油溫為86.5℃，圖4給出了低塘變在不同負荷下的最終穩(wěn)定油溫曲線。以上油溫均為平均油溫，頂層油溫比平均油溫高15℃左右，滿負荷運行時兩個變壓器室的頂層油溫高于100℃。如果日平均氣溫達到35℃，則布政變滿負荷運行平均油溫為90℃，低塘變滿負荷運行平均油溫為89.6℃。

圖1 布政變滿負荷模擬

4 結語

通過對兩個變壓器室通風狀況進行的實地測量，結合傳熱數學模型對所得數據進行處理，得到了兩個變壓器室自然通風的阻力系數，以及變壓器散熱器的換熱公式。這些基礎性數據的獲取將為變壓器室的設計提供參考。

圖2 布政變不同負荷下的油溫

圖3 低塘變滿負荷模擬

圖4 低塘變不同負荷下的油溫

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

[2]吳繆繆，周建華.全自然通風室內110 kV自冷式大型主變的噪聲及溫升[J].浙江電力，1999，21（5）：11-14.

[3]姚志松，姚磊.中小型變壓器實用全書[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4]陸亞俊.暖通空調[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

（本文編輯：楊 勇）

Research on Field Measurement of Ventilation in Transformer Room

SHU Kai1，HUANG Yan-bo1，ZHANG Shao-zhi2，LI Yong-cun2
（1.Ningbo Electric Power Design Institute,Ningbo Zhejiang 315020，China；2.Refrigeration and Cryogenic Engineering Institute,Zhejiang University,Hangzhou 310027，China）

Continuous monitoring for two transformer rooms in operation was conducted for over fifteen days. The environmental and room temperatures,transformer oil temperature and operational power were recorded. Through the simulation of the field data with a lumped-parameter model,the friction coefficient of ventilation and the constants of the formula for the transformer radiator were obtained.On that basis,simulations were carried outfor the transformer oiltemperature under extreme summer conditions.

transformer room；ventilation；oiltemperature；heatdissipation；actualmeasurement；simulation

TU834.3+3

：A

：1007-1881（2010）12-0001-03

2010-03-10

舒 愷（1973-），男，浙江寧波人，工程師，從事輸電工程土建、建筑暖通設計及研究。