蔡根生1，王金云2，李夢群2
（1.上海電力高壓實業(yè)有限公司，上海200063；2. 國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063）
摘 要： 地下變電站的暖通系統(tǒng)是保障站內(nèi)設(shè)備良好運行、確保站內(nèi)工作環(huán)境適宜的必要條件。介紹了500 kV靜安全地下變電站的暖通系統(tǒng)回路走向及其設(shè)備組成，并根據(jù)靜安全地下變電站實際運行情況對站內(nèi)暖通系統(tǒng)展開分析和討論，最后對近幾年暖通系統(tǒng)的集中缺陷及其危害做出分析，提出應(yīng)對措施。500 kV靜安全地下變電站的成功運行，為大城市中心地下變電站的建設(shè)和運維工作起到良好的探索和示范效應(yīng)。
關(guān)鍵詞： 500 kV全地下變電站；暖通系統(tǒng)；運維
0 引言
近年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多城市用電供不應(yīng)求，一些大型城市的電網(wǎng)建設(shè)都在積極利用地下空間尋求發(fā)展，因此在人口稠密、用地緊張的中心城區(qū)建設(shè)地下變電站已是一種非常普遍的現(xiàn)象。位于上海市中心的靜安變電站就是迄今為止國內(nèi)第一座、世界上規(guī)模最大的500 kV全地下變電站。變電站于2010年4月正式投運，具有多個電壓等級的送出線路，其主要供電對象為浦西原世博園區(qū)、上海人民廣場及周邊區(qū)域、上海市中心城區(qū)主要商業(yè)大樓及民居樓等。該站在地面部分僅設(shè)置了1個集中進風(fēng)井、4個集中排風(fēng)井、控制室，地下的建筑面積超過50 000 m2。地下變電站雖然節(jié)約了大量的土地資源，但站內(nèi)存在許多發(fā)熱量大的設(shè)備，如主變壓器、電抗器等，其散熱條件遠遠不如地面變電站；此外，地下站特殊的工作環(huán)境，還會造成室內(nèi)粉塵污染、缺氧、高溫度、高濕度、SF6濃度高等危害人體健康和影響電氣設(shè)備安全運行的環(huán)境質(zhì)量問題。因此，要保障站內(nèi)設(shè)備長期安全穩(wěn)定運行并為運維和檢修人員提供一個適宜的工作環(huán)境，就必須保持站內(nèi)良好的通風(fēng)與散熱[1-2]。
1 地下變電站暖通系統(tǒng)
1.1 地下變電站暖通系統(tǒng)概述
變電站地下部分豎向共分為四層： -31.5 m的地下四層B4；-26.5 m地下三層B3；-16.5 m的地下二層B2；-11.5 m的地下一層B1。變電站的地上部分僅布置中央控制室、4個變電站出入口、通風(fēng)所用的4個排風(fēng)豎井和1個集中進風(fēng)豎井。集中進風(fēng)豎井從-31.5 m的B4層直至地面以上，總進風(fēng)口面積約250 m2。地下各層工藝設(shè)備房間的通風(fēng)、空調(diào)及冷卻設(shè)備冷卻所需的室外空氣均由集中進風(fēng)豎井引入，并通過各送風(fēng)或排風(fēng)設(shè)備進入各房間和區(qū)域。
1.2 站內(nèi)暖通系統(tǒng)回路介紹
靜安變電站B4層和B2層均采用機械排風(fēng)方式，由位于B2層的排風(fēng)機通過各區(qū)域排風(fēng)管道將空氣排至對應(yīng)集中排風(fēng)豎井，再通過集中排風(fēng)豎井排向室外。
B3層的主變室采用機械進風(fēng)和機械排風(fēng)方式，由8臺主變送風(fēng)機組從集中進風(fēng)豎井吸入室外空氣，并通過排風(fēng)機由排風(fēng)豎井排向室外；電抗器室、GIS室、站用變壓器室均采用走道間接自然進風(fēng)和各房間獨立機械排風(fēng)的通風(fēng)方式。
B1層 GIS室采用機械進風(fēng)、機械排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)的進風(fēng)由新風(fēng)冷卻機組從集中進風(fēng)豎井吸入室外空氣，由排風(fēng)機通過排風(fēng)管道排至各區(qū)域的集中排風(fēng)豎井，并通過集中排風(fēng)豎井排向室外；周邊區(qū)域的冷卻裝置室、輔助設(shè)備室、消防設(shè)備室、通信蓄電池室、繼保室等設(shè)備房間進風(fēng)均由走道自然進風(fēng)，排風(fēng)由單速排風(fēng)機通過風(fēng)道排至對應(yīng)區(qū)域集中排風(fēng)豎井，并通過豎井排向室外。圖1所示為該系統(tǒng)回路走向圖。
1.3 暖通系統(tǒng)設(shè)備組成
靜安地下變電站暖通系統(tǒng)由8臺主變進風(fēng)機組、14臺冷卻塔進風(fēng)機組、9臺BAC閉式冷卻塔、28臺單速排風(fēng)機、32臺雙速排風(fēng)機組成。
站內(nèi)8臺主變進風(fēng)機組用于500 kV與220 kV主變室的新風(fēng)進風(fēng)，可負擔(dān)主變1/8的損耗熱量；13臺冷卻塔中9臺用于主變、66 kV低抗冷卻，負擔(dān)站內(nèi)油浸設(shè)備7/8的熱量。站內(nèi)主變及66 kV電抗器的冷卻方式為強迫油循環(huán)水冷卻，冷卻塔利用循環(huán)冷卻水泵使冷卻水在設(shè)備的熱交換器和冷卻塔之間循環(huán)。水循環(huán)時，設(shè)置于設(shè)備上的熱交換器從絕緣油吸收電氣設(shè)備的損耗熱，然后通過冷卻塔的進風(fēng)機組所帶來的新風(fēng)和噴淋水來排除。32臺雙速排風(fēng)機用于各GIS房間和66 kV電抗器室、所用變室、接地變室等設(shè)備房間的排風(fēng)系統(tǒng)；28臺單速排風(fēng)機用于1號、2號繼電器室、通信機房、蓄電池室及冷卻裝置室等房間的排風(fēng)系統(tǒng)。同時，靜安站內(nèi)暖通系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)相配合，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的控制。
2 暖通系統(tǒng)運行工況分析
根據(jù)變壓器及電抗器的余熱量計算公式，計算出主變室及電抗器室所需的排風(fēng)量，給出靜安站通風(fēng)設(shè)備選型的依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合4年以來的運行經(jīng)驗對站內(nèi)現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)進行分析和討論。
2.1 500 kV主變室和220 kV主變室通風(fēng)
靜安變電站目前設(shè)置2組500 kV主變壓器（每組均由3臺單相變壓器組成，布置于獨立房間內(nèi)）；2臺220 kV主變壓器（三相變壓器，布置于獨立房間內(nèi)）。
主變壓器室通風(fēng)量按照排出室內(nèi)余熱所需風(fēng)量計算，余熱量中的1/8由室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)來負擔(dān)，7/8由設(shè)備冷卻裝置來負擔(dān)。
變壓器余熱量計算公式 ：
QT=Pul+PIo（1）
式中：QT為變壓器余熱量(W)；Pul 為變壓器空載損耗(W)；PIo 為變壓器負載損耗(W)。
500 kV主變室（以單相為單元）和220 kV主變室均采用獨立的機械進風(fēng)和機械排風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量：以室外通風(fēng)溫度33℃作為系統(tǒng)的進風(fēng)溫度，室內(nèi)排風(fēng)溫度按不超過45℃計算。通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)機和排風(fēng)機均考慮100%備用。
變壓器的通風(fēng)量按下式計算：
式中:LT為變壓器室通風(fēng)量(m3/h)；QT為變壓器室余熱量(W)，由表1得出：QT=1 000 kW；c為空氣比熱容，取c=1.01 kJ/(kg·℃）；ρ為進排風(fēng)平均密度(kg/m3)，空氣密度ρ=1.146 kg/m3； Δt為進排風(fēng)溫差(℃)，Δt=t排風(fēng)-t進風(fēng)=45℃-33℃=12℃。
可求出500 kV主變通風(fēng)量：
LT=125 000÷(0.28×1.01×1.146×12)=32 141(m3/h)
為進一步保證設(shè)備安全可靠的運行，在計算得出的變壓器室通風(fēng)量的基礎(chǔ)上再留出10%的余量。
計算得L′T=32 141×1.1=35 355(m3/h)
綜上，500 kV主變室及220 kV主變室送風(fēng)過濾機組和排風(fēng)機組的配置如表2所示。
2.2 66 kV和35 kV電抗器室通風(fēng)
靜安變電站目前設(shè)有8個66 kV電抗器室，3個35 kV電抗器室。66 kV電抗器室通風(fēng)系統(tǒng)是以每2個66 kV電抗器室為一個單元設(shè)置，35 kV電抗器室通風(fēng)系統(tǒng)以每3個35 kV電抗器室為一個單元設(shè)置。通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量：進風(fēng)溫度為28℃（由公共區(qū)域新風(fēng)系統(tǒng)保證），室內(nèi)排風(fēng)溫度按不超過41℃計算。
66 kV電抗器采用強油水冷的冷卻方式，其中1/8熱量由室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)負擔(dān)，7/8由設(shè)備冷卻裝置負擔(dān)。35 kV電抗器采用風(fēng)冷冷卻方式，其中7/10熱量由室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)來負擔(dān)，其余3/10熱量由該層公共區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)負擔(dān)。
電抗器的余熱量按下式計算：
QR=η1η2P（3）
式中：QR為電抗器的散熱量(W)；η1為電抗器的利用因數(shù)，η1=0.95；η2為電抗器的負荷因數(shù)，η2=0.75；P 為額定功率下電抗器的功率損耗(W)。
66 kV電抗器的余熱量： QR= 16 250×0.96×0.75 = 11 578(W)
電抗器的通風(fēng)量按照下式計算：
其中，ρ、c 所選取的參數(shù)均與2.1節(jié)中的參數(shù)相同。
Δt=t排風(fēng)-t進風(fēng)= 41-28 = 13(℃)
由此，可求出單個66 kV電抗器室排風(fēng) LR=2 748 m3/h。
為了節(jié)約建造成本，提高經(jīng)濟效益，對于電抗器等設(shè)備，不再預(yù)留10%的排風(fēng)余量。所以實際選取的通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)量為：2×5 580/2 800 m3/h。
綜上，選取66 kV電抗器室及35 kV電抗器室排風(fēng)消聲機組的配置如表4所示。
2.3 其他工藝設(shè)備房間通風(fēng)情況
靜安變電站其他工藝設(shè)備房間的通風(fēng)系統(tǒng)均采用自然進風(fēng)和機械排風(fēng)的方式。其余一些主要設(shè)備房間排風(fēng)量如下：站用變室、接地變室等排風(fēng)機風(fēng)量4 800 m3/h；500 kV GIS室通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機風(fēng)量為14 718/8 831 m3/h；220 kV GIS室通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機風(fēng)量為5×17 020/10 220 m3/h；110 kV GIS室通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機風(fēng)量為2×9 932/5 959 m3/h；輔助設(shè)備房、水處理室設(shè)計風(fēng)量為12 300 m3/h。
2.4 暖通系統(tǒng)運行工況小結(jié)
從這幾年的實際運行經(jīng)驗來看，500 kV靜安變電站暖通系統(tǒng)總體運行工況良好，符合設(shè)計要求，排風(fēng)效果顯著，為地下電氣設(shè)備及輔控設(shè)備提供了良好的運行環(huán)境。上海夏季期間，站內(nèi)主變最高繞組溫控制在44℃以下、最高油溫控制在40℃以下，B3層各主變室及電抗器室的室內(nèi)溫度始終保持在34℃以下，并且濕度不大于50%；此外，B3層站用電室、500 kV GIS室、66 kV GIS室、蓄電池室等溫度及濕度情況也均符合要求，通風(fēng)良好。與戶外設(shè)備相比，戶內(nèi)電氣設(shè)備的損耗大幅降低，提高了設(shè)備運行的可靠性，延長了其使用壽命。
雖然站內(nèi)暖通系統(tǒng)已基本達到設(shè)計效果，但仍有個別設(shè)備房間，如位于B1層的冷卻裝置室、110 kV及220 kV GIS室在夏季期間室內(nèi)溫度超過體感溫度，同時在梅雨季節(jié)存在濕度過大的情況，濕度高達80%~90%，很有可能造成站內(nèi)配電柜、控制柜、繼保屏、PLC遠程控制屏內(nèi)的節(jié)點短路、開關(guān)誤動、繼電器損壞，造成設(shè)備停機，保護誤動，嚴重時甚至可能形成電網(wǎng)事故。此外，過高的濕度造成環(huán)氧地坪濕滑，給運維及工作人員的工作帶來了不便。造成個別房間濕度過大的原因是這些房間對應(yīng)的風(fēng)機排風(fēng)效果不理想以及內(nèi)外區(qū)域溫差過大。為了確保設(shè)備的安全運行，我們采取以下措施：在這些排風(fēng)效果較差的設(shè)備房間內(nèi)加裝除濕器。同時，建議加大排風(fēng)機的排風(fēng)量并加裝空調(diào)改善房間內(nèi)外溫差。
3 暖通系統(tǒng)缺陷分析及相應(yīng)措施
3.1 暖通系統(tǒng)缺陷分析及其危害
靜安變電站自2010年4月正式投運以來，暖通運行狀況總體良好，但由于靜安站是全地下變電站，站內(nèi)暖通系統(tǒng)的送風(fēng)及排風(fēng)機組要求全天候開啟，從而易導(dǎo)致設(shè)備在運行過程中存在各方面缺陷，對主設(shè)備造成一定程度的危害?？偨Y(jié)幾年以來的運行經(jīng)驗并歸納分析后，得知站內(nèi)缺陷集中表現(xiàn)在以下幾方面。
?。?）風(fēng)機皮帶松動、斷裂：由于風(fēng)機常年運轉(zhuǎn)，造成皮帶老化，會影響送風(fēng)機組及排風(fēng)機組的排風(fēng)效果。
?。?）風(fēng)機軸承斷裂：由于設(shè)備長時間運行，導(dǎo)致設(shè)備自然磨損，風(fēng)機停運。
?。?）風(fēng)機馬達故障、風(fēng)機運轉(zhuǎn)聲音異常：運行環(huán)境欠佳，灰塵較多造成。
?。?）風(fēng)機風(fēng)管破損、開裂：機組開停機時風(fēng)壓過大或由于風(fēng)管自身結(jié)構(gòu)不牢固所導(dǎo)致。
?。?）送風(fēng)機組過濾網(wǎng)嚴重污穢：由于靜安站地面是雕塑公園，送風(fēng)機組在吸入大量外界空氣時夾雜著樹葉、昆蟲、灰塵等雜物，造成濾網(wǎng)堵塞，影響進風(fēng)效果，導(dǎo)致風(fēng)機馬達故障、箱體變形。
?。?）冷卻塔送風(fēng)機組自動狀態(tài)下未能正常運行、遠程或近控失效、冷卻塔頻繁跳機：由輔控自動化缺陷造成。站內(nèi)油浸設(shè)備7/8的熱量都是由冷卻塔負擔(dān)，冷卻塔的運行效果直接影響到站內(nèi)主設(shè)備的散熱情況。
（7）冷卻塔本體漏水等等：由于冷卻塔檢修孔設(shè)計不合理、箱體密封較差引起。
3.2 暖通系統(tǒng)缺陷的應(yīng)對措施
針對站內(nèi)暖通系統(tǒng)存在的缺陷，在運維工作中應(yīng)制定相應(yīng)的措施。
?。?）加強巡視：在巡視過程中對設(shè)備、設(shè)施進行全面的外部檢查，對設(shè)備缺陷有無發(fā)展做出鑒定，對于設(shè)備的薄弱點更應(yīng)加強監(jiān)視。
?。?）定期更換：設(shè)備中較易損耗的部位，如風(fēng)機出現(xiàn)皮帶裂痕就應(yīng)及時進行更換。
（3）加強維護：對于風(fēng)機的馬達、軸承等設(shè)備應(yīng)做到定期加油保養(yǎng)。
?。?）定期更換濾網(wǎng)：干凈的濾網(wǎng)可以保證站內(nèi)良好的通風(fēng)環(huán)境，并減少設(shè)備馬達的損耗，建議濾網(wǎng)每季度應(yīng)更換一次。
?。?）加固：站內(nèi)風(fēng)管存在薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)備啟停時易造成破損、開裂，對這些地方應(yīng)做加固處理。為了進一步提高站內(nèi)暖通運行的可靠性，在日常工作中要及時處理站內(nèi)暖通系統(tǒng)的缺陷，并通過不斷制定、調(diào)整應(yīng)對措施來減少系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。
4 結(jié)束語
500 kV靜安全地下變電站的成功運行，為大城市中心地下變電站的建設(shè)和運維工作起到良好的探索和示范效應(yīng)。站內(nèi)暖通系統(tǒng)的良好運行狀況也標志著我國500 kV全地下變電站暖通系統(tǒng)上了一個新臺階，雖然在實際應(yīng)用中存在某些不足，但是作為第一次在500 kV全地下變電站中使用如此龐大的暖通系統(tǒng)，所達到的實際效果讓人滿意。
通過靜安變電站近年來逐步積累的運行經(jīng)驗和運行數(shù)據(jù)，可以不斷總結(jié)出暖通系統(tǒng)在運行過程中的異常情況、缺陷情況以及需要改進的地方，這些寶貴的經(jīng)驗為今后全地下變電站的投入使用、促進全地下變電站暖通系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展提供了有力的實際應(yīng)用經(jīng)驗。
參考文獻
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