预装式变电站热负荷特性与散热讨论

张侠

【摘 要】随着经济的不断发展，城市供电格局已经产生了巨大的变化，前些年的集中降压以及长距离的配电方式会对城市的发展起到制约公用。当前城市电网建设要求高压要直接进入到市区当中，且要到达负荷的中西，在此大背景之下，预装式变电站得到了广泛的应用。本文主要从预装式变电站自身的结构与特点角度出发，从实际应用情况入手，对预装式变压器在我国的发展现状、内部高低压配电装置以及变压器箱进行了分析。

关键词：预装式变电站热负荷特性 散热

中图分类号： TM63 文献标识码： A

预装式变电站的特点就是“小”，要保证外形最小化，但是最小化的外形也代表着会给内部热量散发带来影响，如果预装式的变电站散热不够通常，则会直接对产品可靠性以及实际使用寿命产生巨大的影响，所以本文主要从通风散热的情况这一角度入手，对如何实现具有高可靠性且满足小型紧凑化的预装式变电站进行分析。

一、预装式变压器

预装式变压器又被人们称之为户外成套变电站。是上世纪60年代-上世纪70年代欧洲诸多西方国家共同研究与发布的一种作为户外成套变电所的一种新型的变电设备。在进入到上世纪90年代中期之后，我国出现了简易的箱式变电站，但是并没有得到较为广泛的应用。在90年代末期时，我国制造技术与科研投入都在不断增大，对电力的需求产生质变，预装式变压器才得以广泛的应用。近年来相关技术发展比较快，但是整体水平依旧要低于发达国家，所以我国的预装式变压器存在较大的发展空间。预装式变电站共由高压配电装置以及低压配电装置等结构组成。预装式变电站具有成套性强、整体体积较小以及占地少等诸多特点，所以目前已经广泛应用于机场、施工工地以及风力发电等场所。

二、预装式变压器温升试验及性能分析

变压器在正常传输功率的前提下，需要消耗掉自身的一些电能，这些电能就是空载损耗以及负载损耗。电能在转化成热能时，会导致变压器自身温度的提升。为了可以将变压器的温控控制在一个安全的范围之内，会在结构建造上加入一些散热面导热。小容量产品靠箱壁散热，中型产品通常情况下会使用散热管或者散热器，但是这些方法在大型工程上显然是不实用的，所以会适当增加自然油循环吹风这一冷却方式。在预装式变电站的箱内，空气会从箱体下侧部分的栅格当中逐渐转移到箱体内部。在箱体当中，空气会通过湍流的方式途径变压器以及高低压柜的表面，利用对流这一方式将设备所产生的热量带走，保证变压器内部温度的恒定。

从各预装变电站温升的情况来看，油浸式的变压器在装入箱体之后，顶层油的温升值提升了12K，这一数值可以满足当前国标BG /T17467-2010当中的相关要求。与庄变电站外壳级别从5K-30K不等。在相同情况下，外壳级别小，变压器所要承受的符合能力越大，同样外壳级别比较小，就代表了该变电站通风散热能力比较强。在实际使用过程当中，一些用户会从节约成本的角度出发，将变电站进行小型化以及紧凑化处理，为了提升之变压器整体利用效率，会要求预装变电站的外壳级别最小化。

三、变电站的模拟计算

1.模型的构建

从实际情况入手，建立一4.1mX3.4mX4m的预装式变电站模型，该模型当中包含了变压器室以及高低压室。电压器同两位2250KVA，同时具备高低压柜，外形的尺寸是1.8mX2.4mX3.1m，从底部进风，于顶部的四周出风。选择k-ε模型，设进风口速度为边界条件，固定进口空气的射流速度以及射流方向与湍动能扩散率，同时将设备出风口定义成速度出口的边界条件，各壁面当绝热的边界，高低柜作为非滑移墙体进行处理，进风口的温度定位300K，变压器温度定在365K，忽略其内部整体结构。

2.箱内的温度分布

可以使用模拟计算的方式对Z值进行确定，分别为±1.8、±1.2、±0.6、0.通过总结实际情况我们可以发现，变电站的箱体内部，越靠近顶部右侧，出风口位置温度就越高，流场的变化会直接决定整体温度场变化， 因为气流整体是从上至下流动的，因为设备右侧变压器室会占据比较大的空间，所以上方的空间整体比较小，因为左侧高低柜温度较低，所以大气流的运动较为容易，可以带走大量热量。气流变化会直接影响到温度场自身的变化，所以流场的差异一定会影响到热源间的温度。有高低柜的界面温度要明显高于没有高低压柜的地区，因为气流的运动会受到高低压柜的影响，所以上方空间的气流整体运动比较小，带走的热量也少，所以该地区的温度比较高。从箱体出口位置的速度分布当中可以发现，顶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较均匀，贴近壁面的粘滞阻力速度会比中间位置的流速小，符合整体流体特点。在试验中，箱体出口温度上，顶部靠近出口位置的右侧方向，因为变压器室会给气流带来阻碍，所以该位置温度要比其余部分温度高，因为高低压柜两侧的空间足够，所以温度要低很多。

通过试验我们发现，变电站箱体内部，靠近顶部右侧的出风口位置温度要明显高于其余地区的温度，因为流场变化会直接决定温度场上的变化，气流会从下方逐渐向上方来运动，因为右侧的变压器室占据了比较大的空间，所以上方的空间就比较小，但是左侧会收到高低压柜的影响，本身温度就要低于其余地区，并且空气流动也比较容易，所以气流带走的热量要高于其余位置。从截面Z=-1.8以及Z=1.8这两点上，沿着固定方向，在有高低压柜的绝面当中，其上方温度要明显比没有高低压柜的位置高。在右侧面靠近底部地区，因为变压器室和墙壁之间的空间较小，进而产生了挤压作用，导致箱体内部在这一位置的气流值较高。地面的碛口从进风口当中进入，会收到变压器室的影响，导致碛口在出风口位置汇集，所以该位置的温度要明显高于其余位置的温度。

四、变压器热效应与温度分布

变压器的运行过程中，绕组、铁心以及引线等钢结构构建是设备的主要热源，因为上述零件在电磁能量的转换过程当中必然会产生损耗，损耗部分会转换成为热量。绕组损耗会站到整体损耗的80*以上，所以绕组为变压器内部热源的主体。长期处于热作用情况之下的绝缘必然会损失弹性，整体变的比较松脆，而且因为受到变压器运行中产生的机械损坏，绝缘的拉伸强度以及弯曲程度都会受到机械强度的影响，进而导致电气强度不足。A级油浸式的变压器绕组热点要比平均温度提升13K，代表了绕组的年均温度在98℃以下。

变压器内部热量的散发主要依靠热传导以及辐射等对流的模式来完成的，内部温差在5℃左右，热量从绕组当中散发到油中，都是要依靠对流来实现的，热量从油中散发到箱壁内，也要依靠该形式来实现。箱壁内部的热传导形式温差在3℃左右，通过对流与辐射两种形式共同实现散热，而铁心到周围介质之间也存在与此相同的散热条件。下图为油浸自冷式的变压器温度沿高度方向的一种比较典型的分布，其中曲线1代表了油箱外表面温度，而曲线2则代表了油自身的温度，曲线3则表示铁心自身的温度，最后一条曲线4代表绕组温度。

在通过数值模拟计算时，计算迭代到60分钟，油区的温度上升比较慢，因为变压器当中没有热源，热量的产生集中于绕组内部，且要比铁芯与油区内的温度高。在迭代120分钟之后，油区温度开始变化，比60分钟时最高高出20K，如果继续迭代，那么温度提升会更加明显。通过该模拟计算我们可以发现，内部最高温均在绕组，不同油位高度温升变化基本吻合。不同介质当中温度梯度比较明显，并且在相同介质当中变化趋势较小。

结束语：

本文主要从变压器热效应与温度分布、变电站的模拟计算、预装式变压器温升试验及性能分析、预装式变压器四方面，联合模拟计算与试验等方式，对预装式变电站热负荷特性与散热进行了讨论，旨在帮助相关从业人员更好的认识该类型装置，提升工作效率与工作质量。

参考文献：

【1】赵彬，李先庭，彦启森.用 CFD 方法改进室内非等温送风气流组织设计[J].应用基础与工程科学学报, 2010, 8(4):376-386.

【2】王秀春,吴明训.由变压器温升试验结果确定绕组内油平均温升的非线性回归方法[J]. 变压器. 2011，31(1):20-23

【3】贾子瑜, 姚日琪,王秀莲等. 强油导向冷却电力变压器的油流工程计算方法[J].变压器.2011. 35(2):34-37

【4】咸日常.电力变压器温升与冷却装置改造的技术经济分析[J].高压电器,2012,25(1):58-61.

【6】肖永强.预装式变电站热负荷特性及散热研究[D].华南理工大学硕士学位论文，2012,：05-07.

【7】孙兵，曾庆赣.半埋式热管散热双层预装式变电站[M].第18届CIRED2011年配电开关设备文集,2011:222-224.