變壓器室3種通風散熱方案模擬研究

高春艷，梁坤峰，李軍號，李心平，周銘麗

(河南科技大學車輛與動力工程學院，河南洛陽471003)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)用電負荷的不斷增加，變壓器容量持續(xù)增長，變壓器的散熱問題已逐漸成為影響室內變壓器安全性和可靠性的主要因素[1-2］，因此，為了保證變壓器室的環(huán)境運行溫度，研究通風方式、通風量等因素對變壓器室通風散熱特性的影響，對降低變壓器的故障率，延長變壓器的使用壽命具有重要意義。目前，對于室內變壓器通風散熱的研究主要集中在利用自然通風條件改善變壓器室內環(huán)境方面[3-5］，但是由于變壓器室內負荷在高溫氣候條件下急劇增大，單純采用自然通風方法難以實現(xiàn)變壓器室進出風溫差5～10℃的要求。文獻[6-8］對于變壓器室自然通風與機械通風相結合的復合通風方式進行了研究，提出了機械排風口的合理布置位置和最佳配置方式，為解決高溫氣候條件下變壓器室通風降溫問題提供了理論依據(jù)，但其研究在評價變壓器室的通風散熱狀況時，仍采用房間的溫度和速度分布場特征，評價因素單一，尚未提出反映溫度和速度分布的綜合評價指標。

本文基于計算流體動力學理論建立了室內變壓器通風散熱系統(tǒng)模型，對夏季變壓器室的通風散熱特性進行了數(shù)值模擬，獲得了室內氣流組織的流場、溫度場分布規(guī)律，探討了不同的送風方式、風機的使用對室內散熱系統(tǒng)的影響，并采用空氣齡指標對變壓器室的通風散熱特性進行了評價。

1 模型

1.1 物理模型

針對110 kV變壓器(型號:SZ10-40000/110)室，提出了3種室內通風方案，3種通風方案物理模型包括兩臺散熱器和兩個進風口，散熱器安裝于主變壓器兩側，對稱分布;每個散熱器有6組散熱片，每組由24片散熱片組成，每片散熱片間距為7 mm，每組散熱器間距為59 mm，共144片，對流散熱面積為1 152 m2，冷卻風機型號為T35-11系列的軸流風機。

方案1如圖1a所示，進風口包括室外側百葉進風口和室內側百葉進風口，室外側百葉進風口設置于主變壓器室大門下部;室內側百葉進風口設置于主變室大門相對的主變室墻體下部，進風口高度為0.45 m，長×寬為3.0 m×2.5 m。方案2的進風口位于散熱器正下方，進風口長×寬尺寸為3.75 m×2.00 m，并在散熱器下方設置了6臺風機，如圖1b所示。方案3與方案1具有相同的風口設置，但是在散熱器下方設置了與方案2相同的6臺風機，如圖1c所示。

圖1 3種通風方案物理模型

1.2 數(shù)學模型

為簡化問題，作如下假設:(Ⅰ)室內空氣低速流動，且符合Bossinesq假設。(Ⅱ)流動為穩(wěn)態(tài)流動。(Ⅲ)不考慮漏風影響，認為房間氣密性良好。

在上述假設下，速度和溫度變量的控制方程如下。

連續(xù)性方程:

式中，ux、uy和 uz分別為流速在 x、y 和 z方向的分量，m/s。

動量方程:

式中，τij為應力張量;μ為黏度，Pa·s;p為靜壓，Pa;ρ為流體密度，kg/m3;gi為i方向的重力加速度，m/s2;Fi為由熱源、污染源等引起的源項。

能量方程:

式中，k為空氣導熱率，W/(m·K);kt為湍流擴散引起的導熱率，W/(m·K);h為焓，kJ;T為溫度，℃;Sh為體積熱源，kJ;cp為比熱容，kJ/(kg·℃);μt為湍流黏度，Pa·s;Prt為湍流普朗克數(shù)，取 0.85。

標準的k-ε雙方程湍流模型為:

k湍流動能輸運方程:

ε湍流動能耗散率輸運方程:

式中，cμ=c'μcD，采用k-ε模型求解紊流對流換熱問題時，控制方程有連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及 k、ε 方程。方程組中，c1、c2、cμ、ck、σε、σT均為常數(shù)[9］，取值按經(jīng)驗值見表 1。

1.3 邊界條件

變壓器的發(fā)熱量與負載大小有關，計算式為

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。

主變壓器室的散熱通風量V的計算式為

式中，Q為主變壓器的散熱量;c為空氣的比熱容，其值為1.005 kJ/(kg·℃);t0為空氣進口溫度，取35℃;ρ為空氣的密度，35℃時為1.11 kg/m3;ti為空氣出口溫度，取45℃(進排氣溫差不大于15℃)。

風速大小計算式為

式中，V為散熱通風量;Ai為進風口總面積。

綜上所述，模型的主要計算參數(shù)見表2。

表1 k-ε模型中的常數(shù)

表2 計算參數(shù)

2 數(shù)值與試驗結果分析

2.1 模擬結果

圖2為方案1模擬結果，由圖2a和圖2b可知:散熱器截面上溫度分布比較均勻，溫度在48℃左右;房高3 m(散熱器上方)以上區(qū)域的空氣溫度分布明顯不均勻，且高度方向上溫度梯度較大，其中散熱器正上方區(qū)域的空氣溫度范圍為51～68℃，其他區(qū)域的空氣溫度范圍為35～50℃。房高3 m以下區(qū)域，散熱器局部溫度在46℃左右，其他區(qū)域溫度分布較均勻。出風口溫度分布在45～50℃，有較大的波動范圍。由圖2c速度云圖可知:進風口處風速較大，由于負壓的原因，形成了小區(qū)域的局部渦流，隨著距進風口距離增大，風速有所降低，在出風口處風速有增大的趨勢，達到1.3 m/s。

圖2 方案1的模擬結果

圖3為方案2的模擬結果，圖3中散熱器溫度在40℃左右，變壓器散熱均勻。由于房間水平方向熱源無橫向擴散作用，該方向上溫度分布比較均勻，散熱器水平方向以下溫度在37℃左右，散熱器水平方向以上溫度在38℃左右，出口處空氣溫度在39℃以下;在房間高度方向上，出現(xiàn)了較為明顯的溫度分層現(xiàn)象，這是由于氣流與散熱器熱交換后溫度升高，氣流在浮升力作用下上升，在上部區(qū)域中上升熱氣流與冷氣流之間發(fā)生相互摻混，導致上部區(qū)域空氣溫度較高。房間整體溫度梯度較小，房間溫度分布相對均勻，能滿足變壓器出口溫度設計要求。從圖3c的速度云圖中可以看出:出口風速在1.4 m/s左右，使用了軸流風機，加速了室內空氣流動，散熱器周圍空氣流速明顯增大，靠近出口處的風速慢慢變小。

圖3 方案2的模擬結果

圖4為方案3的模擬結果，圖4中散熱器溫度在42℃左右，變壓器散熱均勻。溫度分布在豎直方向上比較均勻，大部分區(qū)域在40℃，只有在進風口附近溫度為36℃左右;出口溫度為41℃，滿足變壓器出口溫度設計要求。由圖4c速度云圖中可以看出:風速在1.4 m/s左右，由于使用了軸流風機，加速了室內空氣流動，散熱器周圍空氣流速較大。

圖4 方案3的模擬結果

2.2 試驗驗證

為了驗證建模的正確性和模擬結果準確性，完成邊界條件的正確設置，如送風速度、室內溫度等，對變壓器室內部空氣流速和溫度進行測試試驗，空氣流速和溫度測試儀器采用熱線風速儀(KANOMAX 6003/6004)。在X=5.5 m垂直面上測出不同高度下的溫度、速度，選取空間位置Z=10.75 m和Y=1.5 m處為測試基點，沿高度Y方向每隔1 m進行測試，測試結果與模擬結果對比，見圖5。由圖5可知:在各測試點位置上，試驗測試結果與模擬結果的速度和溫度變化規(guī)律比較吻合，但在不同高度上試驗測試結果和模擬結果存在一定幅度的波動。具體表現(xiàn)為在6 m以下速度的測試值比模擬值稍大，在6 m以上兩者基本一致，而在相同高度內溫度的測試結果則要比模擬結果小，在距離排風口較近的高度內又要比模擬結果大一些。這種情況的出現(xiàn)與現(xiàn)場測試時受外界環(huán)境、風機轉速變化，以及模擬時圍護結構采用定壁溫邊界條件與實際情況有差別等因素有關。

圖5 高度方向上速度、溫度的測試與模擬結果對比圖

2.3 結果分析與空氣齡指標

方案1尚不能滿足變壓器通風系統(tǒng)散熱需求，出風口溫度超過45℃，超過變壓器正常使用的空氣溫度，室內溫度分布不均勻。方案3與方案1相比，散熱器下部增加了軸流風機，房間整體溫度分布非常均勻，出口溫度在41℃左右。方案2與其他兩種方案相比，風口位置不同，但所獲模擬結果與方案3一致，房間溫度分布比較均勻，出口處空氣溫度在39℃以下，能滿足室內變壓器通風系統(tǒng)要求。由此可知:使用軸流風機，加速了散熱器周圍空氣的流動，提高了空氣與散熱器的換熱效率。

圖6為3種通風散熱方案所獲的空氣齡云圖，空氣齡與空氣的流動和擴散有關，綜合反映了房間的通風換氣效果。圖6a所示方案1的空氣齡云圖中，進風口水平方向以下空氣齡較小，進風口處的空氣齡最小，空氣新鮮;散熱器上部到出口處之間空氣齡有所增大，越是靠近進風口側墻壁，空氣齡越高，貼墻壁處空氣齡最大，該處空氣更新慢，空氣品質差。圖6c所示的是在圖6a模型1的基礎上增加了軸流風機后的空氣齡云圖，可以看出該方案的空氣齡在40 s左右，梯度非常小，分布相當均勻。圖6b所示的空氣齡在40 s左右，空氣齡非常均勻，也是由于風機的使用改善了室內空氣的分布規(guī)律。

圖6 3種方案的空氣齡分布

綜上3種通風方案模擬結果的分析可知:自然通風時，室內的溫度場和空氣齡分布不均勻，通風散熱不能滿足設計要求;使用軸流風機，不僅能提高室內的換熱效率，獲得比較均勻的溫度場和空氣齡分布，充分滿足室內變壓器的通風散熱要求，而且對進風口布置方式的要求降低，不同的進風口布置方式均能實現(xiàn)通風散熱要求，改善了進風口布置的靈活性。另外，由于空氣齡分布與空氣的流動與擴散有關，可以作為反映室內溫度場、速度場分布情況的一個綜合評定指標。

3 結論

(1)室內氣流組織的流場、溫度場和空氣齡分布結果可以準確預測變壓器室的通風散熱特性。(2)自然通風方案難以滿足高溫天氣時變壓器室的通風散熱要求，使用軸流風機強制通風，不僅可提高室內的換熱效率，獲得比較均勻的溫度場和空氣齡分布，充分滿足室內變壓器的通風散熱要求，而且對進風口布置方式的要求降低，不同的進風口布置方式均能實現(xiàn)通風散熱要求，改善了進風口布置的靈活性。(3)比較方案1和方案3可以得知，使用軸流風機時，得到了比較均勻的溫度場分布，滿足了變壓器通風散熱要求，出風口溫度有較大的安全裕度。(4)空氣齡與空氣的流動和擴散有關，綜合反映了房間的通風換氣效果，可作為反映室內溫度場、速度場分布情況的一個綜合評定指標。

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