主变压器室通风散热系统设计及实现

李一宁

（河南省电力公司，郑州 450000）

城市变电站的变压器一般为室内布置方式，其换热条件受制约较多。城市经济的高速增长对电力的需求也越来越大，夏季高温时显得尤其明显，大部分变压器都在接近或超过满负荷的情况下运行，因而夏季高温时主变室的散热冷却问题已经成为影响变压器出力和安全运行的一个严重因素。为防止温度过高而影响变压器出力及产生多种缺陷，电力运行部门已经积极采取一些措施，也开展了一系列的科学研究。莫文雄等着重分析主变室内通风不足的原因，并对主变室内的通风设计提出一些有价值的建议[1]；周剑等分析主变压器低压侧套管升高座过热问题并制定出相应的改造措施[2]；陈涛、李武兴等通过对变压器室内温度的各项因素分析，提出了应对室内温升和通风散热的方法[3]，除此还有其他大量的同类研究都能解决特定的问题。但这些措施难以全面、有效的解决主变室散热问题。金立军采用对流换热微分方程描述针对主变室导热的特点，并通过计算和试验结果分析，得出主变室散热的一种优化设计[4]；舒恺、黄琰波等通过建立主变室换热的微分方程，并通过现场采集的数据来拟合主变室通风阻力系数和变压器散热公式中的常数[5]，这些数据对主变室的合理设计提供直接的帮助。由此如何按照动力与流体力学进行设计以保证主变室合理的环境运行温度是非常有必要的。其中采用何种通风方式并科学布置、合理选择通风量，实现对变压器散热降温的实时智能控制，是目前电网系统所需要解决的一项研究内容。

本文先介绍了应用主变室内空气流动及传热理论模型，对主变室的通风降温系统进行优化设计；接着将工程实现主变室及变压器散热通风和温度智能实时控制系统。

1 通风降温系统优化设计

变压器运行过程中的发热量主要由变压器的铁损与铜损组成。变压器线圈和铁心的热量以油为介质,通过传导和对流的方式传至变压器表面和散热器,再与空气进行热交换把热量带走。本节在参考文献[6]基础上，依据空气流动与传热理论模型得到描述舱内空气流动和传热的质量、动量、能量方程，如式（1）所示。

式中，为速度矢量，T、ρ、P、μ分别为温度、密度、压力及运动粘度，k为导热系数，Cρ为空气比热容，g为重力加速度，E为变压器产生的热量耗散的速率。边界条件假定为所有壁面上分速度为零、不考虑垂直于纸面墙壁的导热性能、变压器表面温度为Tb、进口处风温Tj恒定且等于室外环境温度、出进口处风温Ts恒定且等于室内环境温度、进口处风速的大小和方向已知。根据此模型，为进行数值研究，对主变室截取一个截面如图1所示。

图1 主变室剖面图

本文采用平均努谢尔数作为主变室通风换热能力强弱的指标。各项指标如式（2）所示。

当温差一定时，换热系数越高，对流换热的热流密度越大，温度分布越均匀，其换热的能力也越强。温度热负荷一定时，所需通风量也越小。

本文通过FLUENT 软件采用交错网格的SΙMPLE算法对模型进行数值模拟。依据公式（1）的指标，该通风降温系统系统特设计如下： ①为提高有效通风面积，在进排风口处采用栅格加百叶窗罩盖。而且在主变室下部，靠近地面约40cm 的墙体多开进气窗口，增加进风口的面积；②为提高通风效率，进风口处于主变室下部，排风口处于主变室上部；③为增强变压器的散热效果，进风口与排风口之间的空气对流路径应经过变压器；④风机采用水冷式风机类型。

2 主变室散热通风及温度智能控制系统的实现

室内变压器的正常运行与室内温度密切相关，而影响室内温度的因素主要有变压器运行发热量、进风量、进风温度、排风温度等。为了保持室内温度在设定温度范围内，单单依赖常规设计进行通风散热满足不了要求，而且室外环境温度对散热效果也有较大影响，针对该问题，通过对进风量、排风量、进风温度、排风温度、变压器油温、变压器运行功率等参数的检测，设计一个智能控制系统，实现主变室内温度的实时控制。同时，风机采用变频调速水冷式风机，实现运行过程的节能。

2.1 智能控制系统结构

智能控制系统的结构如图2所示，在智能控制器的作用下，通过对实测温度与设定值的偏差对主变室的通风量进行调节，保持主变室内温度稳定在设定值上，使变压器正常运行，避免超温运行所带来的寿命损失甚至故障。本文将采用遗传模糊控制系统[7-8]对主变室温度进行控制，模糊控制器的结构如图3所示。之所以采用模糊控制，是因为该控制方法不需要知道控制对象的精确的数学模型，而且我们可以直接应用主变室内的各种控制经验。温度设定值可通过监控计算机进行设置。该系统能够有效克服进风温度、排风温度、风速、变压器运行负荷、变压器油b 温等因素对室温的影响，使得变压器运行在安全稳定的温度范围内。

图2 智能控制系统的结构

图3 模糊控制系统的结构

2.2 模糊控制算法

在遗传模糊控制模糊控制系统中，其数据集和规则集的选择直接决定着控制系统的性能。对于规则集，本文采用经验规则。设主变室即时温度、变压器表面即时温度为T、Tb，设定温度为Ts、Tsb，则令e=(e1，e2)=(Ts—T，Tb—Tsb)、ec=de/dt。设模糊系统的输入变量为多维变量(e、ec)，输出变量为r=(r1，r2)，r1为控制进风风机的变频器的可接收信号，r2为控制排风风机的的变频器的可接收信号。

输入输出变量的模糊划分如下所示。

在数据集一定的情况下，经典规则表示如下：

本文采用FGA 算法[9]来对经验规则进行优化。

对于数据集，首先通过尺度变换将输入变量变换为在区间[-10，10]范围内的数值,输出变量变换在区间[0，10]范围内的数值。此时，要在算法解模糊阶段对其反变换，以得到控制风机的变频器的输入信号。输入变量、输出变量的隶属函数均采用三角形隶属函数。ei、eci及ri的模糊度划分分别如下：NB∈( -1 0,- 6)，NM∈( -7 ,- 2)，NS∈( -3 ,0)，ZO∈( -0.5,0.5)，PS∈(0,3)，PM∈ (2,7)，PB∈ (6,10)，Higher∈(8,10)，High∈ (6,9)，Medium∈(4,7)，Low∈ (1,5)，Lower∈ (0,2)偏移距离d取值为1.5。为实现快速优化，本文采用遗传偏移调节算法来优化模糊控制器的隶属函数[10]，以得到最优的控制性能。对于评价函数，本文将采用文献[11]中的给出的适应度函数。

2.3 系统仿真及工程实践分析

该工程所用的变压器型号为 SZ9-40000kVA/ 110kV，其空载损耗约为 36.3kW，负载损耗约为148kW，额定电流为210A/2199A，有效散热面积约为389m2。本文在对变压器的发热升温原理的基础上，建立如式（3）所示的主变室通风散热模型

采用模糊控制系统后在LΙNUX 环境下通过C++建立GFS 控制系统，仿真分析后可以得到主变室的温度曲线如图4所示。经过系统建模及在Matlab下分析可以得知系统的增益裕度约为64.4dB，相角裕度约为97.7°，符合工程要求。

3 结论

通过对主变室空气流动及传热理论模型的研究，设计出较为优化的通风降温系统。对于该系统采用智能模糊系统进行控制，经过过变电站的实际运行可以得出：该控制系统具有一定的鲁棒性。而 且通过技改前后的实测效果对比可知，该系统是有效的、可靠的。

图4 主变室温度仿真结果

然而，在模糊控制中尚未考虑模糊规则的冗余问题，下一步将对该问题做一定的研究，并建立更加优化的控制系统。

[1] 莫文雄,曾文斐.室内变电站主变通风散热问题的分析及对策[J].广东输电与变电技术,2004(5):27-31.

[2] 周剑,杨月灿,余贵良.通风降温措施在大型变压器上的应用[J].华东电力,2009,37(10).

[3] 陈涛,李武兴,梁向东,等.35kV 变压器室通风系统选型与改造[J].供用电,2009,26(2).

[4] 金立军.变压器室对流换热的分析[J].电力建设,2000,43(8):19-22.

[5] 舒恺,黄琰波,等.变压器通风状况的实测研究[J].浙江电力,2010(12):1-3.

[6] 吴群刚,梁新刚,等.方形空间通风换热的气流组织性能数值分析(J).航天医学与医学工程,2000,3(13).

[7] Mamdani E H,Assilian S.An experiment in linguistic sythesis with a fuzzy logic controller[J].Ιnternational Journal of Man-MachineStudies,1975: 1-13.

[8] Cordon O,Gomide F,Herrera F,Hoffmann F,Magdalen A L.Ten years of genetic fuzzy systems : current framework and new trends[J].Fuzzy Sets and Systems ,2004:5-31.

[9] 张博,张怀相.倒立摆控制系统的遗传优化方法[J].杭州电子科技大学学报,2009,29(3):49-51.

[10] 张博,张怀相.倒立摆控制系统的遗传优化方法[J].杭州电子科技大学学报,2009,29(5):129-132.

[11] 李孝安,张晓贵.基于遗传算法的PΙD 控制参数寻优方法及应用[C].北京:中国自动化学会第十届青年学术年会论文集,1994:304-307.