变压器室通风状况的实测研究

舒 恺，黄琰波，张绍志，李永存

（1.宁波市电力设计院，浙江 宁波 315020；2.浙江大学制冷与低温研究所，杭州 310027）

输 配电

变压器室通风状况的实测研究

舒 恺1，黄琰波1，张绍志2，李永存2

（1.宁波市电力设计院，浙江 宁波 315020；2.浙江大学制冷与低温研究所，杭州 310027）

通过对两个运行的变压器室进行15天以上的连续监测，获得了室内外温度、油温、运行功率等数据。采用集中参数模型对这些现场数据进行了拟合，得到了变压器室通风阻力系数和变压器散热公式中的常数。在此基础上，对夏季极端环境条件下的变压器油温进行了模拟。

变压器室；通风；油温；散热；实测；模拟

处于市区或近郊区的新建变电所或变电站，由于占地面积受到限制、需要考虑噪音对周边的影响，往往采用全户内型布置，如何将变压器在运行中产生的大量热量通过通风方式排出室外，保证变压器的安全稳定运行，是变电所设计的重要任务之一。目前有关变压器室通风散热的研究和资料不多，变压器室设计所需的基础数据较为缺乏。本文对现有变压器室进行现场测试，并运用传热理论对收集到的数据进行综合处理，得到现有变压器室通风的基础数据。

1 变压器室的现场测试

对位于宁波市的两个变压器室进行了现场测试，其中布政变的变压器型号为 SZ9-40000 kVA/110 kV，空载损耗为36.3 kW，负载损耗148 kW，额定电流210/2199 A，变压器散热片的总散热面积为388.8 m2。低塘变的变压器型号为SZ10-40000 kVA/110 kV，空载损耗为33 kW，负载损耗148 kW，额定电流210/2 199 A，变压器散热片的总散热面积为388.8 m2。温度测量采用铂电阻Pt100，信号接入Agilent数据采集仪表（采集单元34 970 A、采集卡34 901 A），数据记录采用计算机，采集软件用Datalogger。测试期间变压器的油温和运行功率由变压器室所在集控站的工作人员提供。布政变压器室的测试时间为2009年9月4-21日，低塘变压器室的测试时间为2009年9月23日-10月10日，测试时间均超过半个月。

2 理论模型

为描述换热过程，建立了准稳态的集中参数变压器室换热模型，并假设：

（1）变压器本体的温度是均匀一致的。

（2）变压器本体的总热容是固定值，不随温度变化。

（3）室内空气的自然对流是准稳态的，空气流量根据稳态自然对流的公式计算。

（4）通过变压器室墙体向室外散热为准稳态。

（5）变压器的损耗都转化为变压器本体的温度升高。

根据以上假设，建立描述变压器室的传热方程组，其中方程（1）描述变压器的能量平衡，方程（2）描述变压器室内空气的能量平衡。

式中：n为变压器主体主要材料种类；ρi为第i种材料的密度；Vi为第i种材料的体积；Cpi为第i种材料的比热；T为变压器的温度；Q为变压器的发热量；α为变压器与周围空气间的换热系数；A为变压器散热面积；t为时间；z为变压器室与周围接触墙面数目；Ta为变压器室内空气温度；ρa为室内空气密度；Va为变压器室内总的空气体积；Cpa为室内空气比热；为自然对流的空气流量；Te为室外环境温度；Ti为第i面墙体外侧的空气温度；Ki为第i面墙体总的传热系数；Ai为第i面墙体的面积。

第i面墙体的热平衡方程：

式中：αi、αo为室内、室外侧空气对流换热系数；δi为第i面墙体厚度；λwi为第i面墙体导热系数；Mi为第i面墙体的质量；Cwi为第i面墙体的比热容。

变压器的发热量与负载大小有关，按下式计算[3]：

式中：Qb、Qr为空载损耗和负载损耗；I、Ie为变压器运行电流和额定电流。

变压器本体与空气间的对流换热系数α采用形式[3]：

式中：c、x为常数，主要与变压器散热片结构有关；ΔT为变压器温度与室内空气温度的差值。

自然对流的空气流量计算除考虑进出风口位置的阻力外，还考虑其它位置的流动阻力。在进出风口，通过风口的体积流量与风口两侧压力差的平方根成正比，即：

设克服其它位置流动阻力的压差为Δp0。处于室温附近、1个大气压下的空气可视作理想气体，将空气密度差用温度表达式替代，则总驱动压差Δp为：

式中：φ=3 460 Pa·K/m；H为进出风口间距；ζ0为其余位置流动阻力系数。

在稳态假设下，进风质量等于出风质量，联立求解上述方程得出风口处的内外压差：

将式（10）代入式（7）即可得到空气流量。

3 拟合结果分析

两个变压器室的数据实测都持续了较长时间，根据这些数据计算变压器总放热量，减去通过墙体的导热量后得到自然通风散热量，进而得到空气流动的实际阻力系数。编制Matlab计算程序后，根据布政变的实测数据，拟合得到其余位置流动阻力系数ζ0为3.08；根据低塘变的实测数据，拟合得到其余位置流动阻力系数ζ0为14.2。低塘变其余位置的流动阻力系数要比布政变高很多，主要原因是低塘变的热空气流动面积在高约10 m以上缩小了很多。另外，可以看出与进出风口处阻力相比，其它位置产生的流动阻力是不小的，要根据变压器室的实际结构确定。

布政变和低塘变的变压器由同一厂家生产，散热器的结构完全一样，公式（5）中的系数相同，在拟合得到ζ0后，综合两个变压器室的实测数据后可得到换热系数α为0.122（ΔT）1.25。

在确定两个变压器室的特征数据后，根据宁波地区的气象条件（夏季通风温度32℃、平均室外气温32℃）进行了满负荷以及部分负荷运行的计算，初始油温定为60℃，室内空气温度37℃，墙体温度34℃。图1给出了布政变满负荷运行的曲线，最终油温为86.9℃，图2给出了布政变在不同负荷下的最终稳定油温曲线。图3给出了低塘变满负荷运行的曲线，最终油温为86.5℃，图4给出了低塘变在不同负荷下的最终稳定油温曲线。以上油温均为平均油温，顶层油温比平均油温高15℃左右，满负荷运行时两个变压器室的顶层油温高于100℃。如果日平均气温达到35℃，则布政变满负荷运行平均油温为90℃，低塘变满负荷运行平均油温为89.6℃。

图1 布政变满负荷模拟

4 结语

通过对两个变压器室通风状况进行的实地测量，结合传热数学模型对所得数据进行处理，得到了两个变压器室自然通风的阻力系数，以及变压器散热器的换热公式。这些基础性数据的获取将为变压器室的设计提供参考。

图2 布政变不同负荷下的油温

图3 低塘变满负荷模拟

图4 低塘变不同负荷下的油温

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

[2]吴缪缪，周建华.全自然通风室内110 kV自冷式大型主变的噪声及温升[J].浙江电力，1999，21（5）：11-14.

[3]姚志松，姚磊.中小型变压器实用全书[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]陆亚俊.暖通空调[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

（本文编辑：杨 勇）

Research on Field Measurement of Ventilation in Transformer Room

SHU Kai1，HUANG Yan-bo1，ZHANG Shao-zhi2，LI Yong-cun2
（1.Ningbo Electric Power Design Institute,Ningbo Zhejiang 315020，China；2.Refrigeration and Cryogenic Engineering Institute,Zhejiang University,Hangzhou 310027，China）

Continuous monitoring for two transformer rooms in operation was conducted for over fifteen days. The environmental and room temperatures,transformer oil temperature and operational power were recorded. Through the simulation of the field data with a lumped-parameter model,the friction coefficient of ventilation and the constants of the formula for the transformer radiator were obtained.On that basis,simulations were carried outfor the transformer oiltemperature under extreme summer conditions.

transformer room；ventilation；oiltemperature；heatdissipation；actualmeasurement；simulation

TU834.3+3

：A

：1007-1881（2010）12-0001-03

2010-03-10

舒 恺（1973-），男，浙江宁波人，工程师，从事输电工程土建、建筑暖通设计及研究。