預裝式箱式變電站外殼設計

摘 要：箱式變電站的高壓設備、變壓器、低壓設備通過電氣連接組合安裝在外殼中，組成終端配電站，文章簡述了箱變外殼底框、框架、頂蓋的設計要點及注意事項。

關鍵詞：箱變外殼；底框；框架；頂蓋

預裝式箱式變電站，也稱歐式箱變（以下簡稱箱變），因其運行可靠，組合靈活，結構緊湊，占地面積小，安裝施工周期短，能深入負荷中心，便于運輸、遷移，運行費用低，無污染，免維護等特點，廣泛運用在住宅小區、城市公用變、繁華鬧市、施工電源等場合。而箱變外殼除了要滿足高、低壓設備及變壓器的安裝要求，所采用的材質、造型、顏色是否與周邊環境協調也是設計制作廠家和用戶所考慮的一項重要因素。目前的箱變外殼雖然多種多樣，但基本上是由箱變底框、框架、頂蓋組成的，在滿足箱變整體功能和環境配合上仍然有些不足，需要加以改進和完善。本文就箱變外殼的設計如何滿足箱變密封散熱、降低噪音、防腐蝕等問題加以論述和探討。

一、箱變底框

箱變底框一般是由槽鋼、角鋼、鋼板焊接而成，它的外形尺寸以及采用的槽鋼型號大小是根據高、低壓配電柜和變壓器的外形尺寸、數量、重量、排列方式確定的。一般由“目”字型和“品”字形布置兩種方式，見圖1。

在高、低壓室及變壓器室的合適位置均焊有接地螺栓，在兩側槽鋼的立面各焊接M16銅質螺栓，箱變安裝完畢，要把該接地螺栓與箱變周圍的接地網可靠連接，確保接地電阻小于4歐。對于外形尺寸比較大，重量較重的箱變，應考慮底框四個邊框用雙槽鋼對接組焊，以加強其強度。對應變壓器規矩應焊接槽鋼，并按照規矩尺寸開孔，方便變壓器固定。變壓器底部應配置雙層鋼網（2目、8目），鋼網主要起通風以及防護小動物作用。箱變比較重，吊環一般都設計在底框槽鋼上，設計四個吊環位置時，要考慮整臺箱變的重心位置。底框一般設計進人孔，進人孔設計為一個能方便掀開的蓋板，安裝檢修人員能在掀開蓋板后，進入箱變底部，箱變基礎空間。

二、箱變框架

箱變外殼框架主要由立柱骨架，墻板，門板，網門，隔板構成，外殼材質主要針對骨架，墻板以及門板。目前外殼材質主要有：金屬外殼和非金屬外殼。金屬外殼主要有：鋼板，不銹鋼板，覆鋁鋅板，鍍鋅板，復合夾芯板，鋁合金等；非金屬外殼主要有：GRC景觀式等。

國網每年兩批集中協議招標對箱變外殼要求是：304不銹鋼外殼，覆鋁鋅板外殼，或GRC外殼。變壓器室的網門應方便拆卸，便于變壓器安裝；網門應安裝明鎖，并加裝電磁鎖或行程開關，防止操作者誤入帶電間隔。在變壓器帶電運行時電磁鎖是打不開的，除非緊急解鎖；行程開關可以提供信號給高壓開關柜，一旦變壓器帶電運行中打開網門，行程開關動作，高壓開關柜接收到信號，會把高壓開關分閘，確保操作者安全。框架中的隔板，門板與變壓器距離最好在300mm左右，方便變壓器散熱，間距再大，散熱效果不是太明顯改善，太小散熱效果就明顯變差。變壓器室應設計軸流風機，自然通風無法解決溫升時，一旦達到設定溫度，溫控儀會啟動風機，強制排風。各隔室隔板上應開必要的連接孔，當高壓電纜和低壓主母線連接完畢后，用絕緣板封堵。箱變外殼寬度最好控制在2200mm以下， 高度控制在2500mm以下，方便運輸。

（一）金屬材質外殼

單層的鋼板，不銹鋼板，覆鋁鋅板，鍍鋅板，鋁合金外殼因為隔熱效果差。箱變內外溫差過大會在箱變內部形成凝露，開關設備內部出現凝露會引起爬電，閃絡等事故的發生，對高、低壓開關柜及變壓器等電氣設備造成損壞。盡量少用或不用單層的金屬材料做箱變外殼。一般應做成雙層，中間加巖棉等阻燃材料。這樣，箱變外殼的隔熱效果才會達標，有效避免凝露的形成。

（二）GRC材質外殼

GRC景觀式外殼主要采用快硬硫鋁酸鹽+耐堿玻璃纖維+鋼編網通過澆注或壓鑄成型，澆注成型的GRC箱變外殼，只是墻板、頂蓋采用這種材質，門板一般為復合夾芯板+鋁合金包邊；這種GRC箱變外殼，單位面積價格低于鋼板外殼，目前得到大量推廣應用。壓鑄成型的GRC外殼，除了墻板、頂蓋，門板也可以壓鑄成型，目前還未大面積推廣。因為投資大，需要大噸位壓力機和價格高昂的模具，且外形尺寸受限。GRC外殼優點：隔熱、隔音效果好，抗紫外線效果好，缺點：抗沖擊能力差，比金屬外殼重5-8倍，而且墻板與底框連接不牢固，在長途運輸等比較顛簸的情況下，個別的緊固螺絲會出現松動，造成箱體散架。

三、箱變頂蓋

頂蓋應具有足夠的強度能夠適應使用地的自然條件，比如：風速，積雪、覆冰等，其頂部承載負荷能力不得小于2500N/m2（豎立負荷或其它負荷）[ 1 ]。頂蓋房檐一般不宜超過150mm，太大的房檐，有可能因大風造成頂蓋脫落，房檐下一般有自然通風孔。頂蓋一般要有一定的傾斜度（3～9°），方便雨雪滑落。頂蓋應為雙層，中間加巖棉等阻燃材料阻止陽光照射造成的箱變內部溫度升高；頂蓋顏色盡可能淺色，最大限度反射太陽光。頂蓋一定要做好防水，防腐蝕。頂蓋一般有兩種安裝方式，與框架可拆卸式和焊接式。可拆卸式，可以將頂蓋拆除，將高、低壓設備、變壓器吊裝進箱變，然后再把頂蓋安裝緊固。焊接式只能把這些設備用鏟車從大門中安裝就位。

四、箱變外殼防腐蝕

箱變運用在一般環境下，普通的噴漆或噴塑處理即可滿足使用要求。而應用在惡劣環境：灘涂、山頭、海邊、戈壁等自然條件下的箱變的防腐蝕就要進行特殊處理，以應對雨雪、重鹽霧、高濕度和多霉菌、嚴寒、風沙、強紫外線對箱變外殼的影響。

（一）鹽霧環境的防腐蝕

沿海和近海的自然環境中，主要考慮鹽霧、酸雨、高溫高濕和霉菌等因素影響。鹽霧中含有大量氯離子，氯離子導電性良好，易在金屬表面形成微電池和宏觀電池，增加腐蝕的活性，它能滲透表面涂層，破壞金屬表面的磷化膜，造成銹蝕；在一般環境下不銹蝕的304不銹鋼，在這種環境下也會發生部分銹蝕。它對箱變外殼等金屬設備的腐蝕主要以電化學方式進行[ 2 ]。這種運行環境屬于ISO12944中分類為C5-M的高鹽度的沿海和近岸地區。箱變底框和所有外露金屬件均應進行防腐蝕處理，防腐蝕等級按戶外WF2對待。為達到好的防腐蝕效果優先選用316不銹鋼外殼，表面再噴塑或噴漆處理，噴涂丙烯酸聚氨酯磁漆，干膜厚度30～40μm。也可以采用非金屬外殼。如果采用鋼板外殼，其漆膜厚度、油漆品種及防腐工藝就要采取相應措施。可采用工藝：酸洗+磷化→環氧富鋅底漆→烘干→環氧云鐵中間漆→烘干→氟碳面漆，漆膜厚度不得小于300μm。這種工藝可抗紫外線，具有很好的防腐蝕，顏色和光澤保持能力，能夠滿足鹽霧、酸雨、高溫高濕和霉菌環境的運行要求[ 3 ]。

（二）風沙嚴寒環境的防腐蝕

對于風沙大、嚴寒的北方環境，沙粒擊打箱變外殼表面涂層，會造成涂層脫落，金屬表面暴露在空氣中，逐漸銹蝕，因此涂層除了要有良好的防銹功能，還應具有較強的硬度和厚度。可采用以下工藝：在設備外表面噴涂一層環氧樹脂漆，烘干，干膜厚度不小于250μm，再噴涂一層聚氨酯面漆，烘干，干膜厚度不小于50μm[ 4 ]。同時應注意嚴寒（我國北方寒冷地區溫度可接近-50℃）情況下的金屬材料的低溫脆斷； GB150-2011中規定，低于或等于-20℃，就應考慮低溫脆斷影響[ 5 ]。在箱變外殼金屬材料加工過程中，部分零件中會殘存應力，焊接過程中存在裂紋等缺陷，殘存應力特別是應力集中處和焊接裂紋處在低溫環境下極易發生低溫脆斷，釀成事故。可針對嚴寒環境，提高焊接質量，通過熱處理去除殘存應力，并采用低溫性能和焊接性能良好的低合金結構鋼16Mn或Q345C來克服應力脆斷。

五、箱變外殼密封、散熱

箱變運行在室外，箱變內的變壓器的空載損耗、負載損耗因額定容量不同，會產生幾百瓦甚至十幾千瓦的熱量；變壓器室的面積一般在4m2～9m2，高度在2300mm以下的緊湊空間中，應采取自然或強制通風措施，把這個熱量散發出去，不至于使變壓器溫升太高，造成變壓器損壞。同時為了確保人身安全和設備正常運行，通風窗應防水，防異物進入，防護等級應達到IP33D以上[ 6 ]。變壓器與箱變隔板距離越大散熱效果越好，但是在這個緊湊的變壓器室空間中，其距離在300mm左右最為經濟實用。

在北方，風電場箱式變電站運行環境一般比較惡劣，風沙特別大。如果采用通風窗+過濾網通風方式，防護等級最高只能達到IP43，無論是自然通風還是強制通風，都無法解決密封問題，都避免不了沙塵進入箱變內部。這些沙塵會飄落到連接母排、變壓器、高低壓開關設備上，影響變壓器的正常運行和高、低壓開關設備的操作。積在銅排導電體上的灰塵還會影響銅排的散熱和載流量，嚴重時會造成相間短路或接地，造成事故。

在沿海，鹽霧、霉菌會隨著箱變通風散熱，進入箱變內部。一旦出現高溫高濕天氣（高于35°），鹽霧和霉菌會加速對箱變內元器件：高壓開關，低壓斷路器，連接銅排及電纜，螺絲等的腐蝕進程，使電氣設備的絕緣水平降低，觸點粘連，降低電氣設備的使用壽命。

通風是散熱的很好方式，但是會把環境中的灰塵、鹽霧、霉菌帶入箱變內部，影響箱變的正常使用和壽命。為了防止這些腐蝕因素進入箱變內部，還能把內部的熱量有效散發出去，可以提高外殼的防護等級，采用重力熱管來散熱[ 7 ]。熱管充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，可以將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。采用合適大小和數量的重力熱管散熱，能夠滿足外殼溫升級別的要求。比如：5K、10K、15K、20K、25K或30K。

六、箱變外殼噪音控制

箱變內變壓器一般采用硅鋼片或非晶合金疊片壓緊鐵芯結構。其運行時，產生的噪聲，主要由鐵芯振動和冷卻裝置引起，噪音聲級在50～65分貝之間。硅鋼片或非晶合金在50Hz頻率交變磁場的環境中，產生磁致伸縮效應，讓鐵芯發生頻率50Hz的振動，是變壓器噪聲的主要構成因素。箱變外殼有一定的隔音作用，可以降低一部分噪音，同時變壓器底部通過防塵網與箱變基礎內一個大的安裝空間相連通。在這個空間內，變壓器產生的噪音，傳播到不平整的四面墻壁和底面后會逐漸消減，達到部分消音作用。從而使箱變10米以外的噪音降低到40分貝以下，達到GB 3096-2008《聲環境質量標準》1類聲環境功能區居民住宅等安靜區要求。

七、結論

箱變外殼設計時，要充分考慮其使用環境，在滿足箱變電氣連接各設備正常性能參數的情況下，選用合適的材質、顏色、造型，綜合考慮防腐蝕、通風散熱、噪音控制等事項，即可設計出合格的箱變外殼，滿足國家標準和用戶要求。

參考文獻：

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[7] 王慶保.一種風電場箱式變電站防風沙密封散熱裝置[P].中國專利：201520126559.9，2015-06-17.

作者簡介：

王慶保（1964-），男，工程師，從事電氣成套研究工作，從事電氣成套設計工作20年，擁有實用新型國家專利4項，發明專利實質審查1項，已受理發明專利1項，實用新型2項。

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