箱變的溫升和結(jié)構(gòu)特點

 箱式變電站是一種把高壓開關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓配電裝置按一定的接線方式組裝成一體的預(yù)制、緊湊式的配電設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，象這種具有成套性強(qiáng)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、運行安全可靠、維護(hù)方便、以及投資少、見效快、送電周期短等特點的箱式變電站在城鄉(xiāng)電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。特別是由于城市規(guī)劃、土地升值過快等多方因素，使得安裝方便、占地面積小的小容量箱式變電站（1000KVA以下）已成為用戶的首選，一改對箱式變電站臨時性設(shè)備的認(rèn)識。這就使市場需求逐年擴(kuò)大，眾多電器廠家紛紛進(jìn)行生產(chǎn)制造，市場出現(xiàn)了各種各樣的箱式變電站。箱式變電站最大的特點是：“利用標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的組合，充分滿足專一用戶的供電需求?！奔热皇菍Ｒ?，就是不通用，這就要求制造廠按不同的用戶需求來設(shè)計制造，每個用戶所用的供電變壓器容量、開關(guān)回路多少、外圍環(huán)境、布置方式等均有差異。由于變壓器安裝在戶外的箱體中，戶外太陽的爆曬和變壓器本身產(chǎn)生的熱量能否散出以保證變壓器正常的工作就成了用戶最為關(guān)心的問題。下面就以箱式變電站的溫升問題為主談?wù)勎夜驹谙渥冎圃爝^程中的一些經(jīng)驗和體會，以供大家探討，共同提高我國箱式變電站的制造水平。
一、溫升問題
1、溫升是箱變壽命和功率的主要制約因素
     箱變主要發(fā)熱元件--變壓器在運行過程中要產(chǎn)生損耗，這些損耗將全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。熱量的一部分使變壓器自身的溫度升高，另一部分散發(fā)到周圍的空氣中去。變壓器的所有電磁載體都是發(fā)熱體，而鐵心和繞組是最主要的發(fā)熱體。
    變壓器的壽命取決于其絕緣介質(zhì)的壽命。在正常運行條件下，主要是溫度對絕緣介質(zhì)產(chǎn)生影響。長期的高溫會使絕緣介質(zhì)老化，逐漸喪失其耐電性能。
各種絕緣介質(zhì)在某一溫度作用下都有一定的壽命。油浸式變壓器所采用的絕緣材料主要是絕緣紙和紙板，設(shè)計壽命一般為二十年。通過試驗和生產(chǎn)實踐，人們認(rèn)為：與二十年壽命相對應(yīng)的絕緣介質(zhì)長期允許的最高溫度約為98℃。也就是說，油浸式變壓器中的絕緣介質(zhì)在98℃的溫度作用下，可以連續(xù)運行二十年。
    變壓器中各部位的溫度是不同的，在額定條件下運行時，各部位的溫度都不應(yīng)該超過絕緣材料所允許的最高工作溫度。所以，GB1094標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了油浸式變壓器的正常使用條件為：
海撥不超過1000m，最高氣溫+40℃，最熱月平均溫度+30℃，最高年平均溫度+20℃等；規(guī)定了變壓器在連續(xù)額定容量穩(wěn)態(tài)下的溫升限值為：頂層油溫升55K（非全密封型），繞組平均溫升65K。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值是把變壓器周圍空氣的年平均溫度20℃作為基數(shù)，是頂層油溫和繞組平均溫度對年平均20℃空氣溫度的差值。變壓器的絕緣最重要的是繞組絕緣，一般認(rèn)為，繞組最熱點溫度與平均溫度相差13K，所以，繞組的平均溫升限值是98-20-13=65K。
     變壓器在運行過程中所產(chǎn)生的熱量是靠熱傳導(dǎo)、熱輻射和對流這三種形式散出的。從繞組到繞組表面，熱量靠熱傳導(dǎo)的形式散出；從繞組表面到油中，靠對流的形式散出；熱量從油箱外壁散到空氣中是靠對流和輻射這兩種形式實現(xiàn)的。油箱外壁對空氣的溫差最大，約占總溫升的60%--70%，從這點看，變壓器運行的環(huán)境溫度是很重要的。
     現(xiàn)在不少箱式變電站中安裝了干式變壓器，干式變壓器的繞組溫升限值是100K，最熱點溫度與平均溫度相差15K，干式變壓器的正常使用條件與油變相同。 但是，干式變壓器是一個比油變高得多的熱源，從干變到變電站內(nèi)的空間再到變電站外的空間，有很大的溫度梯度。一般的干式變壓器都帶有風(fēng)機(jī)，可以在強(qiáng)迫風(fēng)冷的狀態(tài)下運行，風(fēng)機(jī)使變壓器的溫度更快地散發(fā)到周圍的介質(zhì)中。這就要求箱式變電站具備更好的通風(fēng)散熱條件。要求變電站內(nèi)、外空 間的溫度保持不變難以做到，但必須控制變電站對外部空氣的溫升，使之趨于最小。
    安裝在箱式變電站中的變壓器同樣要求周圍空氣的年平均溫度不得高于20℃，由于環(huán)境惡劣導(dǎo)致變壓器的運行溫度升高，一方面將影響變壓器的壽命，另一方面，如果要保證變壓器的額定負(fù)荷，其繞組的直流電阻將變大，負(fù)載損耗增加，促使變壓器的溫度進(jìn)一步升高，最終不得不降低負(fù)荷，從而使變壓器的使用效率降低。以S9-630kVA為例，為保證溫升限值而降低負(fù)荷，其相互關(guān)系見圖1。
2、雙層通道式結(jié)構(gòu)解決了溫升問題
      用戶選購一臺供電變壓器，都希望能滿負(fù)荷或短時超負(fù)荷使用，要保證這個希望值，就必須注重箱變外殼的自然通風(fēng)量的設(shè)計，外邊的冷空氣要與箱變里的熱空氣形成對流，從而確保供電變壓器的繞組溫升，保證滿負(fù)荷或短時超負(fù)荷能力。我們是這樣解決溫升這個問題的；外殼采用自然對流的雙層隔熱的風(fēng)道結(jié)構(gòu)（該結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請專利），采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計基本滿足供電變壓器的散熱要求。在短時間超負(fù)荷運行時，我們增設(shè)了溫控強(qiáng)排風(fēng)裝置確保供電變壓器安全運行。我們在采用此設(shè)計方案之前也走過一段彎路，一開始就發(fā)現(xiàn)采用單層結(jié)構(gòu)不行，就采用雙層填充隔熱材料的結(jié)構(gòu)，結(jié)果一驗證，我們做了個保溫箱。后又改成頂部通風(fēng)，增加了強(qiáng)制通風(fēng)等手段，溫升問題解決了，但又帶來了凝露問題。就這樣通過反復(fù)的驗證和數(shù)百處的改進(jìn)，最終確定了現(xiàn)在的這種方案。并在電科院做了多種規(guī)格的型式試驗，其溫升值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)值（見溫升試驗記錄表）。按新方案生產(chǎn)的幾百臺箱式變電站已投入運行，使用在南方、北方等地區(qū)，經(jīng)歷了嚴(yán)冬和酷暑的考驗。       
3、溫升試驗的計算
     箱式變電站選用導(dǎo)則的電力部標(biāo)準(zhǔn)DL/T537-2002及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17467-1998 6.2中關(guān)于溫升試驗的說明是這樣的：溫升試驗的目的是校驗箱式變電站外殼設(shè)計的正確性，即能正常運行和不縮短站內(nèi)元件的預(yù)期壽命。試驗時必須測量變壓器液面和繞組（干式變壓器只測繞組）的溫升和低壓設(shè)備的溫升。試驗應(yīng)證明：變壓器在外殼內(nèi)的溫升與同一臺變壓器在外殼外部測得的溫升差值不大于外殼級別規(guī)定的數(shù)值，如級別0（0K）、級別10（10K）、級別20（20K）、級別30K（30K），而每一級別值是這樣計算的：△t≤△t2-△t1(注: △t2 變壓器在外殼內(nèi)的溫升  △t1變壓器在外殼外部的溫升)
國內(nèi)關(guān)于箱變外殼的級別△t數(shù)值如下：
級別0  △t≤0K， 級別10  △t≤10K， 級別20 △t≤20K， 級別30  △t≤30K
現(xiàn)將國內(nèi)某一知名品牌所提供的變壓器型式試驗報告溫升數(shù)據(jù)為例：
1）、干式變壓器
SCB9-630KVA干式變壓器實測溫升為：高壓繞組  80K  低壓繞組  77K雙層通道式結(jié)構(gòu)的箱式變電站內(nèi)同規(guī)格型號干式變壓器實測溫升為：高壓繞組 86K  低壓繞組81.1K。則外殼級別數(shù)值為：高壓繞組△t= 86K-80K=6K（10級） 低壓繞組△t 81.1K-77K=4.1K（10級）從上面所列出的數(shù)據(jù)表明，雙層通道式結(jié)構(gòu)的箱式變電站已經(jīng)達(dá)到國家規(guī)定的10級水平。

2）、油浸式變壓器
S9M-500kVA油浸式變壓器在外殼外面實測溫升為：頂層油面：48.8K  高壓繞組  54.8K  低壓繞組60.5K
雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計的變電站內(nèi)同規(guī)格型號的油浸式變壓器實測溫升為：頂層油面 51.4 K  高壓繞組 56.3K  低壓繞組62.8K
則外殼級別數(shù)值為：頂層油面△t=51.4K-48.8K=2.6K（10級）   高壓繞組△t=56.3K-54.8K=1.5K（10級）低壓繞組△t=62.8K-60.5K=2.3K（10級）
      從上面所列出的數(shù)據(jù)表明，箱變的外殼級別值△t遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10級別，所以說雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計的箱式變電站已經(jīng)完全達(dá)到國家規(guī)定的10級水平。因此，雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計的箱變是非常成功的，完全達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。
表1為雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計的箱變DXB-1250KVA（裝干式變壓器）箱式變電站溫升型式試驗報告數(shù)據(jù)。
二、雙層通道式結(jié)構(gòu)的箱式變電站箱體的綜合指標(biāo)
1、選用材料
      雙層通道式結(jié)構(gòu)箱式變電站箱體的材料可以是金屬、非金屬或者兩者的組合，按照GB/T2423.4-1997標(biāo)準(zhǔn)要求能耐受一定機(jī)械力的作用，即20J的撞擊力的作用。如果外殼是非金屬的，是耐老化阻燃性材料，應(yīng)采用靜電屏蔽或加大電氣距離等方法，以防止產(chǎn)生危險的靜電荷.
2、結(jié)構(gòu)型式
     雙層通道式結(jié)構(gòu)箱式變電站箱體分帶操作走廊和不帶操作走廊兩種；箱體骨架分組裝式和焊接式；高壓室、低壓室和變壓器室可布置成目字形和品字形。箱體應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，在起吊、運輸和安裝時沒有變形或損壞；箱體的外觀和色彩美觀，與環(huán)境協(xié)調(diào)。箱體的基座高出地基300~600mm。沉箱式箱體地下部除有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度外，還有防腐、防水措施。
箱體高、低壓室和變壓器室設(shè)可自動開閉的充分的照明設(shè)施。所有的門向外開，開啟角度大于90°，并設(shè)定位裝置，門有密封措施，裝有把手、暗閂和能防雨、防堵、防銹的暗鎖；鉸鏈采用不銹鋼或銅質(zhì)鉸鏈，鉸鏈固定方式能防止在門外拆卸。門的設(shè)計尺寸與所裝用的設(shè)備尺寸相配合。帶有操作走廊的箱體，其高壓開關(guān)柜前留有不少于900mm的操作空間，低壓開關(guān)柜前留有不少于600mm的空間。
3、隔熱通風(fēng)措施
    箱體設(shè)足夠的自然通風(fēng)和隔熱措施，有足夠的進(jìn)出風(fēng)通道，可以保證在一般周圍空氣溫度下運行時，所有電器設(shè)備的溫度不超過其最大允許溫度。高壓設(shè)備連線雷電沖擊電壓滿足GB/T716927.1標(biāo)準(zhǔn)。油浸變壓器室除自然通風(fēng)外，一般還裝設(shè)不少于2只容量相當(dāng)?shù)妮S流通風(fēng)機(jī)，并可隨變壓器運行溫度的變化自動投切。箱體頂蓋的傾斜度不小于3°，并裝設(shè)防雨檐。

4、表面處理及防潮、防雨措施
箱體基座和所有外露金屬件均進(jìn)行防銹處理，并噴涂耐久的防護(hù)層，箱體有可靠的密封性能，門、窗和通風(fēng)口設(shè)防塵、防小動物進(jìn)入和防滲、漏雨水措施。箱體的內(nèi)壁和隔板用金屬或非金屬材料，其色彩與內(nèi)部電器設(shè)備顏色協(xié)調(diào)，金屬構(gòu)件亦進(jìn)行防銹處理和噴涂防護(hù)層。箱體內(nèi)設(shè)驅(qū)潮裝置，以盡量避免內(nèi)部元件發(fā)生凝露。
     5、噪音水平
     雙層通道式結(jié)構(gòu)箱式變電站由于安裝在居民小區(qū)、路邊等人口聚集區(qū)，因此噪音水平也是一個比較重要的指標(biāo)。箱式變電站噪音主要來自于變壓器。雙層結(jié)構(gòu)通道式箱變具有良好的隔音效果。

6、防護(hù)等級和撞擊性能
      箱式變電站由于安裝在戶外，箱變外殼的防護(hù)等級、防撞擊性能等指標(biāo)也很重要：箱變的防護(hù)等級一般不低于GB4208-1993中的IP23，也可以做到IP43，箱變外殼能承受20J能量的撞擊的少許變型不影響箱變的電氣性能和防護(hù)等級。按GB/T17467-1998.5.4.2中要求頂部最小負(fù)荷應(yīng)為2500N/mm2，在車輛通行處地下安裝的箱式變電站頂部最低應(yīng)能承受50KN作用在600cm2的表面上（830KN/m2）,目前國內(nèi)外所生產(chǎn)的金屬箱變外殼和非金屬外殼一般均能達(dá)到要求。雙層通道式結(jié)構(gòu)的金屬箱變外殼和非金屬箱變外殼由于采用雙層通道式結(jié)構(gòu)，所以防護(hù)性能要高于標(biāo)準(zhǔn)要求。
目前國內(nèi)外生產(chǎn)箱式變電站的廠家很多，希望我們設(shè)計的雙層通道式結(jié)構(gòu)箱變點滴經(jīng)驗?zāi)芙o同行們以啟示。相信隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，箱式變電站也處在一種不斷發(fā)展變化中，其外觀、技術(shù)性能也在不斷的提高，也越來越被廣大用戶所接受，成為終端配電系統(tǒng)的主流及用戶的首選。