CFD仿真驱动:变电站环境调控系统解析

引言

随着国内电网规模持续扩大，10kV至500kV变配电站数量已增长至数万座，设备密集运行带来的散热、防潮与有害气体管控问题日益突出。传统人工巡检叠加空调、除湿机组的粗放式管理方式，难以动态适配设备发热变化，局部高温、柜体凝露、GIS室SF6气体积聚等隐患时有发生，同时能耗与耗材更换成本长期处于高位，与电网双碳节能考核要求存在一定差距。在此背景下，无锡赛孚电力环境控制设备有限公司（以下简称“赛孚”）依托与同济大学、中国电力科学研究院等机构的产学研合作，推出变电站低耗智能环境控制系统，尝试从气流组织与智能调控两个维度，为电力设备环境管理提供新的技术路径。

一、技术机制:微正压矢量送风与CFD仿真建模

该系统的实现载体包括开关室控温防凝露系统、汇控柜降温防凝露装置、环网柜控温防凝露装置、户外端子箱防凝露装置等系列产品，均以微正压矢量送风原理为基础，结合高精度传感器与AI算法完成温湿度、SF6浓度等参数的动态调控。据企业介绍，研发团队采用ANSYS 2024/R1软件对变电站室内空间及各类发热源进行网格划分，小网格尺寸为10mm³，每立方米划分出30万至40万个多面体，并通过建立动量方程、能量方程、质量方程及湍流方程（Realizable k-epsilon模型），模拟变电站内部温度场与速度场的变化过程。基于上述建模，系统在低速驱动条件下形成“强迫对流弱、自然对流强”的气流组织形态，气流呈螺旋分层上升状态，从而在降低能耗的同时延长设备使用周期。截至目前，该技术已取得发明专利8项、实用新型专利25项，并通过中信合标（北京）认证有限公司的节能低碳技术评价。

二、场景应用一:500kV换流站的气体与温控管理

在500kV贵州安顺换流站的应用案例中，系统针对GIS室SF6气体积聚与设备发热问题，采用底部/背部进风方式，将SF6泄漏气体含量控制在6000mg/m³以下，室内温差维持在1.5℃/h以内，且具备来电自投自动控制功能。据现场运行数据统计，该站能耗降低50%以上，故障远程预警实现覆盖，现场运维巡查频次减少60%以上。对于高电压等级、结构复杂的换流站而言，此类调控方式为设备绝缘安全提供了较为稳定的环境基础。

三、场景应用二:智能变电站的防凝露实践

220kV无锡西泾智能变电站案例中，系统结合矢量送风与温湿度动态调控技术，在梅雨季节等高湿环境下，凝露控制率达到99%，柜内空气洁净度维持在5μm级别以上，粉尘浓度控制在0.25mg/m³以下。与老式通风系统相比，该站点能耗降低40%以上。这一结果表明，通过气流组织优化替代传统除湿设备叠加方式，可在潮湿地区实现较为稳定的防凝露效果，为智能变电站运维管理提供参考。

四、场景应用三:城郊变电站的多重环境防护

110kV安徽中港变电站地处城郊，夏季环境温度高达38℃以上，梅雨季节湿度超过85%，同时面临通风噪音扰民与无人值守运维的双重需求。赛孚团队结合CFD仿真分析，为该站定制低噪节能型环境控制系统，集成消声式通风机组、高精度温湿度传感单元与物联网远程监控模块，并针对高湿问题接入专利防凝露算法动态调整除湿模式。运行数据显示，夏季室内温度稳定控制在32℃以下，梅雨季节湿度控制在70%RH以下，凝露控制率达到100%；能耗相比传统通风设备降低72%，年均节省电费2.8万余元；现场巡查频次降低70%，初步形成应对高温、高湿、噪音及气体泄漏等多重环境风险的联动防护机制。

五、宏观影响与行业意义

截至目前，该系统已应用于全国近5000个变电站，覆盖江苏、山东、贵州、湖北、安徽、上海、浙江、四川等地区，客户复购率达到70%以上，设备运行故障率低于0.5%/年，机组设计寿命达15年。从行业层面看，该技术两次列入《国家电网公司新技术推广目录》（2013年、2015年），并被南方电网列为成熟推广类技术（2016年）。据测算，相较传统空调除湿设备组合方案，该系统全生命周期综合费用可节约25%至45%，能耗降低70%以上，为电网双碳节能考核提供了可量化的技术支撑路径，也为无人值守变电站运维模式的推广创造了一定条件。

六、成果背书:专利、标准与行业评价

在专利与标准层面，赛孚已取得发明专利8项、实用新型专利25项（如ZL202323098908.4、ZL201110093533.5），产品通过CCC自我声明（编号2020970301048154、2025000301013183），并符合GB/T 7251.12-2013等国家标准。相关技术成果曾获2012年度南方电网“金点创意奖”、2015年度电力工程科学技术进步奖三等奖及2020年上海市电力公司科技创新举手制成果二等奖。2023年，该技术参与中国电科院绿色低碳变电站专项课题研发，进一步接受行业层面的验证与评审。

七、团队构成与支持机构

该项目由赛孚公司董事长承方牵头，联合教授级高级工程师刘明涛（东南大学背景）、同济大学陈硕教授及流体力学专家李启良教授共同组成研发团队，团队中研发人员占比达40%，平均从业年限8年以上。项目研究过程中，得到中国电力科学研究院、江苏省电力设计院及同济大学虚拟仿真实验教学中心的支持，同时与华电设计院在变电站图纸精细化建模方面开展协同工作，对110kV GIS室、二次设备室、10kV配电装置室、电容器室进行空间分割与设备热负荷标注，为CFD仿真模型的物理真实性和边界条件准确性提供保障。这一系列产学研合作，构成了该系统持续迭代升级的技术支撑体系。

来源：人民视窗网