浅谈箱式变电站的温升和结构特点

李春生1 宋延东1 杨勇2 谢余江3 
     1、 北京龙源开关设备有限责任公司 2、北京城区供电局 3、镇江天力变压器有限公司
         箱式变电站是一种把高压开关设备、配电变压器和低压配电装置按一定的接线方式组装成一体的预制、紧凑式的配电设备。随着经济的发展和城市化进程的加快，象这种具有成套性强、体积小、结构紧凑、运行安全可靠、维护方便、以及投资少、见效快、送电周期短等特点的箱式变电站在城乡电网中得到广泛的应用。特别是由于城市规划、土地升值过快等多方因素，使得安装方便、占地面积小的小容量箱式变电站（1000KVA以下）已成为用户的首选，一改对箱式变电站临时性设备的认识。这就使市场需求逐年扩大，众多电器厂家纷纷进行生产制造，市场出现了各种各样的箱式变电站。箱式变电站最大的特点是：“利用标准化产品的组合，充分满足专一用户的供电需求。”既然是专一，就是不通用，这就要求制造厂按不同的用户需求来设计制造，每个用户所用的供电变压器容量、开关回路多少、外围环境、布置方式等均有差异。由于变压器安装在户外的箱体中，户外太阳的爆晒和变压器本身产生的热量能否散出以保证变压器正常的工作就成了用户最为关心的问题。下面就以箱式变电站的温升问题为主谈谈我公司在箱变制造过程中的一些经验和体会，以供大家探讨，共同提高我国箱式变电站的制造水平。

一、温升问题
        1、温升是箱变寿命和功率的主要制约因素
        箱变主要发热元件--变压器在运行过程中要产生损耗，这些损耗将全部转变为热量。热量的一部分使变压器自身的温度升高，另一部分散发到周围的空气中去。变压器的所有电磁载体都是发热体，而铁心和绕组是最主要的发热体。
        变压器的寿命取决于其绝缘介质的寿命。在正常运行条件下，主要是温度对绝缘介质产生影响。长期的高温会使绝缘介质老化，逐渐丧失其耐电性能。
        各种绝缘介质在某一温度作用下都有一定的寿命。油浸式变压器所采用的绝缘材料主要是绝缘纸和纸板，设计寿命一般为二十年。通过试验和生产实践，人们认为：与二十年寿命相对应的绝缘介质长期允许的最高温度约为98℃。也就是说，油浸式变压器中的绝缘介质在98℃的温度作用下，可以连续运行二十年。
        变压器中各部位的温度是不同的，在额定条件下运行时，各部位的温度都不应该超过绝缘材料所允许的最高工作温度。所以，GB1094标准规定了油浸式变压器的正常使用条件为：
        海拨不超过1000m，最高气温+40℃，最热月平均温度+30℃，最高年平均温度+20℃等；规定了变压器在连续额定容量稳态下的温升限值为：顶层油温升55K（非全密封型），绕组平均温升65K。标准规定的温升限值是把变压器周围空气的年平均温度20℃作为基数，是顶层油温和绕组平均温度对年平均20℃空气温度的差值。变压器的绝缘最重要的是绕组绝缘，一般认为，绕组最热点温度与平均温度相差13K，所以，绕组的平均温升限值是98-20-13=65K。
        变压器在运行过程中所产生的热量是靠热传导、热辐射和对流这三种形式散出的。从绕组到绕组表面，热量靠热传导的形式散出；从绕组表面到油中，靠对流的形式散出；热量从油箱外壁散到空气中是靠对流和辐射这两种形式实现的。油箱外壁对空气的温差最大，约占总温升的60%--70%，从这点看，变压器运行的环境温度是很重要的。
        现在不少箱式变电站中安装了干式变压器，干式变压器的绕组温升限值是100K，最热点温度与平均温度相差15K，干式变压器的正常使用条件与油变相同。 但是，干式变压器是一个比油变高得多的热源，从干变到变电站内的空间再到变电站外的空间，有很大的温度梯度。一般的干式变压器都带有风机，可以在强迫风冷的状态下运行，风机使变压器的温度更快地散发到周围的介质中。这就要求箱式变电站具备更好的通风散热条件。要求变电站内、外空 间的温度保持不变难以做到，但必须控制变电站对外部空气的温升，使之趋于最小。
        安装在箱式变电站中的变压器同样要求周围空气的年平均温度不得高于20℃，由于环境恶劣导致变压器的运行温度升高，一方面将影响变压器的寿命，另一方面，如果要保证变压器的额定负荷，其绕组的直流电阻将变大，负载损耗增加，促使变压器的温度进一步升高，最终不得不降低负荷，从而使变压器的使用效率降低。以S9-630kVA为例，为保证温升限值而降低负荷，其相互关系见图1。    
      

        2、双层通道式结构解决了温升问题
        用户选购一台供电变压器，都希望能满负荷或短时超负荷使用，要保证这个希望值，就必须注重箱变外壳的自然通风量的设计，外边的冷空气要与箱变里的热空气形成对流，从而确保供电变压器的绕组温升，保证满负荷或短时超负荷能力。我们是这样解决温升这个问题的；外壳采用自然对流的双层隔热的风道结构（该结构已经申请专利），采用这一结构设计基本满足供电变压器的散热要求。在短时间超负荷运行时，我们增设了温控强排风装置确保供电变压器安全运行。我们在采用此设计方案之前也走过一段弯路，一开始就发现采用单层结构不行，就采用双层填充隔热材料的结构，结果一验证，我们做了个保温箱。后又改成顶部通风，增加了强制通风等手段，温升问题解决了，但又带来了凝露问题。就这样通过反复的验证和数百处的改进，最终确定了现在的这种方案。并在电科院做了多种规格的型式试验，其温升值远远低于国家标准值（见温升试验记录表）。按新方案生产的几百台箱式变电站已投入运行，使用在南方、北方等地区，经历了严冬和酷暑的考验。 
      
         

 
        3、温升试验的计算
        箱式变电站选用导则的电力部标准DL/T537-2002及国家标准GB/T17467-1998 6.2中关于温升试验的说明是这样的：温升试验的目的是校验箱式变电站外壳设计的正确性，即能正常运行和不缩短站内元件的预期寿命。试验时必须测量变压器液面和绕组（干式变压器只测绕组）的温升和低压设备的温升。试验应证明：变压器在外壳内的温升与同一台变压器在外壳外部测得的温升差值不大于外壳级别规定的数值，如级别0（0K）、级别10（10K）、级别20（20K）、级别30K（30K），而每一级别值是这样计算的：△t≤△t2-△t1(注: △t2 变压器在外壳内的温升 △t1变压器在外壳外部的温升)
        国内关于箱变外壳的级别△t数值如下：
        级别0 △t≤0K， 级别10 △t≤10K， 级别20 △t≤20K， 级别30 △t≤30K 
        现将国内某一知名品牌所提供的变压器型式试验报告温升数据为例：
        1）、干式变压器
              SCB9-630KVA干式变压器实测温升为：高压绕组 80K 低压绕组 77K
              双层通道式结构的箱式变电站内同规格型号干式变压器实测温升为：高压绕组 86K 低压绕组81.1K。
              则外壳级别数值为：高压绕组△t= 86K-80K=6K（10级） 低压绕组△t 81.1K-77K=4.1K（10级）
              从上面所列出的数据表明，双层通道式结构的箱式变电站已经达到国家规定的10级水平。
                        

          2）、油浸式变压器
          S9M-500kVA油浸式变压器在外壳外面实测温升为：顶层油面：48.8K 高压绕组 54.8K 低压绕组60.5K
          双层结构设计的变电站内同规格型号的油浸式变压器实测温升为：顶层油面 51.4 K 高压绕组 56.3K 低压绕组62.8K
则外壳级别数值为：顶层油面△t=51.4K-48.8K=2.6K（10级） 高压绕组△t=56.3K-54.8K=1.5K（10级）低压绕组△t=62.8K-60.5K=2.3K（10级）
          从上面所列出的数据表明，箱变的外壳级别值△t远远小于10级别，所以说双层结构设计的箱式变电站已经完全达到国家规定的10级水平。因此，双层结构设计的箱变是非常成功的，完全达到了国内先进水平。
          表1为双层结构设计的箱变DXB-1250KVA（装干式变压器）箱式变电站温升型式试验报告数据。

二、双层通道式结构的箱式变电站箱体的综合指标
1、选用材料
        双层通道式结构箱式变电站箱体的材料可以是金属、非金属或者两者的组合，按照GB/T2423.4-1997标准要求能耐受一定机械力的作用，即20J的撞击力的作用。如果外壳是非金属的，是耐老化阻燃性材料，应采用静电屏蔽或加大电气距离等方法，以防止产生危险的静电荷.
2、结构型式
        双层通道式结构箱式变电站箱体分带操作走廊和不带操作走廊两种；箱体骨架分组装式和焊接式；高压室、低压室和变压器室可布置成目字形和品字形。箱体应有足够的机械强度和刚度，在起吊、运输和安装时没有变形或损坏；箱体的外观和色彩美观，与环境协调。箱体的基座高出地基300~600mm。沉箱式箱体地下部除有足够的机械强度和刚度外，还有防腐、防水措施。
箱体高、低压室和变压器室设可自动开闭的充分的照明设施。所有的门向外开，开启角度大于90°，并设定位装置，门有密封措施，装有把手、暗闩和能防雨、防堵、防锈的暗锁；铰链采用不锈钢或铜质铰链，铰链固定方式能防止在门外拆卸。门的设计尺寸与所装用的设备尺寸相配合。带有操作走廊的箱体，其高压开关柜前留有不少于900mm的操作空间，低压开关柜前留有不少于600mm的空间。
3、隔热通风措施
        箱体设足够的自然通风和隔热措施，有足够的进出风通道，可以保证在一般周围空气温度下运行时，所有电器设备的温度不超过其最大允许温度。高压设备连线雷电冲击电压满足GB/T716927.1标准。油浸变压器室除自然通风外，一般还装设不少于2只容量相当的轴流通风机，并可随变压器运行温度的变化自动投切。箱体顶盖的倾斜度不小于3°，并装设防雨檐。
4、表面处理及防潮、防雨措施
        箱体基座和所有外露金属件均进行防锈处理，并喷涂耐久的防护层，箱体有可靠的密封性能，门、窗和通风口设防尘、防小动物进入和防渗、漏雨水措施。箱体的内壁和隔板用金属或非金属材料，其色彩与内部电器设备颜色协调，金属构件亦进行防锈处理和喷涂防护层。箱体内设驱潮装置，以尽量避免内部元件发生凝露。
5、噪音水平
        双层通道式结构箱式变电站由于安装在居民小区、路边等人口聚集区，因此噪音水平也是一个比较重要的指标。箱式变电站噪音主要来自于变压器。双层结构通道式箱变具有良好的隔音效果。下表是双层结构通道式箱变内干式变压器与油浸变压器噪音水平：