摘 要：小型化預(yù)裝式變電站是應(yīng)用于城市電網(wǎng)改造建設(shè)的交流6～10kV網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)網(wǎng)配電裝置。我們開發(fā)的小型化預(yù)裝式變電站具有以下顯著優(yōu)點：占地面積小，由于對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計和配置，節(jié)約了空間；溫升低，擬借助計算機輔助設(shè)計與實際情況的結(jié)合，仿真出變電站的流場、溫度場等情況，盡最大可能增加散熱、減小溫升。

關(guān)鍵詞：小型化；溫升；仿真計算

1 電氣部分

1.1 高壓部分

采用XGN38（safe）開關(guān)（共箱式小型化SF6開關(guān)），一般采用三間隔（CCF）并有一個予留間隔；在XGN38（safe）開關(guān)中我們安裝電動操作機構(gòu)和自動化單元；高壓部分設(shè)計滿足內(nèi)部故障（引弧）新要求，同時我們在高壓開關(guān)柜的下面設(shè)計有泄壓網(wǎng)，后側(cè)有泄壓板。

1.2 低壓部分

采用維納爾母線系統(tǒng)，利用封閉母線不打孔的掛接技術(shù)實現(xiàn)緊湊小型化，一般選用ABB或施耐德的低壓開關(guān)；低壓母線端配備電涌保護裝置，該裝置采用AEC主動能量控制技術(shù)一、二級組合SPT；補償采用SY802A配電監(jiān)測計量終端，具有補償、計量、控制和遠(yuǎn)傳GPRS通信功能；補償控制元件采用復(fù)合開關(guān)控制，實現(xiàn)過零點投切；補償?shù)拈_關(guān)根據(jù)電力公司技術(shù)規(guī)范選用斷路器，也可使用刀熔開關(guān)，滿足補償實現(xiàn)共補和分補的新要求。

1.3 變壓器室

變壓器選用S11-M-630kVA變壓器，建議采用卷鐵芯變壓器和非晶合金環(huán)保節(jié)能變壓器；采用全封閉連接線，可以在變壓器高壓端子實現(xiàn)電纜肘形接頭連接走線，低壓端子加護套，使之全絕緣。

2 主要特點

2.1 小型化

在城市土地資源越來越緊缺，城市土地寸土寸金的形勢下，開發(fā)小型化預(yù)裝式變電站顯得尤為重要，同時城市的現(xiàn)代化都市建設(shè)也需要小型化的預(yù)裝式變電站。小型化630kVA預(yù)裝式變電站成目字形結(jié)構(gòu)，外形尺寸為3m×2m=6m2，與傳統(tǒng)的預(yù)裝式變電站相比占地面積節(jié)約了近三分之一。

2.2 溫升

隨著預(yù)裝式變電站體積的減小，為保證其具有良好的通風(fēng)散熱性能，通風(fēng)口成了設(shè)計的關(guān)鍵，即在確保變電站溫升合格的前提下，實現(xiàn)預(yù)裝式變電站的小型化。目前人工計算通風(fēng)口面積和位置不僅繁瑣，而且存在工作量大，準(zhǔn)確度差的缺陷。小型化預(yù)裝式變電站擬借助計算機輔助設(shè)計與實際情況的結(jié)合，仿真出變電站的流場、溫度場等情況，借以設(shè)計出合理的內(nèi)部元器件布置方案以及有效的通風(fēng)方式和對流通道，以提高自然通風(fēng)的效果，盡最大可能增加散熱、降低溫升。

2.2.1 仿真計算

考慮到變電站中主要的發(fā)熱設(shè)備為變壓器，因此取變壓器室為計算區(qū)域，經(jīng)過合理的簡化，變電站變壓器室的計算模型如下圖1所示，坐標(biāo)原點為變壓器室底面遠(yuǎn)離觀察者的角點，XYZ方向如圖所示，其中-Y為重力方向。上面的綠色的grille（百葉窗）部分為變壓器室屋檐下端出風(fēng)口，其下面的四塊綠色grille部分為門上的出風(fēng)口百葉窗，處于底部的綠色grille部分為設(shè)計在底托上的的進(jìn)風(fēng)口百葉窗。

在保證箱體強度的前提下，相應(yīng)增大出風(fēng)口的尺寸，我們采用加大檐下通風(fēng)孔尺寸，在高壓室增加頂部隔板，借用高壓室頂檐下通風(fēng)孔的方法。我們把出風(fēng)口的位置定在變電站頂蓋檐下和變壓器室門的上部。由于高壓室的設(shè)備發(fā)熱量相對變壓器室很小，所以我們在高壓室增加了頂部隔板這樣變壓器室的一部分氣流就可以從高壓室頂檐下流出。增大了變壓器室的出風(fēng)量。我們把進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在變壓器室底托上，經(jīng)過反復(fù)計算，修改進(jìn)風(fēng)口的面積，得出最佳的通風(fēng)方式。模型如圖1所示。圖2為高壓室增加頂部隔板后，變電站的z方向的速度云圖，從此圖我們可以看到氣流的流動空間，沿著頂部隔板從高壓側(cè)的出風(fēng)口流出。

2.2.2 流場分析

變壓器室內(nèi)流體流動的主要特點為：變壓器附近的流體被加熱溫度升高，在浮升力作用下向上流動，速度逐漸變大。離開加熱體后，由于流體溫度較周圍流體高，在慣性和浮升力的作用下繼續(xù)向上運動至頂面。受頂面限制，流體在頂部附近形成相對正壓，在壓差作用下流體轉(zhuǎn)而沿頂面向x和z方向流動。對于z方向，如圖2所示，由于低壓側(cè)并未設(shè)置出口，流體沿側(cè)壁面以及變壓器中和面處以一定速度下降，形成一個環(huán)流區(qū)；高壓側(cè)增加出風(fēng)口后，一部分流體沿著頂部隔板從出風(fēng)口流出，剩下的流體同樣形成一個環(huán)流區(qū)；并且這兩個環(huán)流區(qū)與受變壓器直接加熱向上流動的流體相遇，在慣性和流體粘性的作用下，形成速度較低的滯止區(qū)。而變壓器在x方向上并非處在中心對稱位置，與右側(cè)壁面距離小一些，所以左側(cè)沿壁面的向下流動相對更明顯。

對于x方向，在沒有出口的截面處，回流現(xiàn)象更加明顯，滯止區(qū)在變壓器上部空間形成；有通風(fēng)口處的截面情況有所不同，由于頂部及中部兩端出口處壓力與室外環(huán)境壓力接近，內(nèi)部壓力要高于外部壓力，在壓力梯度作用下，一部分溫度較高的空氣從出風(fēng)口排出，而另一部分不能及時從頂部出口排出的流體，則向下流動從位于中部的變壓器門上方的出口排出，于是在兩側(cè)出口處附近產(chǎn)生兩個明顯的環(huán)流。而空腔底部，在變壓器附近相對低壓的抽吸作用下，外界環(huán)境流體從進(jìn)口向變壓器壁面處流動，參看圖3。由該圖可以看出，y方向的流動相對劇烈，最大速度發(fā)生在變壓器散熱片上部空間。整個流場是一個復(fù)雜的，部分區(qū)域存在環(huán)流的三維流動。

經(jīng)過我們不斷的改進(jìn)，出風(fēng)口位置和增設(shè)出風(fēng)口，反復(fù)計算變壓器室內(nèi)溫度，按照溫度修改進(jìn)風(fēng)口的面積，使其溫度達(dá)到設(shè)計要求。從而設(shè)計出自然通風(fēng)面積最為合理、通風(fēng)口位置最佳和內(nèi)部元器件布置更合理的預(yù)裝式變電站。小型化預(yù)裝式變電站經(jīng)過檢測，外殼級別達(dá)到5。

3 市場應(yīng)用和前景

小型化預(yù)裝式變電站獲得天津市電力公司科技進(jìn)步三等獎；天津市北辰區(qū)科技進(jìn)步二等獎；中國高技術(shù)企業(yè)發(fā)展評價中心授予最具市場價值的高新技術(shù)產(chǎn)品；國家科學(xué)技術(shù)部授予國家重點新產(chǎn)品稱號。作為新型的城市配電電氣設(shè)備，在技術(shù)上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，有著廣闊的發(fā)展前景和發(fā)展空間。小型化預(yù)裝式變電站也將帶來良好的應(yīng)用效果及社會效益。

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