CN109346278B - 基于高温环境下的变压器室温度优化方法 - Google Patents

基于高温环境下的变压器室温度优化方法 Download PDF

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Abstract

一种基于高温环境下的变压器室温度优化方法，属室内温控领域，其对进排风系统进行自动化温控改造，降低风扇损坏率并降低线损；增设循环风道，将原本无法维修的风扇降低高度，便于日常维修与维护；依据环境温度变化，智能化启停可以大大降低风扇使用频率并降低损坏率和线损；引入离心风机促进室内外冷热空气对流，对变压器进排风系统进行改造，构建了一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，实现更为高效经济的主变室降温。可广泛用于各种变压器室散热系统的设计或改建领域。

Description

基于高温环境下的变压器室温度优化方法
技术领域
本发明属于室内温控领域，尤其涉及一种基于高温环境下的变压器室温度优化方法。
背景技术
随着居民生活水平的不断提高以及夏季生活、生产中的用电量的不断增加，变电站的变压器所承受的负荷也在创新高。通过对近2年某区中心站管辖范围内35KV变电站的统计中发现，在迎峰度夏期间，每年就有近30台主变每天处于过负荷的运行状态下；其中有16台主变本体上层油温超过80度并发信。因此，变电站主变室(亦称变压器室，下同)温度调控成为变电运维生产一线亟待解决的问题。
目前主变室传统的降温方法包括：
①通过主变室四周百叶窗形成空气对流自然冷却；
②在主变本体四周放置大功率风扇，加速主变四周空气流通；
③在主变散热片下方安装风扇，加快散热片热量蒸发。
现有传统的降温方法各有弊端，都无法满足负荷急剧升高的主变降温需求：
第一种方法的弊端在于由于变压器室土建结构对限制，变压器室通风窗有效面积不足。新建变电站中的变压器室尺寸受整个建筑物柱距的限制，有些变压器室的进深过深，变压器远离进出风百页窗的位置，减弱了变压器周围的通风效果。同时，由于变压器室上部百叶窗容易积灰阻滞空气流通，但因受限于作业人员与变压器母排间的安全距离清洁困难，大大降低了主变室内的空气流动效率。
第二种方法的弊端在于放置风扇以及风扇的启停均需要人为控制，在迎峰渡夏期间每天则需要出动更多人力。由于风扇的作用局限于带动室内热空气流转，并不能形成冷热气流交换。并且四台大功率风扇同时启动，电机运转散发的热量不容小觑，因此放置大功率风扇的方法耗费人力的同时并不能实现较高的散热效率。
第三种方法的弊端在于安装于散热片下的风扇，维护以及检修需要涉及到变压的二次回路，非常不方便。同时，这种方法也不能形成冷热空气对流，降温效率并不高，与维护成本相比，性价比很低。
国家标准图中，给定变压器通风窗的面积为有效面积，通风窗的面积有效系数小于1。但是现有部分变电站的设计没有注意到面积与有效面积之间的差异，设计时按标准图中要求的面积向土建提出条件，实际上变压器室的通风窗面积又一次被缩减，通风窗的面积不满足变压器运行的条件。新建变电站中的变压器室尺寸受整个建筑物柱距的限制，有些变压器室的进深过深，变压器远离进出风百页窗的位置，减弱了变压器周围的通风效果。目前虽已在变压器室出风百叶窗旁加设了排风扇进行强制换气，但由于排气扇的气流与出风百叶窗气流相互较劲，不能有效的形成冷热空气对流，因此排气扇的效率没有充分得到发挥。
变压器在运行过程中室内空气被加热，热空气上升与进出风百叶窗构成流动气流通道，进出风百叶窗高差越大，空气流动速度越快，通风效果越好。但由于变压器室上部百叶窗容易积灰阻滞空气流通，但因受限于作业人员与变压器母排间的安全距离清洁困难，大大降低了主变室内的空气流动效率。
目前35KV变电站内的主变，绝大多数为油浸自冷式变压器，仅通过变压器本体上散热片来散发热量；而目前35KV变电站的主变多为室内布置，由于变压器室内空间相对较小，内部空气仅通过主变大门上的百叶窗和室内上方的离心机进行交换流通，因带电设备安全距离的原因，在设备运行时，维修人员无法登高到变压器室顶进行应有的维护和维修，损坏后造成主变室空气交换不顺畅，热空气不能及时排出，较冷的空气无法进入室内，造成主变散热能力进一步减弱。
实际工作中急需一套能适应上述情况的主变室自动散热的循环系统，来实现更为高效经济的主变室降温功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高温环境下的变压器室温度优化方法。其通过智能化启停变压器的本体冷却风扇，增设变压器室强制通风用离心风机，大大降低风扇使用频率并能降低损坏率和线损；对离心风机出风口位置进行了改进和优化，将原来与风机进风口在同一水平线上的出风口改造成垂直状，将金属出风管道的直角弯头改为弧形管道结构，通过风机的离心力将热空气直接排出，提高了变压器室的散热效率，构建了一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，实现更为高效经济的主变室降温。
本发明的技术方案是：提供一种基于高温环境下的变压器室温度优化方法，其特征是：
针对主变运行时其顶部风扇无法维修的现状，将变压器进排风系统进行如下改造：
1)将进排风系统进行自动化温控改造，降低风扇损坏率并降低线损；
2)增设循环风道，将原本无法维修的风扇降低高度，便于日常维修与维护；
3)依据环境温度变化，智能化启停可以大大降低风扇使用频率并降低损坏率和线损；
4)引入离心风机促进室内外冷热空气对流，对变压器进排风系统进行改造，以构建一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，实现更为高效经济的主变室降温。
具体的，所述的自动化温控改造包括设置一套由RS触发器模块、选择模块以及电机控制模块组成的自动温控系统；在室温达到35℃时RS触发器中R端口置为1，触发器Q被置为0；
当温度继续升高时S＝0R＝0，则触发器保持原状态；
当温度继续攀升至40时，RS触发器S端口置为1，则触发器Q被置为1，且随着温度的升高触发器输出保持原状态；
在降温过程中，温度降至40℃时，RS触发器仍然保持Q＝1的状态，直至降至35℃时，触发器的输出Q＝0，并保持在此状态；
RS触发器能够实现温度升至40℃时启动风机，当温度降至35℃时关闭风机的控制策略，避免风机过分频繁的启停损耗；
选择模块的输入为RS触发器的输出电压，在选择模块中设置中间值2.5V；当RS触发器Q输出为1时，则输出高电平5V。当选择模块输入5V时，判断电压均大于2.5V，则分别输出35℃的设定温度以及实时室温；选取最恶劣的环境条件，现场调试PI模块以确定模块中的参数，满足快速降温的要求；
电机控制模块采用id＝0控制策略，给定直轴电流参考值id*为0，同时由转速闭环得到交轴参考电流信号iq*；通过PI调节器对系统的d-q轴电流进行独立控制，再经过三相SVPWM调节器输出PWM波控制PWM变频器，从而控制三相异步电动机转速。
具体的，所述的对变压器进排风系统进行改造，包括引入离心风机促进室内外冷热空气对流。
进一步的，所述的离心风机为GDF式管道风机。
对于所述的离心风机，将原来与离心风机进风口在同一水平线上的出风口，改造成与风机叶轮轴心线相垂直设置，以减少排风过程中出现的直角弯，减少空气流动过程中的损耗，提高主变室的散热的效率。。
所述的变压器室温度优化方法，变压器室的进风口在排风口的上侧；在不低于离室外地坪2.0m处采气；进风口距离排风口20m以上，。
若如不能满足所述的进风口在排风口上侧的要求，则排风口应设置成高出进风口6m的距离。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.通过采用本技术方案对变压器室温控系统进行自动化温控改造，能降低风扇损坏率并降低线损；
2.采用智能化启停模式，可以大大降低风扇使用频率并降低损坏率和线损；
4)增设离心风机，强制促进室内外冷热空气对流，对现有的变压器进排风系统进行改造，构建了一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，可实现更为高效经济的主变室降温。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明基于逻辑选择的RS触发器模块控制框图；
图3是本发明电机控制模块的控制框图。
图中1为离心风机，1-1为离心风机的进风口，1-2为离心风机的出风口，2为金属出风管道，2-1为直角式直角拐弯，2-2为弧形管道结构，3为隔离墙，4为变压器室，5为方形开口，6为金属出风管道的出风口，7为百叶窗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1中，本发明技术方案，包括离心风机1、金属出风管道2、测温传感器和风机控制模块，其具体构成如下：
将测温传感器设置在变压器室内；
在变压器室外设置一个垂直的设备间隔间，所述设备间隔间与变压器室4之间的隔离墙3上设置一个方形开口5；
所述离心风机的进风口1-1直接套装设置在所述的方形开口中；
将离心风机、金属出风管道和风机控制模块设置在垂直的设备间隔间中；
将原来与离心风机进风口1-1在同一水平线上的出风口1-2改造成垂直状，通过离心风机的离心力将热空气直接排出，提高变压器室的散热效率；
将金属出风管道中的直角拐弯，修改为弧形管道结构，减少排风过程中出现的直角弯，减少了空气流动过程中的损耗，提高了气流通过效率；
所述的金属出风管道竖向设置在设备间隔间中，经一个弧形管道结构伸出至设备间隔间外，所述金属出风管道的出风口设置在设备间隔间之外。
进一步的，所述离心风机的出风口设置在与离心风机叶轮中心轴线相垂直的方向上。
由此，本发明的技术方案提供了一种基于高温环境下的变压器室温度优化方法，其发明点在于：
针对主变运行时其顶部风扇无法维修的现状，将变压器进排风系统进行如下改造：
1)将进排风系统进行自动化温控改造，降低风扇损坏率并降低线损；
2)增设循环风道，将原本无法维修的风扇降低高度，便于日常维修与维护；
3)依据环境温度变化，智能化启停可以大大降低风扇使用频率并降低损坏率和线损；
4)引入离心风机促进室内外冷热空气对流，对变压器进排风系统进行改造，以构建一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，实现更为高效经济的主变室降温。
具体的，所述的自动化温控改造包括设置一套由RS触发器模块、选择模块以及电机控制模块组成的自动温控系统；在室温达到35℃时RS触发器中R端口置为1，触发器Q被置为0；
当温度继续升高时S＝0R＝0，则触发器保持原状态；
当温度继续攀升至40时，RS触发器S端口置为1，则触发器Q被置为1，且随着温度的升高触发器输出保持原状态；
在降温过程中，温度降至40℃时，RS触发器仍然保持Q＝1的状态，直至降至35℃时，触发器的输出Q＝0，并保持在此状态；
RS触发器能够实现温度升至40℃时启动风机，当温度降至35℃时关闭风机的控制策略，避免风机过分频繁的启停损耗；
选择模块的输入为RS触发器的输出电压，在选择模块中设置中间值2.5V；当RS触发器Q输出为1时，则输出高电平5V。当选择模块输入5V时，判断电压均大于2.5V，则分别输出35℃的设定温度以及实时室温；选取最恶劣的环境条件，现场调试PI模块以确定模块中的参数，满足快速降温的要求；
电机控制模块采用id＝0控制策略，给定直轴电流参考值id*为0，同时由转速闭环得到交轴参考电流信号iq*；通过PI调节器对系统的d-q轴电流进行独立控制，再经过三相SVPWM调节器输出PWM波控制PWM变频器，从而控制三相异步电动机转速。
具体的，所述的对变压器进排风系统进行改造，包括引入离心风机促进室内外冷热空气对流。
进一步的，所述的离心风机为GDF式管道风机。
对于所述的离心风机，将原来与离心风机进风口在同一水平线上的出风口，改造成与风机叶轮轴心线相垂直设置，以减少排风过程中出现的直角弯，减少空气流动过程中的损耗，提高主变室的散热的效率。。
所述的变压器室温度优化方法，变压器室的进风口在排风口的上侧；在不低于离室外地坪2.0m处采气；进风口距离排风口20m以上，。
若如不能满足所述的进风口在排风口上侧的要求，则排风口应设置成高出进风口6m的距离。
图2中，本技术方案中设置了两个温度阈值35℃以及40℃，在室温达到35℃时脉冲发生器2发出脉冲，RS触发器中R端口置为1，此时触发器的输入为S＝0R＝1，则触发器Q被置为0。温度继续升高时S＝0R＝0，则触发器保持原状态。当温度继续攀升至40时，脉冲发生器1发出脉冲，RS触发器S端口置为1，此时触发器的输出为S＝1R＝0，则触发器Q被置为1，且随着温度的升高触发器输出保持原状态。降温过程中，温度降至40℃时RS触发器仍然保持Q＝1的状态，直至降至35℃时，触发器的输入为S＝0R＝1，此时输出Q＝0，并保持在此状态。RS触发器能够实现温度升至40℃时启动风机，当温度降至35℃时关闭风机的控制策略，避免风机过分频繁的启停损耗。
本技术方案中的选择模块的输入为RS触发器的输出电压，输出高电平为5V，低电平为0V。
在选择模块中设置中间值2.5V。
当RS触发器Q输出为1时，则输出高电平5V。当选择模块输入5V时，判断电压均大于2.5V则分别输出35℃的设定温度以及实时室温。
选取最恶劣的环境条件，现场调试PI模块以确定模块中的参数，满足快速降温的要求。将计算出的温差输入PI模块，得出电机所需角速度ω。
图3中，本技术方案中的电机控制模块采用id＝0控制策略，给定直轴电流参考值id*为0，同时由转速闭环得到交轴参考电流信号iq*；通过PI调节器对系统的d-q轴电流进行独立控制，再经过三相SVPWM调节器输出PWM波控制PWM变频器，从而控制三相异步电动机转速。
在本技术方案中，为了描述传热过程，假设变压器体的温度均匀，建立了准稳态中心参数变压器室传热模型。
变压器主体的总热容是固定值，不随温度变化。室内空气自然对流是准稳态，气流根据自然对流平衡计算。通过变压器房间的墙体的散热是准稳态的。变压器损耗转换为变压器主体的温度。基于上述假设，建立了变压器室的传热方程：
Figure BDA0001850119490000071
Figure BDA0001850119490000072
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，式中各符号含义如下：n：变压器主体主要材料种类；Ta：变压器室内空气温度；ρi：第i种材料的密度；ρa：室内空气密度；Vi：第i种材料的体积；Va：变压器室内总的空气体积；cpi：第i种材料的比热；cpa：室内空气比热；T：变压器的温度；m：自然对流的空气流量；Q：变压器的发热量；Te：室外环境温度；α：变压器与周围空气间换热系数；Ti：第i面墙体外侧的空气温度；A：变压器散热面积；Ki：第i面墙体总的传热系数；t：时间；Ai：第i面墙体的面积；z：变压器室与周围接触墙面数目。
第i面墙体的热平衡方程：
Figure BDA0001850119490000073
式中：αi、αo分别为室内、室外侧空气对流换热系数；δi为第i面墙体厚度；λwi为第i面墙体热导率；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：
Q＝Qb+Qr(I/Ie)2 (4)
式中：Qb、Qr分别代表空载损耗和负载损耗；I、Ie分别代表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：
α＝c(T)x (5)
c和x是常数，主要与变压器散热器的结构有关。T是变压器温度与室内空气温度之差。自然对流气流。除了考虑出口的阻力外，m的计算还考虑了其他位置的流阻。在入口处，通风口的体积流量与通风孔之间压力差的平方根成正比，即：
Figure BDA0001850119490000081
Figure BDA0001850119490000082
式中：·
Figure BDA0001850119490000083
分别为通过底部进风口、顶部出风口的空气流量；A1、A2分别为底部进风口、顶部出风口的面积；ζ1、ζ2分别为进风口、出风口处的阻力系数；ρe为室外空气的密度；Δp1、Δp2分别为进风口、出风口处的内外压差。设克服其他位置流动阻力的压差为Δp0，在室温和一个大气压的空气可以被认为是理想的气体。空气密度差由温度表达式代替，总驱动压力差Δp为：
Figure BDA0001850119490000084
Figure BDA0001850119490000085
这里φ＝3 460Pa·K/m，H为进出风口间距，ζ0剩余位置的流阻系数。在稳态假设下，进气质量等于风质，求解上述方程得到风口内外压差：
Figure BDA0001850119490000086
将(10)代入(7)即可得空气流量。
根据这些数据变压器的总热量计算，经过墙壁导热量的扣除后得到自然通风散热能力，实际气流阻力系数为获得。在Matlab程序之后，根据变压器房间布的测量，ζ拟合位置得到其余的流阻系数为ζ0＝3.08，根据低池变压器房间的测量数据，zeta拟合位置得到剩余的流阻系数为ζ0＝14.2。低压变电室其余部分的流阻系数远高于变压室。主要原因是热气流面积减少了约10m。此外，可以看出，其他位置产生的流动阻力与入口和出口的阻力相比并且根据变压器室的实际结构不是很小。由于变压器室和变压器低压变电室与制造商生产相同，所以散热器的结构，公式(5)可以认为是一样的，集成两个变压器房间配件实验数据得到α＝0.122(T)1.25的传热系数公式。在确定两台变压器房间数据的特征时，根据上海地区的气象条件(夏季气温32℃，平均室外温度32℃)进行全负荷和部分负荷运行计算，初始油温为60℃，室内空气温度为37℃，墙体温度为34℃，最终油温为86.9℃。
离心风机是根据动能转换为势能的原理，利用高速旋转的叶轮将气体加速，然后在风机壳体内减速、改变流向，使动能转化为压力能。叶轮式离心风机的主要部件，叶轮在旋转时产生离心力，将空气从叶轮中甩出，汇集在机壳中升高压力，从出风口排出。叶轮中的空气被排出后，形成了负压，抽吸着外界气体向风机内补充。从离心风机德原理可以知，在离心力的作用下气体集中在管道壁周围，在空气流通过程中遇到直角弯时，空气流动方向发生变化产生涡流，空气与管道的摩擦增大。直角弯对气体的阻力变大，造成沿程压力损失增大。计算表明，在相同的截面积和压力下，直角风道将导致通风流量减少20％，严重的损耗将大大降低主变室的通风效率。
因此本技术方案对离心风机进行了改造，由于选取的XX站的主变室土建结构限制，在铺设通风管道时风道需要弯折。将原来与风机进风口在同一水平线上的出风口改造成垂直状，减少排风过程中出现的直角弯，减少了空气流动过程中的损耗，提高了主变室的散热的效率。
按照去年同期8月22日的温度32℃的温度数值和今年8月16日也是32℃的环境温度进行比较。XX变电站1号主变去年最高负荷为963A主变温度78℃。今年在安装好变压器室温控自动化系统后，负荷电流为958A接近的情况下，现场实测变压器温度为68℃。变压器室内环境温度也由原来的56℃变为41℃。达到了预期的目标效果。
通过采用本技术方案对变压器室温控系统进行自动化温控改造，能降低风扇损坏率并降低线损；可以大大降低风扇使用频率并降低损坏率和线损；采用强制促进室内外冷热空气对流的模式，对现有的变压器进排风系统进行改造，构建了一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，可实现更为高效经济的主变室降温。
本发明可广泛用于各种变压器室散热系统的设计或改建领域。

Claims (6)

1.一种基于高温环境下的变压器室温度优化方法，包括针对主变运行时其顶部风扇无法维修的现状，将变压器进排风系统进行改造，引入离心风机促进室内外冷热空气对流；其特征是：
1)将进排风系统进行自动化温控改造，降低风扇损坏率并降低线损；
2)增设循环风道，将原本无法维修的风扇降低高度，便于日常维修与维护；
3)依据环境温度变化，智能化启停可以大大降低风扇使用频率并降低损坏率和线损；
4)对变压器进排风系统进行改造，以构建一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，实现更为高效经济的主变室降温；
其中，对变压器进排风系统进行改造包括在变压器室外设置一个垂直的设备间隔间；在设备间隔间与变压器室之间的隔离墙上设置一个方形开口，将离心风机、金属出风管道和风机控制模块设置在垂直的设备间隔间中；离心风机的进风口直接套装设置在方形开口中，金属出风管道竖 向设置在设备间隔间中，金属出风管道的进风口与离心风机的出风口连接，金属出风管道的出风口设置在设备间隔间之外；
其中，所述的自动化温控改造包括设置一套由RS触发器模块、选择模块以及电机控制模块组成的自动温控系统；在室温达到35℃时RS触发器中R端口置为1，触发器Q被置为0；
当温度继续升高时， S＝0， R＝0，则触发器保持原状态；
当温度继续攀升至40时，RS触发器S端口置为1，则触发器Q被置为1，且随着温度的升高触发器输出保持原状态；
在降温过程中，温度降至40℃时，RS触发器仍然保持Q＝1的状态，直至降至35℃时，触发器的输出Q＝0，并保持在此状态；
RS触发器能够实现温度升至40℃时启动风机，当温度降至35℃时关闭风机的控制策略，避免风机过分频繁的启停损耗；
选择模块的输入为RS触发器的输出电压，在选择模块中设置中间值2.5V；当RS触发器Q输出为1时，则输出高电平5V；当选择模块输入5V时，判断电压均大于2.5V，则分别输出35℃的设定温度以及实时室温；选取最恶劣的环境条件，现场调试PI模块以确定模块中的参数，满足快速降温的要求；
电机控制模块采用id＝0控制策略，给定直轴电流参考值id*为0，同时由转速闭环得到交轴参考电流信号iq*；通过PI调节器对系统的d-q轴电流进行独立控制，再经过三相SVPWM调节器输出PWM波控制PWM变频器，从而控制三相异步电动机转速；
所述基于高温环境下的变压器室温度优化方法，通过智能化启停变压器的本体冷却风扇，增设变压器室强制通风用离心风机，大大降低风扇使用频率并能降低损坏率和线损；对离心风机出风口位置进行改进和优化，将原来与风机进风口在同一水平线上的出风口改造成垂直状，将金属出风管道的直角弯头改为弧形管道结构，通过风机的离心力将热空气直接排出，提高了变压器室的散热效率，构建了一套基于高温环境下的变压器室温度优化方法，实现更为高效经济的主变室降温。
2.按照权利要求1所述的基于高温环境下的变压器室温度优化方法，其特征是所述的对变压器进排风系统进行改造，包括引入离心风机促进室内外冷热空气对流。
3.按照权利要求2所述的基于高温环境下的变压器室温度优化方法，其特征是所述的离心风机为GDF式管道风机。
4.按照权利要求3所述的基于高温环境下的变压器室温度优化方法，其特征是对于所述的离心风机，将原来与离心风机进风口在同一水平线上的出风口，改造成与风机叶轮轴心线相垂直设置，以减少排风过程中出现的直角弯，减少空气流动过程中的损耗，提高主变室的散热的效率。
5.按照权利要求1所述的基于高温环境下的变压器室温度优化方法，其特征是所述的变压器室温度优化方法，变压器室的进风口在排风口的上侧；在不低于离室外地坪2.0m处采气；进风口距离排风口20m以上。
6.按照权利要求5所述的基于高温环境下的变压器室温度优化方法，其特征是如不能满足所述的进风口在排风口上侧的要求，则排风口应设置成高出进风口6m的距离。
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