配电站智能化节能通风系统

张 弛，傅晓飞，黄 玉，姜 芸，陈筱平，韩浩江，王乃盾，许 敏，张思平

（1.国网上海市电力公司，上海 200122；2.国网上海市电力公司市北供电公司，上海 200072；3.上海神洁环保科技发展有限公司，上海 201100）

0 引言

随着我国城市建设的不断发展，配电站应用不断增多。配电站内变压器等设备在运行过程中会导致配电房内气温上升，当温度达到一定值时，会引起变压器损耗增加、运行效率下降。因此，配电房内必须维持一定的温湿度状态，才能保证其中的设备能够安全正常运行。一般要求配电站室内温度不超过40℃。由于配电柜及变压器发热量很大（一般为变压器功率的1.26%～1.52%），在夏季各主配电室气温上升较高，导致设备的稳定性下降，因此需要通风降温以保证机房内的余热能够及时排除，以避免温度超过允许值［1］。

1 配电站常用的散热降温方法

通常配电站内采用的散热降温措施包括：安装空调进行降温；采用排热通风扇进行通风散热等［2］。

1）采用空调通风降温效果比较好，但空调开放会消耗大量电能。

2）采用排热通风扇进行通风散热时，由于配电设备会受到阳光紫外线（波长为280～400nm）的影响，对配电设备会造成一定损伤，减少设备的使用寿命。同时，配电站内的灰尘也会使设备发生缺陷和故障的概率增高。其次，在受到阳光照射时，由于热辐射作用，使配电站内温度升高，需要更多的通风来完成降温工作。此外由于变压器本体振动及其风冷装置振动产生的噪声，会对外界环境造成一定的影响。

2 仿真模拟配电站内温度场

2.1 变配电站设备的散热量

配电站内设备表面温度高于室内环境温度而产生的设备散热，即设备表面温度与环境（包括设备周围的围护结构与空气）温度的不同所产生的两种不同散热方式，主要包括两个方面，一是由于设备表面温度与室内物体表面温度的差异而产生的辐射传热（不考虑空气中的辐射传热）；二是由于设备表面温度与室内空气温度的差异所引起的对流传热［3］。

2.1.1 辐射传热量

壁面温度（开氏温度）为Tw、环境温度为Tf时，变压器设备的辐射换热量为：

式中：Ar为辐射表面积，m2；ε为表面发射率，普通钢板表面发射率为0.820。

2.1.2 对流传热量

对流传热量的计算公式为：

2.2 模拟变配电站内温度场

本文采用有限元法FEM分析软件ANSYS，对配电房内辐射传热量和对流传热量的计算来分析配电房室内温度场，配电房室内变压器和高压开关柜在运行时处于稳态传热状态。通过对配电房内辐射传热量和对流传热量的计算，确定配电房室内稳定热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。ANSYS稳态热分析的基本步骤包括建立有限元模型、施加载荷、求解和后处理［4］。

以上海某配电站为例，配电房长度为20m、宽度为10m、高度为3.5m。对温度场的计算结果显示在面积为20m×10m的配电房内，通风系统进风口风机距地0.5m，加过滤网送入室内，排风机距离配电房顶部距离为0.5m，热源之间距离8m×4m为最佳位置。

3 配电站发热量估算

配电房内设备运行时产生的热量，即变压器的总损耗P包括空载损耗P0和负载损耗Pe。空载损耗为常数，负载损耗等于负载率（低压侧电流I和低压侧额定电流Ie之比，或高压侧电流与高压侧额定电流之比）的平方乘以额定负载时的负载损耗Pe，即［2］

电缆的散热量可由载流电缆的损耗求出，损耗功率以一年最热季节中可能产生的最大损耗进行计算。一条n芯电缆损耗功率的表达式为：

式中：Pr为损耗功率，W；I为一条电缆的计算负荷电流，A；r为电缆运行时平均温度为50℃时电缆芯的电阻率（铜芯为0.019 3Ωmm2／m，铝芯为0.031 6Ωmm2／m）；S为电缆芯截面，mm2。

由式（4）可以看出，配电站的发热量是比较大的。配电房内变压器与开关柜的散热方式主要包括辐射换热和对流换热。对流换热包括自然对流和强制对流换热。自然对流换热主要发生在开关设备、变压器与风机不接触的表面部分散热，对流换热主要发生在风机辐射范围内的流体散热。

4 对配电站的改造措施

4.1 使用微正压通风过滤装置对配电房通风降温

选用K型、P型配电站作为试点进行降温方式改造。在K型配电站中使用微正压通风过滤装置代替空调对配电房内降温，而在P型配电站中直接使用微正压通风过滤装置进行通风降温，而安装位置可依据配电站内温度场分布情况进行选择。

此种降温方式是使用风机把室外自然风经过过滤装置通到室内，以降低室内温度。微正压通风过滤装置的风机控制箱，可根据所侦测到的室内温度智能改变风速大小，以控制室内温度在适当的范围，从而保证室内设备的正常安全运行。

4.2 使用太阳能板发电系统为风机提供电能

在配电站房顶安装太阳能板发电系统为风机提供电能，与以前使用空调降温方式相比，节约了大量电量。例如：一般配电房内使用的是5匹中央空调，功率大约为12kW。在正常运行情况下，一天需要电量为12kW×24h＝288（kWh）。而使用太阳能电池板为风机提供电能，一天可至少节约288kWh的电量，起到了节能效果。此太阳能电池板具有很好的储电功能，可保证阴天下雨时风机正常运作的使用电量。

4.3 微正压通风过滤装置

微正压通风过滤装置使封闭母线外壳内部，产生一个略高于外部大气压的干燥气压差，迫使外界环境中的潮气、灰尘、盐雾等不能侵入封闭母线的外壳内，而留在窗口除尘网上。这样使风机所得到是一种洁净干燥的风，使得配电房内环境保持清洁干燥，避免灰尘等进入配电房内对设备造成损害。

4.4 配电房顶安装雨水收集器

在配电房顶安装雨水收集器，使设计收集的雨水流经路线经过窗口除尘网。在下雨时，雨水收集器会接收其所在面积的雨水，使其汇集在一起，在流经窗口除尘网时，雨水冲刷除尘网达到清洁作用，不仅可减少清洁人员的工作量，而且为电力公司节省了人力成本。雨水收集器除尘流程图如图1所示。

图1 雨水收集器除尘流程图

5 开发一种防火保温材料

针对上海变配电站的特点，开发了一种防火保温材料。

5.1 防火保温材料性能指标

导热系数：≤0.032W／（m·K）；耐酸性48h：无异常；耐碱性96h：无异常；耐盐雾500h：无异常；耐老化1000h：合格。

5.2 防火保温材料的作用［5］

变配电站安装此防火保温材料后，不仅可使配电房外墙保温，而且可有效防止因太阳照射而导致的配电房内温度升高。同时，防火保温材料对外界起到消除噪声的作用。

6 结论

通过对配电站进行温度场模拟分析，形成了配电房的智能化节能通风系统，制定了配电房的节能减排实施方案。

1）开发了微正压通风过滤装置，可替代空调对配电房通风降温，并使用太阳能电池板为其提供电量，不仅节约了大量的电能，而且使得配电房内能够保持清洁。

2）开发的防火保温材料不仅可有效防止因太阳照射而导致的配电房内温度升高，同时可起到减少噪声污染等作用。

3）配电房顶安装雨水收集器可有效清洁窗口除尘网，减少人员对配电站内设备进行维护清洁的工作量，节省了人力成本。

［1］那恺.变配电室降温方式简述［J］.暖通空调HV＆AC，2010，40（4）：101－103.

［2］黄伦，武兴民，张燕涛.风冷式电力变压器散热计算的讨论［J］.陕西电力，2007（1）：50－54.

［3］张楠，陈民铀，孔维政.配电房温度场分布模型与优化设计研究［J］.重庆工商大学学报（自然科学版），2010，27（2），164－167.

［4］张耀华，李汛.地下箱式变电站内通风换热的模拟计算［J］.科学技术与工程，2006.33（7）：25－28.

［5］阎瑾瑜，马先伟.保温材料防火性［J］.广州化工，2011，39（11）：27－29.