淺談10kV箱式變電站外殼結(jié)構(gòu)對(duì)外殼級(jí)別的影響

沈波 張善文 王朝權(quán) 徐愛(ài)華

青島特銳德電氣股份有限公司 山東 青島 266000

外殼級(jí)別是指變壓器在外殼內(nèi)的溫升和同一臺(tái)變壓器在外殼外的溫升之差，標(biāo)準(zhǔn)中有6個(gè)額定外殼級(jí)別，分別是5K、10K、15K、20K、25K、30K。外殼級(jí)別對(duì)變壓器的負(fù)荷系數(shù)有著直接的影響，在同一環(huán)境溫度條件下，外殼級(jí)別越低，變壓器的負(fù)荷系數(shù)就越高，能帶的負(fù)荷就越大；而在同一負(fù)荷條件下，外殼級(jí)別越低，變壓器的散熱條件越好，變壓器本體的運(yùn)行溫度越低，越有利于變壓器長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，故目前大部分10kV箱式變電站產(chǎn)品的外殼級(jí)別要求達(dá)到10K。

10kV箱式變電站的外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是變壓器室的外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通風(fēng)散熱方案設(shè)計(jì)，直接決定了產(chǎn)品的外殼級(jí)別。其中通風(fēng)散熱方案分強(qiáng)制通風(fēng)散熱和自然通風(fēng)散熱兩種方式。相對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)散熱，自然通風(fēng)散熱不需要風(fēng)機(jī)，而是通過(guò)合理的殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱空間、風(fēng)道設(shè)計(jì)，充分利用變壓器熱源及其周圍空氣的熱對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱，更安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保，故國(guó)家電網(wǎng)逐漸要求采用自然通風(fēng)散熱方案。

在自然通風(fēng)散熱方案中，外殼的防護(hù)等級(jí)和外殼級(jí)別兩個(gè)參數(shù)總是矛盾的存在。本文將從外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、風(fēng)道設(shè)計(jì)、材料選擇三個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)分析和試驗(yàn)總結(jié)，在滿足外殼防護(hù)等級(jí)IP33D的前提下，探索將外殼級(jí)別降低到10K以下，實(shí)現(xiàn)緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可能性。

1、10kV箱式變電站外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

下面將以630kVA的金屬外殼為例，從變壓器隔室尺寸、門板通風(fēng)窗類型、隔網(wǎng)門結(jié)構(gòu)、頂蓋結(jié)構(gòu)和通風(fēng)板結(jié)構(gòu)等五個(gè)方面，分析外殼結(jié)構(gòu)對(duì)外殼級(jí)別的影響：

1.1 變壓器隔室尺寸

變壓器隔室尺寸加大后，增加了變壓器四周的散熱空間和殼體的散熱面積，有利于變壓器的通風(fēng)散熱，并降低其溫升值。在試驗(yàn)過(guò)程中，用測(cè)溫儀測(cè)量變壓器室外殼溫度，外殼頂部溫度比底部的溫度高了近10℃，說(shuō)明在自然通風(fēng)散熱過(guò)程中，變壓器室頂部位置的溫度明顯高于環(huán)境溫度，除了自然通風(fēng)散熱，還有一部分熱量以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行了散熱，故變壓器室高度尺寸的加大，增加了頂部散熱面積，也有利于變壓器室的通風(fēng)散熱。

第一臺(tái)為普通金屬外殼溫升數(shù)據(jù)，外殼級(jí)別實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為15.8K，第二臺(tái)將變壓器室長(zhǎng)度尺寸加大400mm，高度尺寸加大250mm，外殼級(jí)別為13K，降低了2.8K，說(shuō)明變壓器室隔室尺寸和高度尺寸的加大，能夠達(dá)到降低外殼級(jí)別的目的，但同時(shí)也一定程度上增加產(chǎn)品的占地面積和殼體原材料成本，后者是我們不希望看到的結(jié)果。

1.2 門板通風(fēng)窗類型和有效通風(fēng)面積

通風(fēng)窗有效通風(fēng)面積越大，越有利于變壓器的通風(fēng)散熱，故通風(fēng)窗在滿足防護(hù)等級(jí)IP33D的前提下，加大通風(fēng)窗有效通風(fēng)面積，有利于降低變壓器溫升值。相對(duì)于門板鈑金直接沖壓的百葉窗，格柵防雨百葉窗有效通風(fēng)面積更大，更利于變壓器的通風(fēng)散熱。

第四臺(tái)外殼(9.4K)是在第三臺(tái)外殼(11.2K)的基礎(chǔ)上，將門板通風(fēng)窗數(shù)量多增加了一組，外殼級(jí)別降低了1.8K，能夠達(dá)到降低外殼級(jí)別的目的。通過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，門板上通風(fēng)孔有效面積在門板面積的40%以上為宜。

1.3 隔網(wǎng)門結(jié)構(gòu)

隔網(wǎng)門位于外門與變壓器之間，隔網(wǎng)門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直接影響殼體內(nèi)外空氣的對(duì)流，從而影響到變壓器自然熱對(duì)流散熱的質(zhì)量和效率。為盡可能減少隔網(wǎng)門對(duì)空氣對(duì)流的阻礙影響，隔網(wǎng)門通風(fēng)孔有效面積系數(shù)大于0.85為宜。

1.4 頂蓋結(jié)構(gòu)和通風(fēng)板結(jié)構(gòu)

根據(jù)溫升試驗(yàn)過(guò)程中溫度分布和熱對(duì)流狀態(tài)，熱量主要集中在頂部，頂部溫度相對(duì)較高，故頂蓋設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮頂部相應(yīng)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，頂部通風(fēng)結(jié)構(gòu)直接將熱空氣排出到殼體外部，能夠有效提高自然通風(fēng)散熱效率。在變壓器室底座鋪板位置增加通風(fēng)板結(jié)構(gòu)，做為進(jìn)風(fēng)口的一部分，空氣直接由底部進(jìn)入變壓器室，并最大化的流經(jīng)變壓器散熱片位置；在變壓器室頂蓋位置，增加通風(fēng)板和出風(fēng)口，頂部匯集的熱空氣直接經(jīng)過(guò)通風(fēng)板上升至出風(fēng)口，經(jīng)過(guò)頂蓋排出殼體外部，能夠最大化的提高自然通風(fēng)散熱效率。通過(guò)頂蓋結(jié)構(gòu)和通風(fēng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，外殼級(jí)別降低了1.5K～2.5K。其中通風(fēng)板有效開孔面積系數(shù)大于0.25為宜。

2、10kV箱式變電站風(fēng)道設(shè)計(jì)方面

無(wú)論是隔室尺寸、通風(fēng)窗類型、隔網(wǎng)門的結(jié)構(gòu)，還是通風(fēng)板結(jié)構(gòu)和頂蓋結(jié)構(gòu)，最終都需要通過(guò)系統(tǒng)集成，形成有效的自然通風(fēng)散熱風(fēng)道，才能將自然通風(fēng)散熱的效率發(fā)揮到最大，最大程度的降低外殼級(jí)別。一方面通過(guò)分別在變壓器底部和頂部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，將風(fēng)道有效貫通，并減小通風(fēng)風(fēng)阻；另一方面通過(guò)調(diào)整變壓器散熱片方向，將變壓器兩端側(cè)風(fēng)道進(jìn)行貫通，能夠有效降低風(fēng)阻，有利于變壓器的通風(fēng)散熱。通過(guò)系統(tǒng)風(fēng)道集成，外殼級(jí)別降低了近1.8K。

3、10kV箱式變電站過(guò)濾網(wǎng)材料選擇方面

百葉窗過(guò)濾網(wǎng)安裝在格柵防雨百葉窗內(nèi)部，過(guò)濾網(wǎng)的材料類型及結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)阻和通風(fēng)效率有著直接的影響，在滿足防護(hù)等級(jí)IP33D要求的前提下，過(guò)濾網(wǎng)材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的有效通風(fēng)面積盡可能大，風(fēng)阻盡可能小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鋼質(zhì)過(guò)濾網(wǎng)明顯優(yōu)于尼龍過(guò)濾網(wǎng)(低2K左右)，通風(fēng)孔有效面積系數(shù)大于0.75為宜。

4、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和實(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證試驗(yàn)，風(fēng)道的有效系統(tǒng)集成，可以有效提高外殼自然通風(fēng)散熱的質(zhì)量和效率，在滿足外殼級(jí)別10K的前提下，有效縮小產(chǎn)品的外形尺寸，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的緊湊型設(shè)計(jì)。綠色、節(jié)能、環(huán)保是電力設(shè)備發(fā)展的永恒主題，如何通過(guò)對(duì)殼體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、集成設(shè)計(jì)和新材料應(yīng)用，降低外殼級(jí)別，追求產(chǎn)品全生命周期的節(jié)能、降耗、減排的綜合極致目標(biāo)，也是今后10kV箱式變電站產(chǎn)品研究與發(fā)展的重要方向。