變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張烈勇，曹 偉，賈曉明

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 超高壓分公司揚(yáng)州運(yùn)維站，江蘇 揚(yáng)州 225001）

0 引 言

變電站是電力系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，對(duì)于電能的分配以及穩(wěn)定供電具有重要的意義。目前，隨著我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站也需要承擔(dān)更多的電能轉(zhuǎn)換任務(wù)。而由于變電站設(shè)備在長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，往往會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量又往往是變電站設(shè)備故障以及變電站安全事故的重要誘因，因此在進(jìn)行電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過(guò)程中需要采取更為有效的降溫手段才能確保變電站的穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)變電站采取被動(dòng)式降溫，或者單一的風(fēng)冷降溫，難以滿足實(shí)際的降溫需求。變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采取更為智能化以及多元的降溫方式，有效降低了變電站高壓帶電設(shè)備的溫度，保證相關(guān)設(shè)備能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 傳統(tǒng)降溫策略的局限性和變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義

變電站高壓帶電設(shè)備的發(fā)熱缺陷直接影響供電系統(tǒng)的可靠性。在高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷發(fā)生后，如何將熱點(diǎn)溫度控制在可控范圍內(nèi)，避免因發(fā)熱缺陷造成主設(shè)備臨停，對(duì)提高供電系統(tǒng)可靠性具有重要意義[1]。2022年6月26日，揚(yáng)州運(yùn)維站江都變2號(hào)主變中性點(diǎn)C相套管樁頭發(fā)熱，熱點(diǎn)溫度達(dá)90.8℃，套管負(fù)荷電流為700 A，屬危急缺陷。處于建黨100周年保電特殊時(shí)段，主變臨停處理發(fā)熱會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式造成較大影響。運(yùn)維站根據(jù)提前準(zhǔn)備的應(yīng)急預(yù)案，在6月27日加裝了運(yùn)維站自行研制的鼓風(fēng)設(shè)備，增加發(fā)熱部位的對(duì)流散熱，熱點(diǎn)溫度由87.39 ℃下降至57.71 ℃，降溫效果明顯。上述簡(jiǎn)易降溫裝置應(yīng)用的案例表明，增加對(duì)流散熱在降低熱點(diǎn)溫度，控制熱點(diǎn)部位缺陷升級(jí)方面有著突出作用。雖然這種采用對(duì)流散熱原理的降溫裝置在常規(guī)情況下，對(duì)降低熱點(diǎn)溫度方面效果明顯，但也存在下面的局限性。

（1）單一降溫策略效果有局限性。之前在對(duì)江都變2號(hào)主變中性點(diǎn)發(fā)熱的缺陷數(shù)據(jù)跟蹤時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度高（14:00左右）、負(fù)荷電流較大（超過(guò)1 000 A）時(shí)，采用這種降溫方式，熱點(diǎn)溫度還是會(huì)上升至接近80 ℃，很難將熱點(diǎn)溫度有效控制在合理范圍內(nèi)。

（2）導(dǎo)風(fēng)管路絕緣強(qiáng)度不滿足要求。采用的PVC管路雖然拼裝操作簡(jiǎn)單，成本低，但對(duì)于高電壓設(shè)備而言，其絕緣性能無(wú)法滿足要求。

（3）導(dǎo)風(fēng)管路自身無(wú)法固定?，F(xiàn)行管路固定方案是借助主變消防管路做支撐，若想適用各種高壓設(shè)備類型，需要管路自身配有設(shè)備支架，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的支撐。

（4）功能單一。裝置需與紅外在線測(cè)溫系統(tǒng)配合使用，無(wú)法感知被降溫設(shè)備的溫升情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)降溫方式的自適應(yīng)。

鑒于上述簡(jiǎn)易降溫裝置的局限性，提出風(fēng)冷+水冷+壓縮制冷的組合降溫策略。研制變電站高壓設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在不停電的情況下對(duì)發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行降溫處理，將熱點(diǎn)溫度控制在較低的缺陷等級(jí)，避免主設(shè)備的緊急停運(yùn)。

2 可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

所研究的變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，在研究的過(guò)程中需要考慮到具體的應(yīng)用場(chǎng)景以及降溫系統(tǒng)的降溫效率。在研發(fā)實(shí)踐中需要關(guān)注以下幾方面的內(nèi)容。

（1）電流制熱型發(fā)熱缺陷的發(fā)熱機(jī)理、散熱和熱點(diǎn)溫度的數(shù)學(xué)建模。研究高壓設(shè)備熱點(diǎn)溫度隨負(fù)荷電流、環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等因素的變化關(guān)系[2]。在此基礎(chǔ)上明確研究的方向，為后續(xù)的研究做好準(zhǔn)備。

（2）變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該部分為核心設(shè)計(jì)內(nèi)容，在該部分的設(shè)計(jì)中，需要確定系統(tǒng)的組成部分以及各部分設(shè)備的選型。

（3）高壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)速測(cè)算和風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算。所設(shè)計(jì)的變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)需要保證功耗以及降溫能力的合理，不僅需要保證足夠的降溫能力，同時(shí)也應(yīng)避免降溫能力溢出，因此高壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)速測(cè)算和風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算是十分必要的。

（4）導(dǎo)風(fēng)管路的設(shè)計(jì)和絕緣測(cè)試。變電站的環(huán)境較為特殊，站內(nèi)設(shè)備需要處理大量的高壓電流，在這種環(huán)境的降溫系統(tǒng)需要具有比較強(qiáng)的絕緣性能，才能保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，而通過(guò)測(cè)試導(dǎo)風(fēng)管路的絕緣能力，能夠?yàn)閷?dǎo)風(fēng)管的選材奠定基礎(chǔ)，確保系統(tǒng)具有比較強(qiáng)的絕緣能力。

（5）水冷降溫模塊和水凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，凈化水的絕緣測(cè)試。所設(shè)計(jì)的變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)采用風(fēng)冷結(jié)合水冷的結(jié)合降溫方式，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要不斷優(yōu)化系統(tǒng)的水冷模塊，確保水冷模塊能夠有效過(guò)濾水中的雜質(zhì)，并且具有較強(qiáng)的絕緣性能，滿足實(shí)際使用的需求。

（6）壓縮制冷模塊的設(shè)計(jì)和空壓機(jī)的選型計(jì)算[3]。變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)中風(fēng)冷系統(tǒng)吹出的空氣需要經(jīng)過(guò)壓縮制冷模塊才能達(dá)到有效降溫的作用，系統(tǒng)中的壓縮制冷模塊必須要能夠滿足變壓站的使用場(chǎng)景需求，具有較高的穩(wěn)定性，而所選定的空壓機(jī)則必須具有合適的功率，從而保證冷空氣能夠穩(wěn)定的吹出。

（7）3種降溫模式的測(cè)試和系統(tǒng)控制策略研究。變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)具有3種降溫模式，分別是風(fēng)冷降溫、水冷降溫以及風(fēng)冷水冷集合降溫，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要準(zhǔn)確測(cè)算不同降溫模式的降溫能力以及功耗水平，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)置，是系統(tǒng)能夠按照實(shí)際的降溫要求智能選擇不同的降溫模式。

2.2 可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

目前，市面上已經(jīng)出現(xiàn)了不同類型規(guī)格的變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)，基于變電站運(yùn)營(yíng)管理實(shí)踐進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，與常規(guī)降溫系統(tǒng)相比，主要有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)。

（1）導(dǎo)風(fēng)管的絕緣性能強(qiáng)。導(dǎo)風(fēng)管采用環(huán)氧樹脂材質(zhì)，絕緣性能好，能達(dá)到220 kV帶電清掃絕緣操作桿的絕緣標(biāo)準(zhǔn)。一方面保證了該系統(tǒng)具有較高的安全性，另一方面能有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)后續(xù)的維護(hù)成本。

（2）導(dǎo)風(fēng)管可實(shí)現(xiàn)自身固定。導(dǎo)風(fēng)管采用可伸縮的鎖扣設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高度在1.6～6.8 m任意調(diào)節(jié)，安裝、固定方便。支架可采用多種方式固定，穩(wěn)固牢靠。該設(shè)計(jì)保證了降溫系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同場(chǎng)景的使用需求，對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的高壓設(shè)備均具有良好的兼容性，有利于該降溫系統(tǒng)的大規(guī)模推廣。

（3）多模式的綜合降溫策略。組合降溫策略，在大負(fù)荷的關(guān)鍵時(shí)段及特殊氣溫環(huán)境下，可有效彌補(bǔ)風(fēng)冷降溫效果不佳的短板，提升了綜合降溫效能。高壓變電站設(shè)備的發(fā)熱量巨大，尤其在高溫天氣下，采用單一的降溫手段難以有效降低設(shè)備熱量，而該系統(tǒng)采取風(fēng)冷與水冷結(jié)合的方式，有效提升了降溫的效率，能夠適應(yīng)極端氣候條件下的降溫需求[4]。

（4）狀態(tài)感知、自適應(yīng)。裝置配有紅外測(cè)溫模塊，可以感知發(fā)熱設(shè)備的熱點(diǎn)溫度和環(huán)境溫度，進(jìn)而自適應(yīng)地控制出風(fēng)量，切換各種降溫模式[5]。狀態(tài)感知以及自適應(yīng)技術(shù)的加入，使得該套系統(tǒng)具備了智能化的特點(diǎn)，確保該套系統(tǒng)始終能夠在合適的功率區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，提升了系統(tǒng)的節(jié)能水平。

3 可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)實(shí)施方案

變電站高壓設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此針對(duì)變電站高壓設(shè)備的降溫系統(tǒng)設(shè)備不能采取被動(dòng)式降溫，需要采取更為高效的主動(dòng)式降溫[6]。目前來(lái)看，風(fēng)冷以及水冷是較為成熟的主動(dòng)式降溫方案。在設(shè)計(jì)變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)的過(guò)程中采用風(fēng)冷+水冷+壓縮制冷的組合降溫策略。在風(fēng)冷模式下，戶外空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓后，經(jīng)導(dǎo)風(fēng)管路送至發(fā)熱點(diǎn)，通過(guò)低溫氣體帶走熱量。而水冷模式下，主要通過(guò)將凈化處理后的純水（電阻率不低于3 000 Ω cm）以“霧狀” 的形式噴灑到發(fā)熱點(diǎn)。通過(guò)水汽的蒸發(fā)吸熱進(jìn)一步提升降溫效果。水冷+風(fēng)冷+壓縮制冷模式就是在上述制冷模式下，增加壓縮機(jī)制冷，空氣經(jīng)專用接口導(dǎo)入鼓風(fēng)機(jī)，再在鼓風(fēng)機(jī)的推動(dòng)下送至發(fā)熱點(diǎn)。

3.2 可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)總體架構(gòu)

所設(shè)計(jì)的變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)主要包括高壓風(fēng)機(jī)、可伸縮式絕緣導(dǎo)管、制冷壓縮機(jī)、凈水系統(tǒng)以及合成橡膠軟管。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，制冷壓縮機(jī)會(huì)將戶外空氣降溫，送入高壓風(fēng)機(jī)，高壓風(fēng)機(jī)內(nèi)的冷卻空氣則能夠通過(guò)可伸縮式絕緣導(dǎo)風(fēng)管被直接送入發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行降溫[7]。在該系統(tǒng)中，水流會(huì)通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入到凈水系統(tǒng)中，凈水系統(tǒng)會(huì)過(guò)濾掉水中的雜質(zhì)，防止堵塞輸水管道，經(jīng)過(guò)濾后的水會(huì)通過(guò)軟管輸送至發(fā)熱點(diǎn)，通過(guò)水流的循環(huán)帶走熱量。在風(fēng)冷系統(tǒng)以及水冷系統(tǒng)的共同作用下實(shí)現(xiàn)快速降溫的作用。

3.3 可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)模塊功能設(shè)計(jì)

3.3.1 風(fēng)冷模塊

戶外空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)增壓后，經(jīng)導(dǎo)風(fēng)管送至發(fā)熱點(diǎn)。風(fēng)冷模塊應(yīng)滿足的以下條件：（1）熱點(diǎn)流過(guò)的電流為1 000 A；（2）接觸電阻為200 μΩ；（3）環(huán)境溫度為30 ℃；（4）發(fā)熱點(diǎn)的大小為60 mm2；（5）導(dǎo)風(fēng)管與發(fā)熱部位的距離為3 m；（6）目標(biāo)溫度控制在 90 ℃內(nèi)[8]。

3.3.2 導(dǎo)風(fēng)管

應(yīng)滿足管件可以伸縮，以方便現(xiàn)場(chǎng)的施工操作；管件要有足夠的絕緣強(qiáng)度，達(dá)到帶電清掃絕緣操作桿的絕緣標(biāo)準(zhǔn)；配備固定支撐部件，實(shí)現(xiàn)自身的固定支撐，滿足抗風(fēng)、抗震要求。

4 結(jié) 論

變電站高壓帶電設(shè)備可移動(dòng)式智能降溫系統(tǒng)的研究成果可廣泛應(yīng)用于控制變電站主變、斷路器、母線、導(dǎo)線等高壓導(dǎo)流設(shè)備。在上述設(shè)備的接線樁頭、套管樁頭、線夾等部位發(fā)生發(fā)熱缺陷后，采用該裝置對(duì)發(fā)熱部位進(jìn)行組合策略的降溫，實(shí)現(xiàn)將熱點(diǎn)溫度控制在一般缺陷的缺陷等級(jí)范圍內(nèi)，進(jìn)而避免高壓設(shè)備的緊急停電?？梢苿?dòng)的成套裝置能夠切實(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)熱問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用前景和商業(yè)推廣。