变电站高压带电设备可移动式智能降温系统设计研究

张烈勇，曹 伟，贾晓明

（国网江苏省电力有限公司 超高压分公司扬州运维站，江苏 扬州 225001）

0 引 言

变电站是电力系统的核心节点，对于电能的分配以及稳定供电具有重要的意义。目前，随着我国电力系统规模的不断扩大，变电站也需要承担更多的电能转换任务。而由于变电站设备在长期高负荷运转的情况下，往往会产生大量的热量，这些热量又往往是变电站设备故障以及变电站安全事故的重要诱因，因此在进行电力基础设施建设的过程中需要采取更为有效的降温手段才能确保变电站的稳定运行。传统变电站采取被动式降温，或者单一的风冷降温，难以满足实际的降温需求。变电站高压带电设备可移动式智能降温系统的设计，采取更为智能化以及多元的降温方式，有效降低了变电站高压带电设备的温度，保证相关设备能够安全稳定的运行。

1 传统降温策略的局限性和变电站高压带电设备可移动式智能降温系统设计的意义

变电站高压带电设备的发热缺陷直接影响供电系统的可靠性。在高压设备发热缺陷发生后，如何将热点温度控制在可控范围内，避免因发热缺陷造成主设备临停，对提高供电系统可靠性具有重要意义[1]。2022年6月26日，扬州运维站江都变2号主变中性点C相套管桩头发热，热点温度达90.8℃，套管负荷电流为700 A，属危急缺陷。处于建党100周年保电特殊时段，主变临停处理发热会对电网运行方式造成较大影响。运维站根据提前准备的应急预案，在6月27日加装了运维站自行研制的鼓风设备，增加发热部位的对流散热，热点温度由87.39 ℃下降至57.71 ℃，降温效果明显。上述简易降温装置应用的案例表明，增加对流散热在降低热点温度，控制热点部位缺陷升级方面有着突出作用。虽然这种采用对流散热原理的降温装置在常规情况下，对降低热点温度方面效果明显，但也存在下面的局限性。

（1）单一降温策略效果有局限性。之前在对江都变2号主变中性点发热的缺陷数据跟踪时发现，当环境温度高（14:00左右）、负荷电流较大（超过1 000 A）时，采用这种降温方式，热点温度还是会上升至接近80 ℃，很难将热点温度有效控制在合理范围内。

（2）导风管路绝缘强度不满足要求。采用的PVC管路虽然拼装操作简单，成本低，但对于高电压设备而言，其绝缘性能无法满足要求。

（3）导风管路自身无法固定。现行管路固定方案是借助主变消防管路做支撑，若想适用各种高压设备类型，需要管路自身配有设备支架，实现对自身的支撑。

（4）功能单一。装置需与红外在线测温系统配合使用，无法感知被降温设备的温升情况，无法实现降温方式的自适应。

鉴于上述简易降温装置的局限性，提出风冷+水冷+压缩制冷的组合降温策略。研制变电站高压设备可移动式智能降温系统，实现在不停电的情况下对发热设备进行降温处理，将热点温度控制在较低的缺陷等级，避免主设备的紧急停运。

2 可移动式智能降温系统设计的重点及创新点

2.1 可移动式智能降温系统设计的重点

所研究的变电站高压带电设备可移动式智能降温系统具有一定的复杂性，在研究的过程中需要考虑到具体的应用场景以及降温系统的降温效率。在研发实践中需要关注以下几方面的内容。

（1）电流制热型发热缺陷的发热机理、散热和热点温度的数学建模。研究高压设备热点温度随负荷电流、环境温度、风速、湿度等因素的变化关系[2]。在此基础上明确研究的方向，为后续的研究做好准备。

（2）变电站高压带电设备可移动式智能降温系统设计。该部分为核心设计内容，在该部分的设计中，需要确定系统的组成部分以及各部分设备的选型。

（3）高压风机的风量、风速测算和风机的选型计算。所设计的变电站高压带电设备可移动式智能降温系统需要保证功耗以及降温能力的合理，不仅需要保证足够的降温能力，同时也应避免降温能力溢出，因此高压风机的风量、风速测算和风机的选型计算是十分必要的。

（4）导风管路的设计和绝缘测试。变电站的环境较为特殊，站内设备需要处理大量的高压电流，在这种环境的降温系统需要具有比较强的绝缘性能，才能保证系统安全稳定运行，而通过测试导风管路的绝缘能力，能够为导风管的选材奠定基础，确保系统具有比较强的绝缘能力。

（5）水冷降温模块和水净化系统的设计，净化水的绝缘测试。所设计的变电站高压带电设备可移动式智能降温系统采用风冷结合水冷的结合降温方式，因此在进行系统设计的过程中需要不断优化系统的水冷模块，确保水冷模块能够有效过滤水中的杂质，并且具有较强的绝缘性能，满足实际使用的需求。

（6）压缩制冷模块的设计和空压机的选型计算[3]。变电站高压带电设备可移动式智能降温系统中风冷系统吹出的空气需要经过压缩制冷模块才能达到有效降温的作用，系统中的压缩制冷模块必须要能够满足变压站的使用场景需求，具有较高的稳定性，而所选定的空压机则必须具有合适的功率，从而保证冷空气能够稳定的吹出。

（7）3种降温模式的测试和系统控制策略研究。变电站高压带电设备可移动式智能降温系统具有3种降温模式，分别是风冷降温、水冷降温以及风冷水冷集合降温，在设计的过程中需要准确测算不同降温模式的降温能力以及功耗水平，在此基础上优化系统设置，是系统能够按照实际的降温要求智能选择不同的降温模式。

2.2 可移动式智能降温系统的创新点

目前，市面上已经出现了不同类型规格的变电站高压带电设备可移动式智能降温系统，基于变电站运营管理实践进行设计，具有较强的实用性，与常规降温系统相比，主要有以下几方面的优势。

（1）导风管的绝缘性能强。导风管采用环氧树脂材质，绝缘性能好，能达到220 kV带电清扫绝缘操作杆的绝缘标准。一方面保证了该系统具有较高的安全性，另一方面能有效提升系统运行的稳定性，降低系统后续的维护成本。

（2）导风管可实现自身固定。导风管采用可伸缩的锁扣设计，实现高度在1.6～6.8 m任意调节，安装、固定方便。支架可采用多种方式固定，稳固牢靠。该设计保证了降温系统能够适应不同场景的使用需求，对不同规格型号的高压设备均具有良好的兼容性，有利于该降温系统的大规模推广。

（3）多模式的综合降温策略。组合降温策略，在大负荷的关键时段及特殊气温环境下，可有效弥补风冷降温效果不佳的短板，提升了综合降温效能。高压变电站设备的发热量巨大，尤其在高温天气下，采用单一的降温手段难以有效降低设备热量，而该系统采取风冷与水冷结合的方式，有效提升了降温的效率，能够适应极端气候条件下的降温需求[4]。

（4）状态感知、自适应。装置配有红外测温模块，可以感知发热设备的热点温度和环境温度，进而自适应地控制出风量，切换各种降温模式[5]。状态感知以及自适应技术的加入，使得该套系统具备了智能化的特点，确保该套系统始终能够在合适的功率区间内运行，提升了系统的节能水平。

3 可移动式智能降温系统的设计方案

3.1 可移动式智能降温系统实施方案

变电站高压设备在运行的过程中会产生大量的热量，因此针对变电站高压设备的降温系统设备不能采取被动式降温，需要采取更为高效的主动式降温[6]。目前来看，风冷以及水冷是较为成熟的主动式降温方案。在设计变电站高压带电设备可移动式智能降温系统的过程中采用风冷+水冷+压缩制冷的组合降温策略。在风冷模式下，户外空气经鼓风机增压后，经导风管路送至发热点，通过低温气体带走热量。而水冷模式下，主要通过将净化处理后的纯水（电阻率不低于3 000 Ω cm）以“雾状” 的形式喷洒到发热点。通过水汽的蒸发吸热进一步提升降温效果。水冷+风冷+压缩制冷模式就是在上述制冷模式下，增加压缩机制冷，空气经专用接口导入鼓风机，再在鼓风机的推动下送至发热点。

3.2 可移动式智能降温系统总体架构

所设计的变电站高压带电设备可移动式智能降温系统主要包括高压风机、可伸缩式绝缘导管、制冷压缩机、净水系统以及合成橡胶软管。在系统运行的过程中，制冷压缩机会将户外空气降温，送入高压风机，高压风机内的冷却空气则能够通过可伸缩式绝缘导风管被直接送入发热点进行降温[7]。在该系统中，水流会通过导管进入到净水系统中，净水系统会过滤掉水中的杂质，防止堵塞输水管道，经过滤后的水会通过软管输送至发热点，通过水流的循环带走热量。在风冷系统以及水冷系统的共同作用下实现快速降温的作用。

3.3 可移动式智能降温系统模块功能设计

3.3.1 风冷模块

户外空气经鼓风机增压后，经导风管送至发热点。风冷模块应满足的以下条件：（1）热点流过的电流为1 000 A；（2）接触电阻为200 μΩ；（3）环境温度为30 ℃；（4）发热点的大小为60 mm2；（5）导风管与发热部位的距离为3 m；（6）目标温度控制在 90 ℃内[8]。

3.3.2 导风管

应满足管件可以伸缩，以方便现场的施工操作；管件要有足够的绝缘强度，达到带电清扫绝缘操作杆的绝缘标准；配备固定支撑部件，实现自身的固定支撑，满足抗风、抗震要求。

4 结 论

变电站高压带电设备可移动式智能降温系统的研究成果可广泛应用于控制变电站主变、断路器、母线、导线等高压导流设备。在上述设备的接线桩头、套管桩头、线夹等部位发生发热缺陷后，采用该装置对发热部位进行组合策略的降温，实现将热点温度控制在一般缺陷的缺陷等级范围内，进而避免高压设备的紧急停电。可移动的成套装置能够切实解决现场设备发热问题，具有广泛的应用前景和商业推广。