基于综合环境控制的室内变电站通风方式

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Ventilation mode of indoor substation based onintegrated environmental control technologyGUO Sheng ，HUANG Wei ，XUE Lin ，MAO Zhengping(1.School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.Wuxi Huaneng Electric Machinery Co.，Ltd，Wuxi Jiangsu 214000，China)Abstract：The environmentoftheindor substation achievestheintegrated control ofthetemperature，thehu-midity and the Imisonous gas SF6 by combing the exhaust equipment with the air conditioning and refrigera-tion.Mathaatical models of the temperature and the humidity are built according to the integrated factors ofindoor and outdor environment.By stimulating the integrated control of the size and the location of air supplyoutlet，the humidty，the temperature and the volume of the supply air of the indor substation on indoor envi-ronment，we establish various ventilationInDdes of indoor substation.In addition，we stimulate the tendency ofthe temperature and the ventilation in the Fluent program，and accomplish optimal ventilation arrangementn-lebytheeompamtive analysis. e paperdesignstheindor substationcomprehensive safetygtmrmtee sys-tern test bench which is able to carry out the indor and outdor controlable air flow under the micro-lzsitivepressure condition and achieves the laminar supplement of indor fresh air.We determine the environm entalfactors of the indoor substation based on theoretical analysis and simulation results. lat is，by ng the eom-pmhensive safety guarantee system test bench to determine the indor temperature，humidity and SF6 gas den-sity.The experimental and simulation results show that the ventilation mode of the indor substation and theintegrated environm ental control of the indoor substation&re closely related。

Key words：indoor substation；temperature；humidity；air supply收稿日期：2012.09-28基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项 目资助(NCET.12。0769)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2013JBM013)作者简介：郭盛(1972-)，男，内蒙古呼和浩特人，副教授 ，博士.研究方向为机器人机构学.email：s uo###bjtu.edu.ca。

北 京 交 通 大 学 学 报 第 37卷室内变电站将常规变电站的主变压器、电容器和电抗器等设备布置于室内，承担负荷区域与电网之间的功率交换.采用室内布置的变电站能够带来节省土地资源，减少变电站辐射危害，更好地保障人体安全等好处.室内变电站由于存在许多发热量大的设备，其特殊的工作环境 ，还会造成室内粉尘污染、缺氧、高温度、高湿度、易结露、SF6浓度高等危害人体降和电气设备安全运行的环境质量问题。

目前解决上述问题采用的主要技术是：通过安装分散布置的通风、空调等功能单-的装备，实现了部分问题的解决.上述单-功能解决单-问题的方法，没有考虑室内空气 自然通风、空调控制之间存在的内在矛盾，无法实现室内各类环境指标的协调控制，且运行中耗能巨大，无法全面满足变电站对环境的技术要求.关于室内变电站环境控制的研究，金立军等通过对变压器室内对流换热的分析，建立了变压器室通风模拟计算的数学模型，优化了变压器的位置.Jianming[ ]与 Fereira等E ]均对群体建筑的风场实施了模拟.陈建国等l4j采用数值方法，结合标准 -r湍流模式求解非定常 Reynolds平均 Naiver-Stokes方程，对北京市海淀区蓝旗营住宅楼群的二维和三维风环境进行了数值模拟.张耀华等5采用LvEL湍流模型，IMMERSOL辐射模型，采用布辛涅斯克(Boussinesq)假设，对地下箱式变电站内的温度场 、流厨行了数值模拟，分析比较了不同因素对变电站内温度场的影响.钱同生 6 J根据国际气象组织推荐的计算公式推导了简化湿度计算公式.曲有立 7结合工程实际，分析了变电所通风设计的方法、原则.姚富宏等l8j结合几种通风空调方案的比较分析，优化了室内变电所通风方案.赵民等9 J采用计算流体力学技术，对地板送风系统在不同送风参数条件下室内送风口和工作区的温度梯度进行数值模拟，得出送风参数对室内环境的影响规律.袁德虎等l0 J根据 Beatie-Bridgman状态方程，利用牛顿迭代法完成了对 SF6浓度的测量.本文作者通过建立温湿度数学模型、SF6浓度建模，综合控制温湿度、S 浓度，研究通风方式的设置对室内各环境因素的影响.在此基础上，通过理论计算及模拟结果分析，得出通风设置与室内变电站环境控制的关系，优化室内变电站通风方式，开发室内变电站综合环境控制保障系统.将保障系统按照模拟方法布置于室内，运用现代传感器与智能控制技术，测量室内变电站各环境参数，验证理论计算及模拟结果的正确性。

1 室内变电站综合环境数学建模室内变电站环境因素包括室外气象条件 建筑周围环境热湿状况、室内设备仪器温湿度和 SF6浓度等。

1.1 室内变电站温度建模室内变电站温度受室外气象条件与室内设备仪器及灯光散热等影响，采用以下公式l1 ]计算得到T。 ·T fsky·T k ·T (1)式中：T 表示周围环境表面的综合温度，K；T。表示地表温度，K；Tskv表示天空有效温度，K；T 表示邻近建筑表面温度；，s表示地面角系数； 表示天空角系数；厂su 表示邻近建筑表面对待模拟建筑表面的角系数.以上各参数根据当地气象参数决定。

室内影响因素即室内照明装置、设备和人体等的散热.室内变电站除控制室有人值班外，其余房间如设备室等都是按无人值守设计.室内热负荷又主要由变压器室与电抗器产生，其计算公式为 JQ1P ltlP1。t2 (2)式中：Q1表示变压器的散热量，J；Pul表示变压器空载功率损耗，w；t1表示变压器空载运行时间，s；Pl。

表示变压器负载功率损耗(短路损耗)，w；t2表示变压器负载运行时间，s。

Q2 /11 rj2Pt3 (3)式中：Q2表示电抗器的散热量，J；叩l表示电抗器的利用因素， 10.95；r/2表示电抗器的负荷因素， 20.75；P表示额定功率下电抗器的功率损耗，W；t3表示电抗器运行时问，S。

室内设备发热量Q采用以下公式确定Q QQ2 (4)室内温度根据以下公式确定Q CM(T-T ) (5)，1T 丁c (6)M pgv (7)式中：C为空气比热容，C1.4；M 为室内空气质量；p为空气浓度，1.205 kg/m3； 为室内建筑体积，m3；T为室内温度，K。

1.2 室内变电站湿度建模室内变电站较普遍布置于地下室，因此，其散湿量主要来自于围护结构渗人的水分.壁面散湿量 W的计算公式可按下式[12]确定W Au×gb (8)式中：Ah表示衬砌内表面积，m2，本文取 470 m2；gb表示单位内表面积散湿量，离壁衬砌取 0.5 g/(m2·h)，贴壁衬砌取 1.5 g/(m2·h)。

湿度的计算则根据下式l6j进行计算第 3期 郭 盛等：基于综合环境控制的室内变电站通风方式u ×100% (9)ee (t)- ( 2-t1) (10)lgew㈩10.79574(1- ) O28o0Ig㈤1.50475×10- [1-10-8.2969( - J]0.42873×103[10 · I1-寻J-1]3.21386 (11)式中：U表示相对湿度，%；t表示湿球温度，℃；t2表示 干球 温 度，℃；T 表示 水 的三相 点 温度 ，273.16K；T表示绝对温度，K；P表示本地气压，MPa；A表示干湿表系数 (随湿度表是否结冰和通风条件不同而定)；e表示空气中的水汽压，MPa；e (t)表示温度 ℃时的液面饱和水汽压，MP8.以上公式适宜温度范围：-49.9℃-49.9℃。

其中饱和水汽压 e (t)的计算公式(11)是-切湿度计算的基础，在使用上述公式计算湿度时，应考虑在湿球不结冰(0℃-50℃)的范围里。

露点温度 d与相对湿度的关系如下式[6 J所示U × 100% × 100%ew(t2 ew(t2 (12) ， ，采用式(11)和式(12)，可得露点温度计算式为r 1 r r 1-1d l -Ig J-238(13)根据以上公式，可以推导出室内散湿量与湿度。

1.3 室内变电站 SF6浓度建模S 气体以其优异的绝缘和灭弧性能，在电力系统中获得了广泛的应用.但在高压电弧的作用下，SF6气体会发生部分分解，而其分解产物往往含有剧毒，即便是微量，也能致人非命.因此，确定室内变电站 SF6浓度是非常重要的。

室内SF6浓度撒于断路器的工作频率.本文根据江苏无锡某室内变电站在夏季电力系统承受的最高负荷，设断路器开断间隔时间为 △ ，△在 30min之内，断路器每工作-次都会向室内释放 amL的 S .根据整个室内变电站的体积，可得出 SF6室内的浓度为 (14)式中： 为断路器工作-次释放 sF6的体积，约在10 ～10 mL之间，本文取最大值进行计算；、，为室内变电站的体积，取900 m3； 为断路器工作时室内变电站 SF6浓度，mL/m3。

在△ 时间之后，断路器又-次工作，则室内变电站的 SF6浓度为 2 (15)2 多模式的通风方式物理模型为了综合控制变电站室内温湿度参数及确保SF6的浓度上限，必须对变电站进行空调控制和新风补充.通风方式是决定通风效率的重要因素.通过理论计算，设计合理的送风口位置、送风量、排风位置，达到气流均匀分布并能有效的除湿散热、降低室内SF6浓度的效果。

建立多种模式下通风方式的物理模型主要撒于送风口形状、送风口位置和排风口位置的确定.目前对于送风口建模的-种较普遍的方法为基本模型J”，即将风EI简化为-个矩形开口，该矩形的长宽与原风口采用相同尺寸，矩形开口面积取为风口的有效面积，这样可以确兵行 Fluent模拟时人流速度与实际人流相-致.本文按照以上思路，对风口进行处理，算出模型的风口尺寸，建立物理模型。

设立两个送风 口，尺寸分别为 0.85 ITI(长)X0.35 m(宽)、1.00 m(长)×0.45 m(宽).根据实际工况要求，变压器室的尺寸为：10 m(长)×9 m(宽)×10 m(高)，变电器位于室中央.排风口设置于室顶，尺寸为：4 m(长)×3 1TI(宽)。

在确定送风量、送风速度恒定的情况下，采用两个送风口，通过不同布置送风口位置、排风口数量和排风开口位置，组合成6种不同工况下的通风方式，建立 6种变电站物理模型.表 1为工况 1～6的通风布置方式。

表 1 工况 1～6的通风布置方式Tab.1 Ventilation modes of condition 1～6第 3期 郭 盛等：基于综合环境控制的室内变电站通风方式 25排图 20 功能体系结构框图Fig.20 Function stem structure diagram送风口风口图 21 室 内传感器 布局图Fig.21 Layout of indoor sensor等，设计室内变电站保障系统试验台，实物如图 19所示.将室内变电站保障系统布置于工况 6送风口处，并以如图21所布置传感器方法，实测室内变电站的温度、湿度和 S 浓度。

本文选取 15个典型日对室内变电站各环境因素进行了测量，典型日应是变电站所处室外气候极端天气 ，如室外高温、室外极度潮湿、变压器满负载工作等，温湿度和s 浓度取典型日所测平均值.按照以上要素，实测温湿度走势如图 22所示、S 浓度如图23所示。

2 30 35 4U 45Ti℃图22 温湿度走势Fig.22 Trend of temperature and humidity图22可得出室内变电站最高温度为42℃，最高湿度为58%，虽然最高温度超出了上述数值模拟结果最高温度，但是该温度能满足变电站正常工作温度；实测湿度则能满足变电站所需的湿度≤70%。

图23显示室内变电站 SV6浓度最高为 940 mL/m3，而室内变电站设计要求规定 SF6浓度 1 000 mL/m3，因此实测 S 浓度能满足室内变电站要求.因此，按照以上理论分析、数学建模及通风方式模拟结果开发的室内变电站保障系统试验台能够满足综合环境因素的控制。

图 23 SF6浓度Fig.23 SF6concentration5 结论主要针对通风方式下的室内变电站综合环境控制进行研究，综合理论分析、数值模拟和实验，形成如下结论：1)可通过空调与通风结合的方式实现变电站室内环境综合控制。

2)送风口、排风口布置于墙体中心位置优于布置于墙体侧面，更有利于通风的均匀流动，实现温湿度、SF6的综合控制；排风口双排对称布置优于排风口单个布置，更能保证通风的对流及排风扩散效果更显著。

3)采用对称送风、排风布置，有利于室内通风形成在微正压条件下与室外进行可控流动，实现室内无尘新风的层流补充。