基于温湿度场自仿真技术的箱变环境综合治理技术的研究

基于温湿度场自仿真技术的箱变环境综合治理技术的研究

1谢树松2黄文凯3郝方舟

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 摘要：随着经济和科技水平的提高，人们对温湿度环境试验设备的性能指标要求，只关注设备提供的试验环境参数能否满足相关的国家标准或行业规范，忽视设备的能耗指标，从而导致设备生产商不重视采取节能措施，造成极大的能源浪费。特别是当设备在常温恒温阶段运行时，其能源利用率更低。影响温湿度环境试验设备能源利用率的主要因素有两个：输出控制量的精准度和保温材料的隔热性能。保温材料的隔热性能很容易做得好，绝大多数设备生产商都采用了隔热性能良好的材料，下面主要讨论输出控制量的精准度对能源利用率的影响，提出节能措施和控制要点。

关键词：温湿度场；仿真技术；箱变环境；综合治理技术

引言

随着我国国民经济快速增长和城镇化进程稳步推进，用电负荷逐步加重，同时近年来全国范围内夏季异常高温气候频发，箱变作为紧凑型配电站，长期以来综合考虑高温、高湿整体环境治理的理论研究不足，快速温湿度调节方式不充分，导致近年因高温导致的中压、低压跳闸频发，包括变压器超温运行越限导致的中压开关跳闸、低压开关超温保护跳闸、低压分路超温导致未达额定电流跳闸等；同时因为环境治理未考虑防凝露设计，易引发因凝露造成开关柜电缆头绝缘距离不足导致的沿面放电，致使开关柜故障。因此当前亟需通过实时在线监测和风道优化设计从根本上完善对箱式变压器进行超温、高湿的综合治理，有效降低配电台区迎峰度夏超温停电，提高供电可靠性。

1.温湿度场自仿真技术的箱变环境必要性

箱式变压器是一种配置在户外露天环境中的电力设备，易受到高温、高湿影响。由于箱式变压器的结构相对密封且空间狭小，变压器本身无功功率高，无功功率转化为大量热量，导致散热一直是一个难题。超温是导致箱式变压器故障的主要原因，如温度升高超过允许的极限值，电气设备可能会发生故障。严重时甚至会导致设备跳停，对供电质量造成影响。  新式箱变出厂前重视散热问题，但据可靠统计，广州存量较早型号的箱式变压器数量过万，这些箱变普遍存在散热、降湿需要。在夏期间需要大量人工开门，进行自然散热和大功率风机强制散热，人力和耗电成本大。存量箱变改造问题刻不容缓。

2.温湿度场自仿真技术的箱变环境主要内容

2.1封闭环境下的箱变热场模拟算法研究思路

下图为强迫散热方式下干式变压器在额定工作状态时的温度分布，铁心中间心柱的温度明显高于两侧的心柱，绕组温度高于铁心温度。变压器温度的升高导致箱变内环境温度上升，根据传热学理论和边界层理论，散热气道内的空气因受热而温度升高，一方面热空气沿气流方向不断向顶部积聚；另一方面空气黏度随温度的升高而增大，最终导致顶部流固交界面处的流体换热薄层的厚度增加，不利于顶部对流散热，因此箱变内部的环境温升随轴向高度的增加呈上升趋势。根据热场模拟计算得知，变压器额定容量越高，变压器本体温升越快，导致环境温度温升较高，需要定制化的散热方案。通过深入理解这些温度分布和散热机制，可以采取措施来改善变压器的散热性能，确保其在额定工作状态下的稳定性和可靠性。同时形成可自动分析、自动生成策略的算法库。

图1：干式变压器温度分布

2.2新型函道风机设计思路

研究思路方面，通过将离心风机安装在柜体的底部作为进气设备，而.新型函道风机安装在柜体的上部作为排气设备。一旦设备启动，它在箱式变压器内部形成了单向气流通道。由于热空气的密度比冷空气小，因此热空气会上升并积聚在箱体的上部。为了增强散热效果，排气口被安装在柜门的上方，以促进箱式变压器内部的空气流动。这不仅提高了散热性能，还增强了外观美观度。新型函道风机采用了无极调控，可根据温度来控制出风量，以达到箱变内部的降温效果。

  新型函道风机计划对叶片采用了特殊设计，包括变截面空间扭曲机翼形叶片，采用无道风对夹式机壳，以及铝合金精密压铸成形结构。这些特性允许叶片产生反向流动，以实现反向通风的需求。还可以根据需要将叶片对称分为正反转，实现正反方向通风。叶片的安装角度可以进行静态无级调节，以满足不同的散热需求。最终做到具备变频、可分级联调、轻量化、低功耗低噪、转速风量可调可控等特性。

流场模拟图2：变压室与低压室安装轴流风机流向分析

2.3多循环风道防凝露除湿设计思路

通过安装新型函道风机配合离心风机可以改善箱变内部空气的循环，确保空气不滞留在冷却表面上，减少内外温差，从而减少凝露的机会。通过将风扇安装在适当的位置，可以提高空气的流动性。可用于控制箱变内部的温度。通过将温度维持在适当范围内，减少内外温差，减少湿空气接触冷表面而产生凝露的机会。

湿度和温度是决定凝露能否形成的两个关键因素，因此它们对电气设备绝缘性能有着重要的影响。对于开关柜中的电气设备来说，最佳湿度应维持在30%～60%之间，因为湿度如果超过了60%，就容易形成凝露，对电气设备绝缘性能造成不利影响，正常箱变湿度在45%~65%之间。使用计算机模拟技术模拟电力变压器内部温湿度场的变化，经过对数据计算和流场分析，当风机开启后环境湿度可下降至30%~35%之间震荡。本研究通过设计流场通道加速内环境和外环境空气交换，除湿效果显著。

2.4高精度温湿度检测原理

计划通过现有理论基础对高精度温湿度传感器进行选型和优化设计，当前计划选用Pt100温度传感器和薄膜电容式湿度传感器，后续将根据实际进行优化：

（1）温度检测原理

Pt100温度传感器是一种以铂(Pt)制成的金属热电阻式温度传感器，属于正电阻系数，其电阻和温度变化的关系式如公式（1）所示：

公式（1）

其中，R0为0℃时铂电阻阻值，t是当前温度(摄氏度)，Rt为当前温度下铂电阻阻值，A和B分别为3.9×10−3和−5.8×10−7。Pt100温度传感器具有精度高、响应快、稳定性高等显著优点，且其结构简单易于集成到其他传感器系统中，为温度参数测量和检测结果优化提供了便利。

（2）湿度检测原理

薄膜电容式湿度传感器是一种新型的湿度计，其在两个金属电极之间沉淀一层聚合物薄膜，材质通常为聚胺盐或醋酸纤维聚合物，结构如图1所示。当聚合物薄膜吸收环境中水分或失去水分，将改变两金属电极间介电常数；当电极间电压保持不变时，此电容器的电容量将随薄膜含水量的变化而改变，从而实现湿度检测。其电容值按照公式（2）计算可得。

公式（2）

其中，C是电容量，d是上下电极之间的间距，此处即为聚合物薄膜厚度，A为上下电极重叠面积，ε0，εr分别是真空介电常数(8.854×10−12F/m)和聚合物薄膜相对介电常数。

图3：薄膜电容式传感器结构

为了实现快速响应，感湿薄膜厚度仅为1μm~10μm，同时上部电极还必须保持较高的水渗透性。基于这一结构的湿度传感器具有较宽的测量范围，通常从−50℃~100℃，若采用耐高温的热固性树脂作为介电介质，不仅允许传感器在185℃环境下连续测量，更是在−50℃~100℃露点温度范围内具有极小的温度系数，因此可以在很宽的范围内实现准确测量。

2.5箱变智能环控应用功能模块设计思路

为提升温湿度综合治理的有效性、实时感知程度、对监测和综合治理设备做到有效管理，设计箱变智能环控应用功能模块。设计思路为：用户可以在后台查看实时的温度值、湿度值、风机运行状态检测、历史数据查询、触发报警查询、风机自开启阈值设置、远程开启关闭风机、设备位置分布状态查询等操作。此外，高配可扩展版本温控系统还可增加：门状态监测（防误入及安全保护报警）、烟雾监测（火灾报警）、水浸监测（水淹报警）、设备分控模块（根据设备状态等级分别开启降温设备）、耗能监测模块等。将模块嵌入生产运行技术支持系统内网，实时感知箱变内部各种监测量的状态，及时提醒用户注意隐患信息，和有效启动治理装置，掌握治理成效治理装置状态，减少人工运维，保证箱变正常的安全运行。

图6：箱变温控系统一套原理实物图

箱变智能环控应用功能模块，可根据课题1箱变热场模拟算法模型，建立算法库，自动下发温控策略，以温湿度为反馈量进行闭环控制风机的启停，同时实现风机状态的监测（风机启停）和分级调控（交替开启）。

（1）算法模型仿真思路

仿真试验图例：

红线：滤波后

绿线：滤波前（传感器直接读取的数值）

可以肉眼看到红线（滤波后）比绿线（未滤波）平顺不少，也就是数据方差小。滤波算法参数整定后：滤波后数据的方差更加小了，提高检测值的精确度。

温湿度传感器的数值是一个以环境温度为中心服从高斯分布的随机数，即传感器的精度为±3%，正是这个意思，这个3%即是高斯分布中的均方根。为了最有效、低成本提高传感器的精度和可信度，加入滤波算法对数据进行处理。由上述实验得出该智能控制器通过加入了滤波算法后，减少了因数据异常波动从而导致风机异常启停的现象，使得该智能温控系统可靠性得到显著提升。

（2）治理策略分级控制算法原理

因模拟实验环境难以调节温度，使用改变湿度演示效果。其中，红色是温度曲线，大约为28-29度；绿色为湿度曲线，与绿线相交的黑线为湿度80%的分界线。蓝线是风机开启个数。

当湿度（绿线）超过60%时开启一个风机；当湿度超过80%时开启2台风机；当湿度下降至低于80%时关闭一个风机；低于60%后，关闭两个风机。

3.结束语

环境试验箱主要是通过模拟物品的使用环境进行物品质量的检测。其适用范围比较广泛，但是，如果环境试验箱所处的环境较差，对于结果也会产生一定的影响。促使在该装置指引下，能够充分提升试验箱温湿度校准可靠性，确保试验箱在实际使用阶段，能为产品性能检测试验给予有利的温湿度控制条件，促使试验箱在产品提质改进过程中带来促进作用。

参考文献：

[1]陈桂逸,侯敏龙.环境试验设备温度、湿度校准结果不确定度评定分析[J].品牌与标准化,2023(02):42-46.

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[3]李向召,黄志凡,代彩红,等.光辐射老化试验箱智能在线校准装置的研制[J].中国测试,2020,46(S1):169-172.

资助项目：广州供电局科技资助项目《基于温湿度场自仿真技术的箱变环境综合治理技术的研究》

030114KZ24030001