城網(wǎng)歐式箱變通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究與應(yīng)用

0引言：

10KV戶(hù)外歐式箱式變因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、布置簡(jiǎn)單、安裝方便、外形美觀，易與城市環(huán)境協(xié)調(diào)一致等特點(diǎn)，在住宅小區(qū)、城市公用變、繁華鬧市、施工電源等方面得到了普遍的推廣和使用。大量的運(yùn)行實(shí)踐證明，現(xiàn)城網(wǎng)已投入運(yùn)行的大部分歐式箱變?cè)O(shè)備在夏季高溫高峰負(fù)荷時(shí)段內(nèi)，因設(shè)備過(guò)熱被迫停電的現(xiàn)象尤為突出。時(shí)常導(dǎo)致頻繁的檢修停電，影響了城市居民生活的幸福指數(shù)和供電企業(yè)的形象及服務(wù)質(zhì)量。據(jù)對(duì)淅川縣城已運(yùn)行的 10臺(tái)歐式箱變運(yùn)行情況調(diào)查統(tǒng)計(jì);箱變故障 22次，由于夏季變壓器運(yùn)行溫度過(guò)高造成的保護(hù)動(dòng)作停電故障18 次，占總故障率的82%。低壓室電器接頭故障4次，占總故障率的18%。為此，積極研究探討與改進(jìn)箱變內(nèi)變配電設(shè)備的散熱通風(fēng)裝置，對(duì)降低箱變的故障率和提高供電可靠性有著積極的意義。筆者借此拋磚引玉，并祈請(qǐng)識(shí)者匡正。

1.變壓器室溫高的原因分析：

采用自然通風(fēng)散熱和外加輔助軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排風(fēng)是箱變運(yùn)行中降低箱體內(nèi)部熱量的主要手段，但據(jù)大量工程應(yīng)用實(shí)例表明，上述兩種綜合方式其散熱效果均不理想。經(jīng)對(duì)我縣城區(qū)所安裝的數(shù)臺(tái)箱變的現(xiàn)場(chǎng)勘查與技術(shù)分析，我們認(rèn)為最主要原因是：

1.1 設(shè)備安裝運(yùn)行地點(diǎn)環(huán)境工況較差：

供電部門(mén)根據(jù)街道、居民小區(qū)等單位的用電負(fù)荷情況，在前期規(guī)劃確定箱變?cè)O(shè)備安裝位置時(shí)，因客觀條件的限制，往往是只考慮施工和運(yùn)行檢修維護(hù)方便，而將箱變安裝在街道旁邊或水泥硬化的場(chǎng)地。忽略了箱變安裝的最佳位置，致使

空氣對(duì)流不暢，時(shí)常造成午后箱變?cè)谳^大負(fù)荷的情況下，因太陽(yáng)輻射造成地面和周?chē)h(huán)境空氣溫度的增高，促使箱變箱體內(nèi)部空間溫度升高。

1.2 箱體安裝的風(fēng)機(jī)排風(fēng)量與變壓器室在夏季高溫高峰負(fù)荷時(shí)所散發(fā)的熱

熱量不匹配：

國(guó)產(chǎn)歐式箱變?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，一般是按自然通風(fēng)為主要方式來(lái)進(jìn)行散熱的，變壓器室頂部所安裝的民用小排量排風(fēng)機(jī)(功率約22瓦，最大風(fēng)量125m3/h)只起輔助散熱作用。其排風(fēng)量是根據(jù)夏季最熱月的平均溫度來(lái)考慮計(jì)算選取的(如河南大部分地區(qū)夏季最熱月7月平均溫度為27.3℃，變壓器允許環(huán)境溫度為45℃)。則計(jì)算時(shí)是按夏季最熱月平均溫度30℃、變壓器室內(nèi)外的溫差15℃來(lái)選擇計(jì)算。未考慮箱變使用所在地夏季最熱月14時(shí)常易出現(xiàn)最高環(huán)境溫度35—38℃的情況，此時(shí)實(shí)際溫差約7—10℃。因計(jì)算取值的錯(cuò)誤，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)所取溫差數(shù)值過(guò)大，造成所選擇的風(fēng)機(jī)排風(fēng)量過(guò)小。由于夏季環(huán)境溫度較高和民用空調(diào)的大量使用，此時(shí)段配電變壓器是在接近滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，變壓器本身消耗的電能(銅損和鐵損之和)是以熱量的表征形式散發(fā)在變壓器室內(nèi)的空氣中，源源不斷地對(duì)變壓器室內(nèi)的空氣進(jìn)行加熱。因配變室頂部和底部所安裝的小排量風(fēng)機(jī)不能將室內(nèi)郁積的熱量迅速排出，使箱體內(nèi)外的空氣沒(méi)有大量進(jìn)行有效交換，造成熱量在變壓器室內(nèi)大量聚集，引起箱變箱體內(nèi)環(huán)境溫度不斷升高，形成惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致配電變壓器溫升超過(guò)運(yùn)行極限，引起變壓器溫度保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)高壓側(cè)斷路器或低壓總斷路器，造成供電可靠性降低。

1.3 箱變的進(jìn)、出風(fēng)口面積過(guò)小及設(shè)計(jì)安裝位置不合理：

1.3.1有些設(shè)備生產(chǎn)制造的廠家圖省事。參照歐式箱變實(shí)物進(jìn)行仿制，對(duì)不同容量的箱變未做深入的技術(shù)分析和研究，只考慮如何降低生產(chǎn)成本，大多情況下，把小容量箱變的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)，在未進(jìn)行正確驗(yàn)算修正的情況下，就套用到較大容量的箱變上(如將315KVA箱變通風(fēng)散熱技術(shù)參數(shù)用到400—500KVA的箱變)。同時(shí)，還未充分考慮歐洲和亞洲所處緯度不同所帶來(lái)的夏季最熱月環(huán)境氣候的溫度差異，導(dǎo)致所生產(chǎn)的產(chǎn)品散熱結(jié)構(gòu)不太適應(yīng)中國(guó)中南部地區(qū)夏季的環(huán)境溫度條件，而使箱變?cè)谙募咀顭嵩碌臅r(shí)段內(nèi)，因嚴(yán)重發(fā)熱造成供電不正常。

1.3.2進(jìn)風(fēng)口百葉窗裝設(shè)位置過(guò)高。百葉窗中心線距地面(含箱變基礎(chǔ)露出

地面部分)約1650毫米左右，進(jìn)、出風(fēng)口空間距離較近，造成氣流短路。同時(shí)因進(jìn)、排風(fēng)口面積較小，較小的進(jìn)、排風(fēng)口面積。必將影響進(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量的冷、熱交換效果。尤其是排氣扇運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)從百葉窗吸入的氣流是經(jīng)過(guò)變壓器箱蓋的上部空間排出，也即繞過(guò)了變壓器整個(gè)箱體部分，致使氣流不能有效地對(duì)準(zhǔn)變壓器熱量集中的箱體中上部，很大程度上降低了散熱性能。特別是有的廠家箱變產(chǎn)品，在變壓器室的底部和頂部，各設(shè)置一臺(tái)排風(fēng)扇，出廠安裝接線和竣工驗(yàn)收時(shí)稍不注意，即有可能把排風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向接反，造成上下兩臺(tái)排風(fēng)扇同時(shí)向外排風(fēng)或向內(nèi)排風(fēng)。再加上進(jìn)、出風(fēng)口面積的過(guò)小而使散熱效果大大打了折扣。

1.4 低壓室無(wú)強(qiáng)制通風(fēng)措施：低壓室采用的是空氣自然循環(huán)的方式進(jìn)行散熱，在大負(fù)荷的情況下，時(shí)常造成補(bǔ)償電容器組以及母線導(dǎo)體接頭處嚴(yán)重發(fā)熱，導(dǎo)致頻繁的停電檢修或元器件更換。

2.研究改進(jìn)措施：

研究改進(jìn)應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)。根據(jù)農(nóng)網(wǎng)10KV常用歐式箱變?cè)谙募靖邷馗叻遑?fù)荷的時(shí)段內(nèi)，變壓器在變壓器室室內(nèi)所散發(fā)的熱量，當(dāng)原自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)不能滿足安全運(yùn)行要求時(shí)，應(yīng)在箱體頂部，經(jīng)過(guò)一定計(jì)算，適當(dāng)擴(kuò)大進(jìn)出風(fēng)窗面積，并增設(shè)合適的數(shù)量以及排風(fēng)量的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng)，使配變室內(nèi)保持一定的負(fù)壓，迫使外部較涼的空氣進(jìn)入。達(dá)到強(qiáng)制氣流交換作用的目的。改進(jìn)后，不僅需滿足箱變?cè)O(shè)備在夏季高溫高峰負(fù)荷時(shí)段內(nèi)安全可靠供電的要求，還需滿足周邊環(huán)境對(duì)噪聲的要求，把運(yùn)行噪聲值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

2.1.箱變通風(fēng)散熱的計(jì)算(以常用S11—315KVA箱變?yōu)槔?

2.1.1變壓器總功率損耗的計(jì)算：

配電變壓器計(jì)算參數(shù)：為計(jì)算方便，變壓器在最熱月14時(shí)按滿載運(yùn)行。查銘牌技術(shù)參數(shù)，其短路損耗4.043KW;空載損耗0.515KW。

2.1.2配變室內(nèi)變壓器發(fā)熱量的計(jì)算：

變壓器的總功率損耗：根據(jù) PΣ=Pμl+pi0 (1)

PΣ=0.515+4.043=4.558KW=4558W

式中 PΣ—變壓器總功率損耗，W;

Pμl—變壓器空載功率損耗，W;

Pi0—變壓器負(fù)載率損耗，W。

根據(jù)式 ΔQ=860×PΣ (2)

則ΔQ=860×4.558=3919(千卡/時(shí))

式中 ΔQ—變壓器散熱量,(千卡/時(shí));

860—每1千瓦功率換算成的大卡值/時(shí);

PΣ—變壓器總功率損耗。(KW);

2.1.3變壓器室排風(fēng)量的計(jì)算：

機(jī)械通風(fēng)的換氣量通過(guò)熱平衡計(jì)算求得。計(jì)算換氣量時(shí)，變壓器室內(nèi)的計(jì)算溫度可采用下列數(shù)值：箱變室內(nèi)按油浸式變壓器允許環(huán)境溫度tex 45 0C;溫升950C;室外溫度按河南省大部分地區(qū)最熱月7月平均溫度tin 27.3 0C 。由此可知平均溫度tav=0.5×(tin+tex)=0.5×(27.3+45)=36.15 0C。為保證夏季最熱月7月14時(shí)易出現(xiàn)的炎熱環(huán)境時(shí)箱變內(nèi)變壓器不出現(xiàn)因過(guò)熱造成被迫停電，這里按14時(shí)環(huán)境溫度37 0C計(jì)算。所需風(fēng)機(jī)排風(fēng)量為：

式中 L—變壓器室需要的通風(fēng)量，m3/h;

PΣ—變壓器總功率損耗，W;

C—空氣比熱容，取C=1.013KJ/Kg 0C;

ρav—進(jìn)、排風(fēng)平均密度，Kg/ m3;這里按河南省豫大部分地區(qū)夏季最熱月14時(shí)平均相對(duì)濕度45%，環(huán)境溫度37 0C，大氣壓力99.17KPa時(shí)空氣密度為1.099 Kg/ m3考慮;

Δt—進(jìn)、排風(fēng)溫度差0C，Δτ=tp — tj;

tj—進(jìn)風(fēng)溫度;

tp—排風(fēng)溫度。

2.1.4 變壓器室進(jìn)、出風(fēng)口面積的計(jì)算：

10KV歐式箱變變壓器室的進(jìn)風(fēng)口是采用加裝百葉窗的防護(hù)方式，出風(fēng)口是

采用箱變頂部伸出約10—25cm屋檐周邊面下網(wǎng)格的形式倒轉(zhuǎn)1800進(jìn)行排風(fēng)。為使箱變壓器室內(nèi)外保持一定的溫度差，就必須使變壓器在運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量和散熱所需的通風(fēng)空氣量相一致，以達(dá)到熱量平衡的效果。

2.1.4.1自然散熱進(jìn)、出風(fēng)窗的面積計(jì)算:(仍以S11—315KVA箱變?yōu)槔?假定室外溫度為370C，箱變高度為2.2m，改進(jìn)后進(jìn)、出風(fēng)口中心的高度差為1.35m,室內(nèi)外允許溫差為80C，進(jìn)出風(fēng)口的面積比為1：1，進(jìn)、出風(fēng)窗局部阻力系數(shù)取5,空氣在370C時(shí)的密度為1.099。

確定進(jìn)風(fēng)窗面積:

式中 FJ、FC—進(jìn)出風(fēng)窗有效面積，m2;

P—變壓器全部損耗，KW;

ξ—進(jìn)、出風(fēng)窗局部阻力系數(shù)，一般取5;

h—進(jìn)、出風(fēng)窗中心高差，m;

ΔT—進(jìn)、出風(fēng)窗空氣的溫差，其值不大于15。

這里需要指出的是，該公式的計(jì)算結(jié)果適用于進(jìn)出風(fēng)口有效面積之比為1:1的情況。當(dāng)因條件限制，能開(kāi)進(jìn)風(fēng)口的有效面積不能滿足上述比例要求時(shí)，可適當(dāng)加大出風(fēng)窗的有效面積，使進(jìn)風(fēng)窗有效面積不足的部分等于出風(fēng)窗有效面積增加的部分，但進(jìn)、出風(fēng)窗有效面積之比一般不大于1:2。

確定出風(fēng)窗面積：已知：315KVA箱變箱體長(zhǎng)a=3M，寬b =2.25 m，頂部屋檐四周伸出箱體由原0.15 m改為 0.25m,多網(wǎng)孔分布間隔為0.01m，每孔面積為長(zhǎng)0.2m ×寬0.01m =0.002 m2,其可刻空數(shù)量：

式中 A—箱變屋檐伸出部分面積可刻孔數(shù)量，(個(gè));

a—屋檐長(zhǎng)度，m;

b—屋檐寬度，m;

Δx—屋檐刻孔兩端冗余度，m;：

a`—單孔長(zhǎng)度，m;

b`—單孔長(zhǎng)度，m。

單孔占用面積：S=長(zhǎng)a×寬b=0.2×0.001=0.002 m2,

出風(fēng)窗實(shí)際面積約：S=A×s=575×0.002=1.15 m2。

進(jìn)、出風(fēng)窗基本滿足1:1的要求。

2.1.4.2調(diào)整進(jìn)風(fēng)百葉窗安裝位置并加大面積尺寸。(箱體通風(fēng)具體改進(jìn)如

附圖所示)

為改善通風(fēng)散熱效果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果應(yīng)將變壓器室和低壓室的百葉窗的安裝高度和面積作以調(diào)整，即將原百葉窗底邊距箱體底邊的距離由80 Cm調(diào)整20Cm。變壓器室百葉窗的面積由60 Cm×40Cm調(diào)整為110 Cm×75Cm，低壓室百葉窗低壓室百葉窗的面 積由60 Cm×40Cm調(diào)整為110Cm×75Cm，內(nèi)設(shè)小目的不銹鋼金屬護(hù)網(wǎng)，為便于清洗維護(hù)，百葉窗和護(hù)網(wǎng)應(yīng)設(shè)計(jì)成能用專(zhuān)用工具從箱外拆、裝的活動(dòng)式。

2.1.5. 排氣扇的安裝位置，應(yīng)保證排氣扇與進(jìn)氣口之間的空氣對(duì)流有效途經(jīng)變壓器箱體上部的熱源部分，最大限度的保證冷熱氣流的良性循環(huán)，以提高變壓器散熱的效果。安裝固定時(shí)應(yīng)考慮采取加裝不銹鋼護(hù)網(wǎng)和防震膠墊。

2.1.6.增加變壓器室排風(fēng)量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，配變室頂部應(yīng)考慮裝設(shè)兩臺(tái)排風(fēng)量在2200m3/h左右，葉片角度250，噪聲值在50db以下，功率為0.06KW，單臺(tái)

口徑310mm的工業(yè)軸流風(fēng)機(jī)。以便互為備用。低壓室也應(yīng)增設(shè)一臺(tái)同型號(hào)的軸流

風(fēng)機(jī)。

2.1.7. 在變壓器室與低壓室之間的隔墻板靠近頂部的合適部位，建議開(kāi)一

20×20公分的兩室相互通氣方孔，用面積為230×230mm，厚度為5mm的絕緣板，有規(guī)則的鉆Φ16毫米圓孔若干，然后用開(kāi)孔的絕緣板將其通氣方孔封堵，以增加變壓器室與低壓室的通風(fēng)機(jī)效果。

2.1.8.箱變應(yīng)增設(shè)增設(shè)溫濕度傳感器和溫度控制顯示器。變壓器運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，變壓器頂層油溫，一般不得超過(guò)95℃，運(yùn)行中的監(jiān)視油溫定為85℃。運(yùn)行中變壓器在環(huán)境溫度40℃時(shí)，其溫升不得超過(guò)55℃。需要說(shuō)明的是，溫升是指變壓器頂層油溫減去環(huán)境溫度的數(shù)值。為安全起見(jiàn)，增設(shè)變壓器室和低壓室室內(nèi)空氣溫濕度監(jiān)控裝置。在高壓室和低壓室內(nèi)的合適部位，增設(shè)溫濕度傳感器，同時(shí)在高壓室門(mén)、低壓室門(mén)背后上方合適處，裝設(shè)嵌入式數(shù)字式溫度、濕度控制顯示器，組成溫度測(cè)控、顯示裝置，當(dāng)運(yùn)行中的箱變的變壓器頂層油溫到達(dá)95℃時(shí)，本體測(cè)溫保護(hù)動(dòng)作于高壓斷路器跳閘或低壓總斷路器跳閘。當(dāng)滿負(fù)荷運(yùn)行且溫度傳感器測(cè)得變壓器室溫度達(dá)到35℃及以上是時(shí)，排風(fēng)機(jī)自動(dòng)投入運(yùn)行。當(dāng)變壓器室溫度低于35℃以下時(shí)，排風(fēng)扇自動(dòng)停止運(yùn)行。溫度控制器可選擇有溫度刻度值的，以方便用戶(hù)可根據(jù)不同情況進(jìn)行不同溫度值的整定，保證變壓器的運(yùn)行溫度和溫升控制在規(guī)程規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

2.1.9元件選型：

雙路溫濕度控制顯示器 ：型號(hào)CG209C (兩塊)

溫濕度傳感器： 型號(hào)WSK—CLD (兩塊)

風(fēng)機(jī)參考型號(hào)： STF—3工業(yè)型風(fēng)機(jī)：轉(zhuǎn)速1450/分鐘 風(fēng)量2200 m3/h 全壓60.6Pa 噪音42db 功率0.06KW (三臺(tái))

2.1.10. 合理選擇箱變?cè)O(shè)備的容量和最佳安裝位置：

2.1.10.1新裝箱變的變壓器容量應(yīng)滿足近五年內(nèi)其所供區(qū)域負(fù)荷增長(zhǎng)的需要，嚴(yán)防過(guò)載運(yùn)行。有條件時(shí)，應(yīng)采用調(diào)容有載變壓器，以適應(yīng)不同負(fù)荷狀態(tài)下的供電需要。所配出的開(kāi)關(guān)設(shè)備、母線的通流容量應(yīng)留有一定的余度，安裝接線質(zhì)量必須滿足有關(guān)規(guī)程規(guī)定的工藝質(zhì)量要求。

2.1.10.2安裝位置在滿足接近負(fù)荷中心和保證高、低壓進(jìn)出線電力電纜安全

方便的前提下，箱變進(jìn)氣百葉窗口應(yīng)朝向夏季自然季風(fēng)風(fēng)向或陰涼處，盡量避開(kāi)

中午12時(shí)后的太陽(yáng)直射水泥地面所造成的高熱輻射影響。

3. 改進(jìn)效果：

我局于2011年5月26日按照上述研究改進(jìn)措施，開(kāi)始對(duì)城區(qū)某臺(tái)315KVA箱變進(jìn)行試點(diǎn)性技術(shù)改造。改造投運(yùn)后，于7月15日中午13—15時(shí)的時(shí)段內(nèi)在滿負(fù)荷電流條件下，經(jīng)測(cè)試，通風(fēng)裝置未投時(shí)與投入30分鐘后，箱變體內(nèi)溫度下降對(duì)比見(jiàn)表1和表2。

表1箱變通風(fēng)裝置不投時(shí)柜內(nèi)運(yùn)行參數(shù)

改進(jìn)后運(yùn)行效果表明，箱變運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定，能適時(shí)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)變壓器室和低壓室內(nèi)溫度及溫升變化情況，自動(dòng)控制通風(fēng)裝置和防凝露裝置的啟停，減少了停電檢修維護(hù)次數(shù)，提高了供電可靠性。

結(jié)語(yǔ)：我局通過(guò)對(duì)農(nóng)網(wǎng)常用箱式變的通風(fēng)散熱系統(tǒng)所進(jìn)行的研究改進(jìn)和完善，達(dá)到了較為理想的效果。雖然改造使箱變的造價(jià)略有增加，但在以后的運(yùn)行過(guò)程中，能減少事故發(fā)生的幾率，有效提高供電可靠性和供電服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)該說(shuō)還是值得的。需要指出的是，任何設(shè)備，都離不開(kāi)人的運(yùn)行管理和維護(hù)。運(yùn)行管理單位必須制定科學(xué)的箱變現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)管理制度，把箱變的機(jī)械通風(fēng)裝置也納入電氣設(shè)備的巡視檢查維護(hù)項(xiàng)目。按照現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行巡視檢查維護(hù)管理制度中規(guī)定的內(nèi)容。定期的做好箱變的運(yùn)行巡視、檢查、試驗(yàn)和維護(hù)，尤其是在高溫天氣以及高峰負(fù)荷時(shí)，應(yīng)增加巡視檢查次數(shù)。對(duì)存在的問(wèn)題，及時(shí)做好設(shè)備缺陷的記錄和消除。真正把箱變的安全運(yùn)行管理落到實(shí)處。同時(shí)，也希望箱變的設(shè)計(jì)、制造廠家，研制開(kāi)發(fā)出性能更為優(yōu)越可靠的產(chǎn)品，以滿足全社會(huì)對(duì)供電可靠性越來(lái)越高的要求。

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3、《變壓器運(yùn)行規(guī)程》DL/T572一95中國(guó)電力出版社;1995

4、《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ19-87中國(guó)建筑工業(yè)出版社;1987

5、《高壓/低壓預(yù)裝式變電站》GB17467—2010中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社

6、《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》任元會(huì) 卞凱生 姚家偉;中國(guó)電力出版社;2005

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