蔡根生1，王金云2，李夢群2
（1.上海電力高壓實業有限公司，上海200063；2. 國網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是保障站內設備良好運行、確保站內工作環境適宜的必要條件。介紹了500 kV靜安全地下變電站的暖通系統回路走向及其設備組成，并根據靜安全地下變電站實際運行情況對站內暖通系統展開分析和討論，最后對近幾年暖通系統的集中缺陷及其危害做出分析，提出應對措施。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和運維工作起到良好的探索和示范效應。
關鍵詞： 500 kV全地下變電站；暖通系統；運維
0 引言
近年來隨著我國經濟的快速發展，許多城市用電供不應求，一些大型城市的電網建設都在積極利用地下空間尋求發展，因此在人口稠密、用地緊張的中心城區建設地下變電站已是一種非常普遍的現象。位于上海市中心的靜安變電站就是迄今為止國內第一座、世界上規模最大的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、上海人民廣場及周邊區域、上海市中心城區主要商業大樓及民居樓等。該站在地面部分僅設置了1個集中進風井、4個集中排風井、控制室，地下的建筑面積超過50 000 m2。地下變電站雖然節約了大量的土地資源，但站內存在許多發熱量大的設備，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境，還會造成室內粉塵污染、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備安全運行的環境質量問題。因此，要保障站內設備長期安全穩定運行并為運維和檢修人員提供一個適宜的工作環境，就必須保持站內良好的通風與散熱[1-2]。
1 地下變電站暖通系統
1.1 地下變電站暖通系統概述
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、通風所用的4個排風豎井和1個集中進風豎井。集中進風豎井從-31.5 m的B4層直至地面以上，總進風口面積約250 m2。地下各層工藝設備房間的通風、空調及冷卻設備冷卻所需的室外空氣均由集中進風豎井引入，并通過各送風或排風設備進入各房間和區域。
1.2 站內暖通系統回路介紹
靜安變電站B4層和B2層均采用機械排風方式，由位于B2層的排風機通過各區域排風管道將空氣排至對應集中排風豎井，再通過集中排風豎井排向室外。
B3層的主變室采用機械進風和機械排風方式，由8臺主變送風機組從集中進風豎井吸入室外空氣，并通過排風機由排風豎井排向室外；電抗器室、GIS室、站用變壓器室均采用走道間接自然進風和各房間獨立機械排風的通風方式。
B1層 GIS室采用機械進風、機械排風的通風系統。系統的進風由新風冷卻機組從集中進風豎井吸入室外空氣，由排風機通過排風管道排至各區域的集中排風豎井，并通過集中排風豎井排向室外；周邊區域的冷卻裝置室、輔助設備室、消防設備室、通信蓄電池室、繼保室等設備房間進風均由走道自然進風，排風由單速排風機通過風道排至對應區域集中排風豎井，并通過豎井排向室外。圖1所示為該系統回路走向圖。
1.3 暖通系統設備組成
靜安地下變電站暖通系統由8臺主變進風機組、14臺冷卻塔進風機組、9臺BAC閉式冷卻塔、28臺單速排風機、32臺雙速排風機組成。
站內8臺主變進風機組用于500 kV與220 kV主變室的新風進風，可負擔主變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，負擔站內油浸設備7/8的熱量。站內主變及66 kV電抗器的冷卻方式為強迫油循環水冷卻，冷卻塔利用循環冷卻水泵使冷卻水在設備的熱交換器和冷卻塔之間循環。水循環時，設置于設備上的熱交換器從絕緣油吸收電氣設備的損耗熱，然后通過冷卻塔的進風機組所帶來的新風和噴淋水來排除。32臺雙速排風機用于各GIS房間和66 kV電抗器室、所用變室、接地變室等設備房間的排風系統；28臺單速排風機用于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系統。同時，靜安站內暖通系統與空調系統相配合，實現對環境溫度的控制。
2 暖通系統運行工況分析
根據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量，給出靜安站通風設備選型的依據，并在此基礎上結合4年以來的運行經驗對站內現有通風系統進行分析和討論。
2.1 500 kV主變室和220 kV主變室通風
靜安變電站目前設置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）；2臺220 kV主變壓器（三相變壓器，布置于獨立房間內）。
主變壓器室通風量按照排出室內余熱所需風量計算，余熱量中的1/8由室內通風系統來負擔，7/8由設備冷卻裝置來負擔。
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和機械排風通風系統。通風系統風量：以室外通風溫度33℃作為系統的進風溫度，室內排風溫度按不超過45℃計算。通風系統的送風機和排風機均考慮100%備用。
變壓器的通風量按下式計算：
式中:LT為變壓器室通風量(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為進排風平均密度(kg/m3)，空氣密度ρ=1.146 kg/m3； Δt為進排風溫差(℃)，Δt=t排風-t進風=45℃-33℃=12℃。
可求出500 kV主變通風量：
LT=125 000÷(0.28×1.01×1.146×12)=32 141(m3/h)
為進一步保證設備安全可靠的運行，在計算得出的變壓器室通風量的基礎上再留出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主變室送風過濾機組和排風機組的配置如表2所示。
2.2 66 kV和35 kV電抗器室通風
靜安變電站目前設有8個66 kV電抗器室，3個35 kV電抗器室。66 kV電抗器室通風系統是以每2個66 kV電抗器室為一個單元設置，35 kV電抗器室通風系統以每3個35 kV電抗器室為一個單元設置。通風系統風量：進風溫度為28℃（由公共區域新風系統保證），室內排風溫度按不超過41℃計算。
66 kV電抗器采用強油水冷的冷卻方式，其中1/8熱量由室內通風系統負擔，7/8由設備冷卻裝置負擔。35 kV電抗器采用風冷冷卻方式，其中7/10熱量由室內通風系統來負擔，其余3/10熱量由該層公共區域通風系統負擔。
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，η1=0.95；η2為電抗器的負荷因數，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)
電抗器的通風量按照下式計算：
其中，ρ、c 所選取的參數均與2.1節中的參數相同。
Δt=t排風-t進風= 41-28 = 13(℃)
由此，可求出單個66 kV電抗器室排風 LR=2 748 m3/h。
為了節約建造成本，提高經濟效益，對于電抗器等設備，不再預留10%的排風余量。所以實際選取的通風系統通風量為：2×5 580/2 800 m3/h。
綜上，選取66 kV電抗器室及35 kV電抗器室排風消聲機組的配置如表4所示。
2.3 其他工藝設備房間通風情況
靜安變電站其他工藝設備房間的通風系統均采用自然進風和機械排風的方式。其余一些主要設備房間排風量如下：站用變室、接地變室等排風機風量4 800 m3/h；500 kV GIS室通風系統排風機風量為14 718/8 831 m3/h；220 kV GIS室通風系統排風機風量為5×17 020/10 220 m3/h；110 kV GIS室通風系統排風機風量為2×9 932/5 959 m3/h；輔助設備房、水處理室設計風量為12 300 m3/h。
2.4 暖通系統運行工況小結
從這幾年的實際運行經驗來看，500 kV靜安變電站暖通系統總體運行工況良好，符合設計要求，排風效果顯著，為地下電氣設備及輔控設備提供了良好的運行環境。上海夏季期間，站內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，通風良好。與戶外設備相比，戶內電氣設備的損耗大幅降低，提高了設備運行的可靠性，延長了其使用壽命。
雖然站內暖通系統已基本達到設計效果，但仍有個別設備房間，如位于B1層的冷卻裝置室、110 kV及220 kV GIS室在夏季期間室內溫度超過體感溫度，同時在梅雨季節存在濕度過大的情況，濕度高達80%~90%，很有可能造成站內配電柜、控制柜、繼保屏、PLC遠程控制屏內的節點短路、開關誤動、繼電器損壞，造成設備停機，保護誤動，嚴重時甚至可能形成電網事故。此外，過高的濕度造成環氧地坪濕滑，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的風機排風效果不理想以及內外區域溫差過大。為了確保設備的安全運行，我們采取以下措施：在這些排風效果較差的設備房間內加裝除濕器。同時，建議加大排風機的排風量并加裝空調改善房間內外溫差。
3 暖通系統缺陷分析及相應措施
3.1 暖通系統缺陷分析及其危害
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，站內暖通系統的送風及排風機組要求全天候開啟，從而易導致設備在運行過程中存在各方面缺陷，對主設備造成一定程度的危害。總結幾年以來的運行經驗并歸納分析后，得知站內缺陷集中表現在以下幾方面。
（1）風機皮帶松動、斷裂：由于風機常年運轉，造成皮帶老化，會影響送風機組及排風機組的排風效果。
（2）風機軸承斷裂：由于設備長時間運行，導致設備自然磨損，風機停運。
（3）風機馬達故障、風機運轉聲音異常：運行環境欠佳，灰塵較多造成。
（4）風機風管破損、開裂：機組開停機時風壓過大或由于風管自身結構不牢固所導致。
（5）送風機組過濾網嚴重污穢：由于靜安站地面是雕塑公園，送風機組在吸入大量外界空氣時夾雜著樹葉、昆蟲、灰塵等雜物，造成濾網堵塞，影響進風效果，導致風機馬達故障、箱體變形。
（6）冷卻塔送風機組自動狀態下未能正常運行、遠程或近控失效、冷卻塔頻繁跳機：由輔控自動化缺陷造成。站內油浸設備7/8的熱量都是由冷卻塔負擔，冷卻塔的運行效果直接影響到站內主設備的散熱情況。
（7）冷卻塔本體漏水等等：由于冷卻塔檢修孔設計不合理、箱體密封較差引起。
3.2 暖通系統缺陷的應對措施
針對站內暖通系統存在的缺陷，在運維工作中應制定相應的措施。
（1）加強巡視：在巡視過程中對設備、設施進行全面的外部檢查，對設備缺陷有無發展做出鑒定，對于設備的薄弱點更應加強監視。
（2）定期更換：設備中較易損耗的部位，如風機出現皮帶裂痕就應及時進行更換。
（3）加強維護：對于風機的馬達、軸承等設備應做到定期加油保養。
（4）定期更換濾網：干凈的濾網可以保證站內良好的通風環境，并減少設備馬達的損耗，建議濾網每季度應更換一次。
（5）加固：站內風管存在薄弱環節，在設備啟停時易造成破損、開裂，對這些地方應做加固處理。為了進一步提高站內暖通運行的可靠性，在日常工作中要及時處理站內暖通系統的缺陷，并通過不斷制定、調整應對措施來減少系統薄弱環節。
4 結束語
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和運維工作起到良好的探索和示范效應。站內暖通系統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上了一個新臺階，雖然在實際應用中存在某些不足，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，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驗和運行數據，可以不斷總結出暖通系統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新技術的發展提供了有力的實際應用經驗。
參考文獻
[1]曲友立. 變電所通風設計淺析[J] .暖通空調，2005,35（8）：83-85.
[2]羅金龍.110kV變電站的暖通設計體會[J].科技與企業，2015（12）:53-56.