沈波 張善文 王朝權 徐愛華

青島特銳德電氣股份有限公司 山東 青島 266000

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

10kV箱式變電站的外殼結構設計，尤其是變壓器室的外殼結構設計和通風散熱方案設計，直接決定了產(chǎn)品的外殼級別。其中通風散熱方案分強制通風散熱和自然通風散熱兩種方式。相對于強制通風散熱，自然通風散熱不需要風機，而是通過合理的殼體結構設計和散熱空間、風道設計，充分利用變壓器熱源及其周圍空氣的熱對流來實現(xiàn)散熱，更安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保，故國家電網(wǎng)逐漸要求采用自然通風散熱方案。

在自然通風散熱方案中，外殼的防護等級和外殼級別兩個參數(shù)總是矛盾的存在。本文將從外殼結構設計、風道設計、材料選擇三個方面進行系統(tǒng)分析和試驗總結，在滿足外殼防護等級IP33D的前提下，探索將外殼級別降低到10K以下，實現(xiàn)緊湊型結構設計的可能性。

1、10kV箱式變電站外殼結構設計方面

下面將以630kVA的金屬外殼為例，從變壓器隔室尺寸、門板通風窗類型、隔網(wǎng)門結構、頂蓋結構和通風板結構等五個方面，分析外殼結構對外殼級別的影響：

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散熱，并降低其溫升值。在試驗過程中，用測溫儀測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℃，說明在自然通風散熱過程中，變壓器室頂部位置的溫度明顯高于環(huán)境溫度，除了自然通風散熱，還有一部分熱量以熱傳導方式進行了散熱，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散熱。

第一臺為普通金屬外殼溫升數(shù)據(jù)，外殼級別實測數(shù)據(jù)為15.8K，第二臺將變壓器室長度尺寸加大400mm，高度尺寸加大250mm，外殼級別為13K，降低了2.8K，說明變壓器室隔室尺寸和高度尺寸的加大，能夠達到降低外殼級別的目的，但同時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果。

1.2 門板通風窗類型和有效通風面積

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

第四臺外殼(9.4K)是在第三臺外殼(11.2K)的基礎上，將門板通風窗數(shù)量多增加了一組，外殼級別降低了1.8K，能夠達到降低外殼級別的目的。通過多次試驗驗證，門板上通風孔有效面積在門板面積的40%以上為宜。

1.3 隔網(wǎng)門結構

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

1.4 頂蓋結構和通風板結構

根據(jù)溫升試驗過程中溫度分布和熱對流狀態(tài)，熱量主要集中在頂部，頂部溫度相對較高，故頂蓋設計時，需考慮頂部相應的通風結構，頂部通風結構直接將熱空氣排出到殼體外部，能夠有效提高自然通風散熱效率。在變壓器室底座鋪板位置增加通風板結構，做為進風口的一部分，空氣直接由底部進入變壓器室，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，增加通風板和出風口，頂部匯集的熱空氣直接經(jīng)過通風板上升至出風口，經(jīng)過頂蓋排出殼體外部，能夠最大化的提高自然通風散熱效率。通過頂蓋結構和通風板結構優(yōu)化，外殼級別降低了1.5K～2.5K。其中通風板有效開孔面積系數(shù)大于0.25為宜。

2、10kV箱式變電站風道設計方面

無論是隔室尺寸、通風窗類型、隔網(wǎng)門的結構，還是通風板結構和頂蓋結構，最終都需要通過系統(tǒng)集成，形成有效的自然通風散熱風道，才能將自然通風散熱的效率發(fā)揮到最大，最大程度的降低外殼級別。一方面通過分別在變壓器底部和頂部設置進風口和出風口，將風道有效貫通，并減小通風風阻；另一方面通過調(diào)整變壓器散熱片方向，將變壓器兩端側風道進行貫通，能夠有效降低風阻，有利于變壓器的通風散熱。通過系統(tǒng)風道集成，外殼級別降低了近1.8K。

3、10kV箱式變電站過濾網(wǎng)材料選擇方面

百葉窗過濾網(wǎng)安裝在格柵防雨百葉窗內(nèi)部，過濾網(wǎng)的材料類型及結構，對風阻和通風效率有著直接的影響，在滿足防護等級IP33D要求的前提下，過濾網(wǎng)材質(zhì)和結構的有效通風面積盡可能大，風阻盡可能小。通過實驗驗證，鋼質(zhì)過濾網(wǎng)明顯優(yōu)于尼龍過濾網(wǎng)(低2K左右)，通風孔有效面積系數(shù)大于0.75為宜。

4、結束語

通過對上述結構的優(yōu)化和實際產(chǎn)品的驗證試驗，風道的有效系統(tǒng)集成，可以有效提高外殼自然通風散熱的質(zhì)量和效率，在滿足外殼級別10K的前提下，有效縮小產(chǎn)品的外形尺寸，實現(xiàn)自然通風散熱結構的緊湊型設計。綠色、節(jié)能、環(huán)保是電力設備發(fā)展的永恒主題，如何通過對殼體結構的優(yōu)化設計、集成設計和新材料應用，降低外殼級別，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，也是今后10kV箱式變電站產(chǎn)品研究與發(fā)展的重要方向。