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烟囱效应与欧变散热设计

2016-11-29 13:05:55

文/黄利平(正泰电气质量管理部) 


导语:

随着光伏、风能等新能源发电的快速崛起,其电气参数和传统发电相比偏离度较大,对各类电气设备提出了更高的要求。今年以来,正泰集团及时推出“四大质量工程建设”,其中“可靠性工程建设”又被排在首位,地位凸显。

欧式箱式变电站(以下简称欧变)通常由箱体及安装于箱体中的高压柜、变压器、低压柜构成。经济、方便、节约土地和投资、可深入负荷中心的欧变在35kV及以下系统运用广泛。由于欧变中的相关电气设备环境条件特殊及在新能源领域的推广运用,产品可靠性问题更为突出。

电气设备的一项重要技术指标是工作温度。高温会加速电气设备的绝缘老化、降低其使用寿命甚至直接导致故障发生。

下面我从烟囱效应原理出发,就如何通过快速有效的散热使欧变中的电气设备在更低的温度条件下工作谈谈自己的看法,以期抛砖引玉,共同提升产品的可靠性。



电气设备运行时等效于多个发热体,这些设备发出的热量通过热传递使发热体周围的空气受热膨胀(膨胀程度与单位时间内接受到的热量多少和气体流动速度有关),这些热含量高的膨胀气体构成电气设备的临时外部微环境。

为了避免电气设备在过高的温度下运行,措施有三:其一,采取必要措施直接给电气设备降温;其二,通过降低电气设备周围空气温度间接降低电气设备的问题;其三,双管齐下,使电气设备及周围空气温度同时降低。它们都是通过热传递的方式实现降温的目的。

热传递的具体方法很多:通过水冷、空调、风扇等强制方式;创造条件形成烟囱效应使气流加速流动快速带走热量等等。

现在让我们一起来探讨烟囱效应,并着重分析如何利用烟囱效应实现欧变中的电气设备快速散热,从而提升产品的安全可靠性。

烟囱效应:气体靠密度差的作用沿着有垂直坡度的空间向上升或下降,造成空气加强对流的现象。烟囱效应形成的必备条件:气体密度差和通道。气体受热膨胀造成密度差;理想通道构成要素:上、下部通透;紧挨高温发热体的四周尽可能保持密封状态;此外还包括适当的通道大小和高度。

我们先来看煤炉燃烧的原理。炉火为什么烧得旺?高温使受热膨胀低密度的热空气上冲,带动下部冷空气加速进入炉内燃煤,这是典型的烟囱效应使然。因为具备了空气密度差及较为理想的通道这两个必要条件。假设燃煤移到炉外,情况就不一样了,因为烟囱效应必要条件之一的通道被破坏了,热空气不是沿专一通道垂直向上而是四周散发,气流明显慢下来了,不能将燃烧所需元素之一的冷空气快速带入燃煤处,火力自然上不来。

 

我们再来探讨另一个问题:要是上面的桶状煤炉四周都开满通风孔,燃烧效果会怎样?开孔的结果意味着通道的部分破坏,根据开孔多少、位置的不同(比如开在最上部或最下部,或者开在中部等等),通道破坏的程度有所不同,燃烧力度下降程度有所变化,甚至熄灭。如果燃煤在直径更大的炉腔里进行燃烧,或者炉腔的高度发生较大的变化又会是什么情况呢?有兴趣的话不妨做一做验证试验,这里就不再深入探讨。

烟囱效应的原理用在生活中可以给我们带来一些新的启示。比如高楼大厦的底部着火了,楼上人们逃生方向是向上还是向下?大部分高楼大厦由于通道的客观存在,具体了烟囱效应形成的必要条件,浓烟和火势可能会以毫秒级速度赶在人们到达之前,选择向上奋力前往天台逃生的话后果可能会很严重。

烟囱效应的原理也可以获得较好的利用,比如用来加强欧变电气设备的散热。欧变运行时,各类电气设备作为发热体,附近空气受热膨胀,因密度相对冷空气低而上行;密度相对高的冷空气从发热体下部进入,受热膨胀后再上行,循环往复。假如我们把欧变高压室、低压室、变压器室看成单独的烟囱,若保持箱体内较好的通道,烟囱效应就能使得电气设备产生的热量快速从箱体内带到箱体外。具体要点:箱体内各电气设备发热体下部要有合适的进风口,上部要有合适的出风口以及箱体四周中间段尽可能密封从而构成较为理想的通道。

根据烟囱效应的原理我们可以对一些具体设计案例进行分析。

图1设计方案:百叶窗式进风口在箱体靠下的位置,出风口几近箱体顶部;箱体中部较大范围无进出风孔,通道构成较为完整,箱体内热量可以借助烟囱效应较快地被带到箱体外。以烟囱效应为视角看,是值得点赞的设计方案。

当然,根据烟囱效应的原理进行分析,最理想的进、出风口不是开在箱体的侧面最上部和最下部,而是发热体底部和顶部,这样气流垂直通行,效果更佳。当然,由于户外防水等的需要,顶部不便于直接设计出风口;底部进风口设计也要视具体项目而定。

 

图2、3设计方案:中部一带的通风孔属于画蛇添足、破坏通道的设计。这种方案通风孔开得越多,对通道破坏得越厉害,无助于通过烟囱效应形成快速气流将箱体内热量带到箱体外。

要是箱体顶部装上了强制排风机,箱体内温控仪探头的温度达到设定温度顶部风机自动启动,大量的冷空气将从这些孔中进入,从顶部排出,这样的气流循环散热效率偏低,因为最应该被带走的是由电气设备周边的热空气。这种窄长型、位于箱体中部的通风孔属于应该杜绝的设计方案。

    

图4方案:案例背景:箱体低压侧的侧面下部、箱体底部及箱体内低压柜底部都没有开通风孔,进风口因此丧失,通道因此被破坏,烟囱效应基本消失,箱体内热空气无法通过快速气流被带到箱体外,也是属于必须杜绝的设计方案之列。

 

总之,为了箱体内的电气设备安全运行,欧变要重视散热设计。根据具体环境条件和散热需求,通过图纸、技术要求等形式明确各室和高、低压柜及箱变的散热方案,将相关信息传达到位,用于指导箱体及高、低压柜的设计制作,尤其要关注大电流系统及变压器、电容器、电抗器等高发热体电气设备的散热需求,同时杜绝破坏烟囱效应形成的必要条件之一的气体通道的设计。

箱体内的低压柜体设计首先要明确这些柜体是放在箱变里面的,完全不同于建筑物体内低压柜。根据柜体元器件的散热需求,结合箱体结构和外部环境条件明确进、出风量,同时还要关注箱体外的钢筋混凝土底座有无进风口;不同低压柜制造厂家柜体底板及顶盖通风量的差异等。根据散热需求对桥型模、百叶窗、腰孔各类通风形式及开孔数量提出具体要求,制造出的设备才有可能满足设计要求,达到预期的散热效果,设备安全才更有保障。

当然,由于我国幅员辽阔,特别是随着国际市场的拓展,不同的环境条件和用户对欧变提出了各种各样的个性化要求。比如用于海边腐蚀性环境的欧变,进、出风口设计不当会对箱体内电气设备造成严重腐蚀性损害;新疆、内蒙古一些地区沙尘暴、暴风雨雪肆掠,高散热要求的箱变设计又是另外一种情况,具体方案就不在这里一一分析了。


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