淺談10kV箱式變電站外殼結構對外殼級別的影響

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有著直接的影響，在同一環境溫度條件下，外殼級別越低，變壓器的負荷系數就越高，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、穩定運行，故目前大部分10kV箱式變電站產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散熱，更安全、可靠、節能、環保，故國家電網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據，外殼級別實測數據為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 隔網門結構

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

1.4 頂蓋結構和通風板結構

根據溫升試驗過程中溫度分布和熱對流狀態，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過通風板上升至出風口，經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。通過系統風道集成，外殼級別降低了近1.8K。

3、10kV箱式變電站過濾網材料選擇方面

百葉窗過濾網安裝在格柵防雨百葉窗內部，過濾網的材料類型及結構，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，過濾網材質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，鋼質過濾網明顯優于尼龍過濾網(低2K左右)，通風孔有效面積系數大于0.75為宜。

4、結束語

通過對上述結構的優化和實際產品的驗證試驗，風道的有效系統集成，可以有效提高外殼自然通風散熱的質量和效率，在滿足外殼級別10K的前提下，有效縮小產品的外形尺寸，實現自然通風散熱結構的緊湊型設計。綠色、節能、環保是電力設備發展的永恒主題，如何通過對殼體結構的優化設計、集成設計和新材料應用，降低外殼級別，追求產品全生命周期的節能、降耗、減排的綜合極致目標，也是今后10kV箱式變電站產品研究與發展的重要方向。