高压变电站通风散热计算与自然机械混合通风设计

引言

随着城市用地资源的日益紧张，越来越多的110kV及更高电压等级变电站向"户内化""地下化"方向发展。然而，变压器作为变电站的核心发热设备，其散热问题在封闭或半封闭的户内环境中变得尤为突出。与自然环境中自由散热的户外变压器相比，户内变压器产生的热量需要依靠通风系统才能有效排出。

本文基于计算流体力学（CFD）仿真研究，系统解析110kV户内主变压器室的通风散热设计方法，探讨自然通风与机械排风的混合通风模式，以及优化后的风机选型方案。

一、变压器室的热负荷计算

1.1 变压器的发热量

电力变压器的发热主要来源于两部分：

铁芯损耗（铁损）——由交变磁通在铁芯中产生的磁滞损耗和涡流损耗构成，与电压等级和铁芯材料密切相关。对于110kV油浸式变压器，铁损通常在30~80kW范围内。

绕组损耗（铜损）——由负载电流流经绕组电阻产生，与负载率的平方成正比。在额定负载下，铜损通常为100~300kW。

对于一台额定容量为50MVA的110kV分体式变压器，总散热量约150kW，其中户内变压器（室内部分）散热量约占22.5kW。

1.2 热负荷分区

在大型户内变电站中，热负荷分布并不均匀。通常将站内划分为多个温控分区：

• 高热负荷区——主变室（单位面积热负荷可达1.8kW/m²）、GIS室
• 中低热负荷区——继电器室、电缆夹层、直流室

每个分区设置独立测温单元，测点按每20~25m²布置1个，布置于1.8~2.2m高程，确保捕捉热气团动态分布。

二、自然通风临界温度分析

2.1 CFD仿真模型

上海理工大学陈炜博士团队对某110kV户内主变压器室进行了系统的CFD仿真研究。研究建立了变压器室三维几何模型，将变压器内部流体视为非定常三维可压缩黏性流动，忽略室内绝缘子和避雷针等对通风气流影响较小的机械设备。

模型关键参数：

• 变压器室内几何尺寸：层高6.7m，地面面积约数十平方米
• 进风口：百叶窗自然通风
• 出风口：风机机械排风
• 送风方式：侧送侧出、下送上出
• 散热边界：散热器设置为热流边界，热流密度与主变压器总消耗相同

2.2 自然通风临界温度——22℃

仿真结果得出一个关键结论：

在自然通风条件下，110kV户内主变压器室的自然通风临界温度约为22℃。

这意味着：

• 当室外环境温度低于22℃时，仅靠自然通风（热压差驱动）即可满足变压器室内的散热需求，室内温度在设计工况下处于安全范围
• 当室外环境温度高于22℃时，仅靠自然通风已无法满足散热需求，变压器靠近底部区域易出现热量堆积，对变压器的安全、稳定运行构成危害
• 在临界温度22℃时，所需的最小机械排风速率为2.56 m/s

2.3 自然通风的局限性

自然通风依赖热压差（烟囱效应）驱动气流。在户内变电站环境中，自然通风存在以下固有局限：

1. 受室外风速影响大——当室外风速较小时，烟囱效应微弱，通风量不足
2. 进排风口距离限制——自然通风要求进风口和排风口之间保持足够的高度差和直线距离，否则易形成气流短路
3. 温度均匀性差——尤其在夏季高温时，变压器底部区域易出现热量堆积
4. 无法快速响应负荷突变——变压器负载突增时，自然通风的响应速度远低于机械排风

三、机械排风优化设计

3.1 机械排风的启停逻辑

在采用自然进风+机械排风的混合通风模式下，风机运行由分区温控单元驱动，采用闭环控制逻辑：

Si(t) = 1, 当 Ti(t) ≥ Ti,on （风机启动） Si(t) = 0, 当 Ti(t) ≤ Ti,off （风机停止） Si(t) = Si(t-1), 当 Ti,off < Ti(t) < Ti,on （保持上一状态）

其中：

• Si(t)为第i分区风机在时刻t的运行状态
• Ti(t)为当前测温值（℃）
• Ti,on为启风温度阈值（℃）
• Ti,off为停风温度阈值（℃）
• Ti,off = Ti,on - ΔT，ΔT为回差温度（建议2~3℃，防止风机频繁启停）

3.2 进、出风口位置优化

CFD仿真表明，进风口和出风口的位置及大小对变压器室内通风散热效果影响显著：

优化方向：

1. 增大进、出风口面积——可直接增大通风量，降低排风温度
2. 降低出风口位置——将排风口从顶部降低，使热空气在上升过程中更早被抽出，减少热量在顶部的堆积
3. 同时降低两个风机的安装高度——仿真表明，风机安装高度由6.7m降低至5.0m时，可使排风口平均温度降低1~2℃

3.3 双速/变频风机选型

对于110kV户内变电站，推荐采用双速或变频柜式离心风机作为机械排风设备：

• 双速风机——设置常规排风和事故排风两个转速档，常规排风时以低速运行（满足正常散热需求），事故状态下自动切换至高速运行（风量为设计通风量的1.5倍）
• 变频风机——根据分区温控单元的实时温度信号无级调节转速，实现按需通风

关键规范要求：

• 根据DL/T5035-2016《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》，事故排风系统的启动响应时间应小于30秒
• 事故排风风量不小于设计通风量的1.5倍

系统风道内阻力控制不超过450Pa，关键节点采用电动风阀进行风量调节与故障切换。

四、六种通风系统方案CFD对比分析

CN101916970A专利对六种变电站室内通风系统方案进行了CFD模拟对比分析，最终确定第六种方案为最佳方案。

方案对比

| 方案 | 散热器布置 | 进风口布置 | 排风方式 | 模拟结果评价 | |------|-----------|-----------|---------|-------------| | 方案一 | 单侧散热器 | 室外侧百叶进风口（8m²） | 机械排风 | 散热器上方温度较自然通风低且分布均匀；2m处局部区域温度超40℃ | | 方案二 | 单侧散热器 | 室外侧+室内侧百叶各4m² | 机械排风 | 气流组织有所改善，2m处仍有局部高温 | | 方案三 | 单侧散热器 | 主变压器下方进风口（8m²） | 机械排风 | 散热效果一般，下方进风易受地面灰尘影响 | | 方案四 | 双侧散热器 | 室外侧百叶（8m²） | 机械排风，4台冷却风机 | 散热器上方温度均匀性较单侧进风明显改善 | | 方案五 | 双侧散热器 | 主变下方进风口（8m²） | 机械排风，4台冷却风机 | 满足要求，但需增加建筑层高，实施难度大 | | 方案六 | 双侧散热器 | 室外侧+室内侧百叶各4m² | 机械排风，4台冷却风机 | 最优方案：温度均匀性最好，2m处温度较低且均匀，无超40℃区域，无需增加建筑层高 |

第六种最佳方案详解

第六种方案被确定为最佳通风系统模型，具体配置如下：

1. 散热器布置——双侧散热器，每台散热器热流密度150kW，分别安装于主变压器的两侧
2. 冷却风机——每台散热器下部各安装2台冷却风机，共4台
3. 进风口——室外侧百叶进风口（位于主变压器室大门门下部，4m²）+ 室内侧百叶进风口（位于相对的主变室墙体下部，4m²），合计8m²
4. 排风口——位于主变压器室顶部
5. 进风预处理——进风路径通过百叶格栅、阻燃消声装置与初效过滤组件构成进风预处理模块，设计风速控制在1.5~2.5m/s
6. 风道断面——单风井进风断面无需小于2.0m²，满足每小时5~8次换气要求

该方案的核心优势是：不需增加建筑层高，对建筑、结构均无影响，对主变压器运输也无影响，工程实施最容易。

五、分区控温与按需启停的智能通风机制

5.1 分区温控架构

在自然进风+机械排风的基础上，进一步引入精细化的分区控温与按需启停控制机制：

系统架构：

• 将站内划分为高热负荷区（主变室、GIS室）与中低热负荷区（继电器室、电缆夹层、直流室）若干温控分区
• 每个分区设置独立测温单元
• 风机运行由分区温控单元驱动

控制逻辑：

• 高热负荷区：启风温度阈值设定为35°C，停风温度阈值设定为32°C（回差3°C）
• 中低热负荷区：启风温度阈值设定为30°C，停风温度阈值设定为27°C

5.2 组合通风模式的静压控制

在全地下变电站通风系统设计中，自然进风与机械排风的组合通风模式依据热压差与机械诱导风量形成稳定气流通道。系统在静压调节方面需控制各分支通风管网阻力均衡，防止自然风倒灌或正压失衡造成气流短路。

实现手段：

• 风道断面优化
• 分区风阻平衡计算
• 节流阀段布设
• 构建可控压差传输路径

六、优化效果评估

与原始方案（风量2.56kg/s）相比，优化后方案（风量降低至1.50~2.00kg/s）实现了双重优化效果：

1. 散热效果提升——排风温度显著降低，变压器室内温度均匀性大幅改善，无超40°C的高温区域
2. 能耗与噪声降低——通风量减少约22%~41%，风机功率相应降低，运行噪声同步下降

七、全地下变电站通风设计的最新进展

7.1 基于热负荷分区的全地下变电站通风节能设计

2026年《电工技术》期刊发表的研究指出，全地下变电站通风系统正朝着"热负荷分区+智能通风"的方向发展：

• 热负荷分区——依据电气布置与运行特征，将站内划分为若干温控分区
• 智能通风机制——根据各分区实时温度，实现分区风机独立启停和变频调速
• 节能效果——相比传统全量通风模式，按分区按需通风可节省30%~50%的通风能耗

7.2 双速/变频柜式离心风机的应用

全地下变电站事故排风系统采用双速或变频柜式离心风机，常规排风与事故排风双模式运行逻辑：

• 主变室常规排风风量设计值为76,800 m³/h
• 事故状态下自动提升至112,000 m³/h
• 联动排烟风阀与风机高速运行端
• 响应时间小于30秒

八、总结

110kV户内主变压器室的通风散热设计需要综合考虑自然通风和机械排风的双重作用。CFD仿真研究明确了自然通风临界温度为22℃，高于此温度时必须启用机械排风。通过CFD仿真对多种通风方案进行对比优化，最终确定的第六种最佳方案（双侧散热器+双侧进风口+顶部排风+4台冷却风机）在散热效果、建筑兼容性和工程实施难度之间取得了最优平衡。

未来的发展趋势是引入分区控温与按需启停的智能通风机制，结合热负荷分区结构和变频/双速风机，实现散热效果与能耗成本的双重优化。

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来源参考：户内主变压器室通风散热优化设计研究（上海理工大学）、CN101916970A变电站室内通风系统设计方法专利、基于热负荷分区的全地下变电站机械通风系统节能设计（电工技术2026年第14期）