主變壓器室通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

李一寧

（河南省電力公司，鄭州 450000）

城市變電站的變壓器一般為室內(nèi)布置方式，其換熱條件受制約較多。城市經(jīng)濟(jì)的高速增長對電力的需求也越來越大，夏季高溫時(shí)顯得尤其明顯，大部分變壓器都在接近或超過滿負(fù)荷的情況下運(yùn)行，因而夏季高溫時(shí)主變室的散熱冷卻問題已經(jīng)成為影響變壓器出力和安全運(yùn)行的一個嚴(yán)重因素。為防止溫度過高而影響變壓器出力及產(chǎn)生多種缺陷，電力運(yùn)行部門已經(jīng)積極采取一些措施，也開展了一系列的科學(xué)研究。莫文雄等著重分析主變室內(nèi)通風(fēng)不足的原因，并對主變室內(nèi)的通風(fēng)設(shè)計(jì)提出一些有價(jià)值的建議[1]；周劍等分析主變壓器低壓側(cè)套管升高座過熱問題并制定出相應(yīng)的改造措施[2]；陳濤、李武興等通過對變壓器室內(nèi)溫度的各項(xiàng)因素分析，提出了應(yīng)對室內(nèi)溫升和通風(fēng)散熱的方法[3]，除此還有其他大量的同類研究都能解決特定的問題。但這些措施難以全面、有效的解決主變室散熱問題。金立軍采用對流換熱微分方程描述針對主變室導(dǎo)熱的特點(diǎn)，并通過計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析，得出主變室散熱的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]；舒愷、黃琰波等通過建立主變室換熱的微分方程，并通過現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)來擬合主變室通風(fēng)阻力系數(shù)和變壓器散熱公式中的常數(shù)[5]，這些數(shù)據(jù)對主變室的合理設(shè)計(jì)提供直接的幫助。由此如何按照動力與流體力學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)以保證主變室合理的環(huán)境運(yùn)行溫度是非常有必要的。其中采用何種通風(fēng)方式并科學(xué)布置、合理選擇通風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對變壓器散熱降溫的實(shí)時(shí)智能控制，是目前電網(wǎng)系統(tǒng)所需要解決的一項(xiàng)研究內(nèi)容。

本文先介紹了應(yīng)用主變室內(nèi)空氣流動及傳熱理論模型，對主變室的通風(fēng)降溫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；接著將工程實(shí)現(xiàn)主變室及變壓器散熱通風(fēng)和溫度智能實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

1 通風(fēng)降溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

變壓器運(yùn)行過程中的發(fā)熱量主要由變壓器的鐵損與銅損組成。變壓器線圈和鐵心的熱量以油為介質(zhì),通過傳導(dǎo)和對流的方式傳至變壓器表面和散熱器,再與空氣進(jìn)行熱交換把熱量帶走。本節(jié)在參考文獻(xiàn)[6]基礎(chǔ)上，依據(jù)空氣流動與傳熱理論模型得到描述艙內(nèi)空氣流動和傳熱的質(zhì)量、動量、能量方程，如式（1）所示。

式中，為速度矢量，T、ρ、P、μ分別為溫度、密度、壓力及運(yùn)動粘度，k為導(dǎo)熱系數(shù)，Cρ為空氣比熱容，g為重力加速度，E為變壓器產(chǎn)生的熱量耗散的速率。邊界條件假定為所有壁面上分速度為零、不考慮垂直于紙面墻壁的導(dǎo)熱性能、變壓器表面溫度為Tb、進(jìn)口處風(fēng)溫Tj恒定且等于室外環(huán)境溫度、出進(jìn)口處風(fēng)溫Ts恒定且等于室內(nèi)環(huán)境溫度、進(jìn)口處風(fēng)速的大小和方向已知。根據(jù)此模型，為進(jìn)行數(shù)值研究，對主變室截取一個截面如圖1所示。

圖1 主變室剖面圖

本文采用平均努謝爾數(shù)作為主變室通風(fēng)換熱能力強(qiáng)弱的指標(biāo)。各項(xiàng)指標(biāo)如式（2）所示。

當(dāng)溫差一定時(shí)，換熱系數(shù)越高，對流換熱的熱流密度越大，溫度分布越均勻，其換熱的能力也越強(qiáng)。溫度熱負(fù)荷一定時(shí)，所需通風(fēng)量也越小。

本文通過FLUENT 軟件采用交錯網(wǎng)格的SΙMPLE算法對模型進(jìn)行數(shù)值模擬。依據(jù)公式（1）的指標(biāo)，該通風(fēng)降溫系統(tǒng)系統(tǒng)特設(shè)計(jì)如下： ①為提高有效通風(fēng)面積，在進(jìn)排風(fēng)口處采用柵格加百葉窗罩蓋。而且在主變室下部，靠近地面約40cm 的墻體多開進(jìn)氣窗口，增加進(jìn)風(fēng)口的面積；②為提高通風(fēng)效率，進(jìn)風(fēng)口處于主變室下部，排風(fēng)口處于主變室上部；③為增強(qiáng)變壓器的散熱效果，進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口之間的空氣對流路徑應(yīng)經(jīng)過變壓器；④風(fēng)機(jī)采用水冷式風(fēng)機(jī)類型。

2 主變室散熱通風(fēng)及溫度智能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

室內(nèi)變壓器的正常運(yùn)行與室內(nèi)溫度密切相關(guān)，而影響室內(nèi)溫度的因素主要有變壓器運(yùn)行發(fā)熱量、進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)溫度、排風(fēng)溫度等。為了保持室內(nèi)溫度在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，單單依賴常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行通風(fēng)散熱滿足不了要求，而且室外環(huán)境溫度對散熱效果也有較大影響，針對該問題，通過對進(jìn)風(fēng)量、排風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)溫度、排風(fēng)溫度、變壓器油溫、變壓器運(yùn)行功率等參數(shù)的檢測，設(shè)計(jì)一個智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主變室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速水冷式風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程的節(jié)能。

2.1 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，在智能控制器的作用下，通過對實(shí)測溫度與設(shè)定值的偏差對主變室的通風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持主變室內(nèi)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，使變壓器正常運(yùn)行，避免超溫運(yùn)行所帶來的壽命損失甚至故障。本文將采用遺傳模糊控制系統(tǒng)[7-8]對主變室溫度進(jìn)行控制，模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。之所以采用模糊控制，是因?yàn)樵摽刂品椒ú恍枰揽刂茖ο蟮木_的數(shù)學(xué)模型，而且我們可以直接應(yīng)用主變室內(nèi)的各種控制經(jīng)驗(yàn)。溫度設(shè)定值可通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)置。該系統(tǒng)能夠有效克服進(jìn)風(fēng)溫度、排風(fēng)溫度、風(fēng)速、變壓器運(yùn)行負(fù)荷、變壓器油b 溫等因素對室溫的影響，使得變壓器運(yùn)行在安全穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。

圖2 智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖3 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.2 模糊控制算法

在遺傳模糊控制模糊控制系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)集和規(guī)則集的選擇直接決定著控制系統(tǒng)的性能。對于規(guī)則集，本文采用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。設(shè)主變室即時(shí)溫度、變壓器表面即時(shí)溫度為T、Tb，設(shè)定溫度為Ts、Tsb，則令e=(e1，e2)=(Ts—T，Tb—Tsb)、ec=de/dt。設(shè)模糊系統(tǒng)的輸入變量為多維變量(e、ec)，輸出變量為r=(r1，r2)，r1為控制進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)的變頻器的可接收信號，r2為控制排風(fēng)風(fēng)機(jī)的的變頻器的可接收信號。

輸入輸出變量的模糊劃分如下所示。

在數(shù)據(jù)集一定的情況下，經(jīng)典規(guī)則表示如下：

本文采用FGA 算法[9]來對經(jīng)驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化。

對于數(shù)據(jù)集，首先通過尺度變換將輸入變量變換為在區(qū)間[-10，10]范圍內(nèi)的數(shù)值,輸出變量變換在區(qū)間[0，10]范圍內(nèi)的數(shù)值。此時(shí)，要在算法解模糊階段對其反變換，以得到控制風(fēng)機(jī)的變頻器的輸入信號。輸入變量、輸出變量的隸屬函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)。ei、eci及ri的模糊度劃分分別如下：NB∈( -1 0,- 6)，NM∈( -7 ,- 2)，NS∈( -3 ,0)，ZO∈( -0.5,0.5)，PS∈(0,3)，PM∈ (2,7)，PB∈ (6,10)，Higher∈(8,10)，High∈ (6,9)，Medium∈(4,7)，Low∈ (1,5)，Lower∈ (0,2)偏移距離d取值為1.5。為實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化，本文采用遺傳偏移調(diào)節(jié)算法來優(yōu)化模糊控制器的隸屬函數(shù)[10]，以得到最優(yōu)的控制性能。對于評價(jià)函數(shù)，本文將采用文獻(xiàn)[11]中的給出的適應(yīng)度函數(shù)。

2.3 系統(tǒng)仿真及工程實(shí)踐分析

該工程所用的變壓器型號為 SZ9-40000kVA/ 110kV，其空載損耗約為 36.3kW，負(fù)載損耗約為148kW，額定電流為210A/2199A，有效散熱面積約為389m2。本文在對變壓器的發(fā)熱升溫原理的基礎(chǔ)上，建立如式（3）所示的主變室通風(fēng)散熱模型

采用模糊控制系統(tǒng)后在LΙNUX 環(huán)境下通過C++建立GFS 控制系統(tǒng)，仿真分析后可以得到主變室的溫度曲線如圖4所示。經(jīng)過系統(tǒng)建模及在Matlab下分析可以得知系統(tǒng)的增益裕度約為64.4dB，相角裕度約為97.7°，符合工程要求。

3 結(jié)論

通過對主變室空氣流動及傳熱理論模型的研究，設(shè)計(jì)出較為優(yōu)化的通風(fēng)降溫系統(tǒng)。對于該系統(tǒng)采用智能模糊系統(tǒng)進(jìn)行控制，經(jīng)過過變電站的實(shí)際運(yùn)行可以得出：該控制系統(tǒng)具有一定的魯棒性。而 且通過技改前后的實(shí)測效果對比可知，該系統(tǒng)是有效的、可靠的。

圖4 主變室溫度仿真結(jié)果

然而，在模糊控制中尚未考慮模糊規(guī)則的冗余問題，下一步將對該問題做一定的研究，并建立更加優(yōu)化的控制系統(tǒng)。

[1] 莫文雄,曾文斐.室內(nèi)變電站主變通風(fēng)散熱問題的分析及對策[J].廣東輸電與變電技術(shù),2004(5):27-31.

[2] 周劍,楊月燦,余貴良.通風(fēng)降溫措施在大型變壓器上的應(yīng)用[J].華東電力,2009,37(10).

[3] 陳濤,李武興,梁向東,等.35kV 變壓器室通風(fēng)系統(tǒng)選型與改造[J].供用電,2009,26(2).

[4] 金立軍.變壓器室對流換熱的分析[J].電力建設(shè),2000,43(8):19-22.

[5] 舒愷,黃琰波,等.變壓器通風(fēng)狀況的實(shí)測研究[J].浙江電力,2010(12):1-3.

[6] 吳群剛,梁新剛,等.方形空間通風(fēng)換熱的氣流組織性能數(shù)值分析(J).航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2000,3(13).

[7] Mamdani E H,Assilian S.An experiment in linguistic sythesis with a fuzzy logic controller[J].Ιnternational Journal of Man-MachineStudies,1975: 1-13.

[8] Cordon O,Gomide F,Herrera F,Hoffmann F,Magdalen A L.Ten years of genetic fuzzy systems : current framework and new trends[J].Fuzzy Sets and Systems ,2004:5-31.

[9] 張博,張懷相.倒立擺控制系統(tǒng)的遺傳優(yōu)化方法[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(3):49-51.

[10] 張博,張懷相.倒立擺控制系統(tǒng)的遺傳優(yōu)化方法[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(5):129-132.

[11] 李孝安,張曉貴.基于遺傳算法的PΙD 控制參數(shù)尋優(yōu)方法及應(yīng)用[C].北京:中國自動化學(xué)會第十屆青年學(xué)術(shù)年會論文集,1994:304-307.