城网欧式箱变通风散热结构的改进研究与应用

0引言：

10KV户外欧式箱式变因其具有结构紧凑、体积小、布置简单、安装方便、外形美观，易与城市环境协调一致等特点，在住宅小区、城市公用变、繁华闹市、施工电源等方面得到了普遍的推广和使用。大量的运行实践证明，现城网已投入运行的大部分欧式箱变设备在夏季高温高峰负荷时段内，因设备过热被迫停电的现象尤为突出。时常导致频繁的检修停电，影响了城市居民生活的幸福指数和供电企业的形象及服务质量。据对淅川县城已运行的 10台欧式箱变运行情况调查统计;箱变故障 22次，由于夏季变压器运行温度过高造成的保护动作停电故障18 次，占总故障率的82%。低压室电器接头故障4次，占总故障率的18%。为此，积极研究探讨与改进箱变内变配电设备的散热通风装置，对降低箱变的故障率和提高供电可靠性有着积极的意义。笔者借此抛砖引玉，并祈请识者匡正。

1.变压器室温高的原因分析：

采用自然通风散热和外加辅助轴流风机强制排风是箱变运行中降低箱体内部热量的主要手段，但据大量工程应用实例表明，上述两种综合方式其散热效果均不理想。经对我县城区所安装的数台箱变的现场勘查与技术分析，我们认为最主要原因是：

1.1 设备安装运行地点环境工况较差：

供电部门根据街道、居民小区等单位的用电负荷情况，在前期规划确定箱变设备安装位置时，因客观条件的限制，往往是只考虑施工和运行检修维护方便，而将箱变安装在街道旁边或水泥硬化的场地。忽略了箱变安装的最佳位置，致使

空气对流不畅，时常造成午后箱变在较大负荷的情况下，因太阳辐射造成地面和周围环境空气温度的增高，促使箱变箱体内部空间温度升高。

1.2 箱体安装的风机排风量与变压器室在夏季高温高峰负荷时所散发的热

热量不匹配：

国产欧式箱变在设计时，一般是按自然通风为主要方式来进行散热的，变压器室顶部所安装的民用小排量排风机(功率约22瓦，最大风量125m3/h)只起辅助散热作用。其排风量是根据夏季最热月的平均温度来考虑计算选取的(如河南大部分地区夏季最热月7月平均温度为27.3℃，变压器允许环境温度为45℃)。则计算时是按夏季最热月平均温度30℃、变压器室内外的温差15℃来选择计算。未考虑箱变使用所在地夏季最热月14时常易出现最高环境温度35—38℃的情况，此时实际温差约7—10℃。因计算取值的错误，导致计算时所取温差数值过大，造成所选择的风机排风量过小。由于夏季环境温度较高和民用空调的大量使用，此时段配电变压器是在接近满负荷状态下运行，变压器本身消耗的电能(铜损和铁损之和)是以热量的表征形式散发在变压器室内的空气中，源源不断地对变压器室内的空气进行加热。因配变室顶部和底部所安装的小排量风机不能将室内郁积的热量迅速排出，使箱体内外的空气没有大量进行有效交换，造成热量在变压器室内大量聚集，引起箱变箱体内环境温度不断升高，形成恶性循环，最终将导致配电变压器温升超过运行极限，引起变压器温度保护动作，跳开高压侧断路器或低压总断路器，造成供电可靠性降低。

1.3 箱变的进、出风口面积过小及设计安装位置不合理：

1.3.1有些设备生产制造的厂家图省事。参照欧式箱变实物进行仿制，对不同容量的箱变未做深入的技术分析和研究，只考虑如何降低生产成本，大多情况下，把小容量箱变的通风散热结构的技术参数，在未进行正确验算修正的情况下，就套用到较大容量的箱变上(如将315KVA箱变通风散热技术参数用到400—500KVA的箱变)。同时，还未充分考虑欧洲和亚洲所处纬度不同所带来的夏季最热月环境气候的温度差异，导致所生产的产品散热结构不太适应中国中南部地区夏季的环境温度条件，而使箱变在夏季最热月的时段内，因严重发热造成供电不正常。

1.3.2进风口百叶窗装设位置过高。百叶窗中心线距地面(含箱变基础露出

地面部分)约1650毫米左右，进、出风口空间距离较近，造成气流短路。同时因进、排风口面积较小，较小的进、排风口面积。必将影响进风量和排风量的冷、热交换效果。尤其是排气扇运转工作时从百叶窗吸入的气流是经过变压器箱盖的上部空间排出，也即绕过了变压器整个箱体部分，致使气流不能有效地对准变压器热量集中的箱体中上部，很大程度上降低了散热性能。特别是有的厂家箱变产品，在变压器室的底部和顶部，各设置一台排风扇，出厂安装接线和竣工验收时稍不注意，即有可能把排风扇的转向接反，造成上下两台排风扇同时向外排风或向内排风。再加上进、出风口面积的过小而使散热效果大大打了折扣。

1.4 低压室无强制通风措施：低压室采用的是空气自然循环的方式进行散热，在大负荷的情况下，时常造成补偿电容器组以及母线导体接头处严重发热，导致频繁的停电检修或元器件更换。

2.研究改进措施：

研究改进应达到的目标。根据农网10KV常用欧式箱变在夏季高温高峰负荷的时段内，变压器在变压器室室内所散发的热量，当原自然通风和机械通风不能满足安全运行要求时，应在箱体顶部，经过一定计算，适当扩大进出风窗面积，并增设合适的数量以及排风量的轴流风机进行强制排风，使配变室内保持一定的负压，迫使外部较凉的空气进入。达到强制气流交换作用的目的。改进后，不仅需满足箱变设备在夏季高温高峰负荷时段内安全可靠供电的要求，还需满足周边环境对噪声的要求，把运行噪声值控制在规定的范围内。

2.1.箱变通风散热的计算(以常用S11—315KVA箱变为例)

2.1.1变压器总功率损耗的计算：

配电变压器计算参数：为计算方便，变压器在最热月14时按满载运行。查铭牌技术参数，其短路损耗4.043KW;空载损耗0.515KW。

2.1.2配变室内变压器发热量的计算：

变压器的总功率损耗：根据 PΣ=Pμl+pi0 (1)

PΣ=0.515+4.043=4.558KW=4558W

式中 PΣ—变压器总功率损耗，W;

Pμl—变压器空载功率损耗，W;

Pi0—变压器负载率损耗，W。

根据式 ΔQ=860×PΣ (2)

则ΔQ=860×4.558=3919(千卡/时)

式中 ΔQ—变压器散热量,(千卡/时);

860—每1千瓦功率换算成的大卡值/时;

PΣ—变压器总功率损耗。(KW);

2.1.3变压器室排风量的计算：

机械通风的换气量通过热平衡计算求得。计算换气量时，变压器室内的计算温度可采用下列数值：箱变室内按油浸式变压器允许环境温度tex 45 0C;温升950C;室外温度按河南省大部分地区最热月7月平均温度tin 27.3 0C 。由此可知平均温度tav=0.5×(tin+tex)=0.5×(27.3+45)=36.15 0C。为保证夏季最热月7月14时易出现的炎热环境时箱变内变压器不出现因过热造成被迫停电，这里按14时环境温度37 0C计算。所需风机排风量为：

式中 L—变压器室需要的通风量，m3/h;

PΣ—变压器总功率损耗，W;

C—空气比热容，取C=1.013KJ/Kg 0C;

ρav—进、排风平均密度，Kg/ m3;这里按河南省豫大部分地区夏季最热月14时平均相对湿度45%，环境温度37 0C，大气压力99.17KPa时空气密度为1.099 Kg/ m3考虑;

Δt—进、排风温度差0C，Δτ=tp — tj;

tj—进风温度;

tp—排风温度。

2.1.4 变压器室进、出风口面积的计算：

10KV欧式箱变变压器室的进风口是采用加装百叶窗的防护方式，出风口是

采用箱变顶部伸出约10—25cm屋檐周边面下网格的形式倒转1800进行排风。为使箱变压器室内外保持一定的温度差，就必须使变压器在运行中所产生的热量和散热所需的通风空气量相一致，以达到热量平衡的效果。

2.1.4.1自然散热进、出风窗的面积计算:(仍以S11—315KVA箱变为例)假定室外温度为370C，箱变高度为2.2m，改进后进、出风口中心的高度差为1.35m,室内外允许温差为80C，进出风口的面积比为1：1，进、出风窗局部阻力系数取5,空气在370C时的密度为1.099。

确定进风窗面积:

式中 FJ、FC—进出风窗有效面积，m2;

P—变压器全部损耗，KW;

ξ—进、出风窗局部阻力系数，一般取5;

h—进、出风窗中心高差，m;

ΔT—进、出风窗空气的温差，其值不大于15。

这里需要指出的是，该公式的计算结果适用于进出风口有效面积之比为1:1的情况。当因条件限制，能开进风口的有效面积不能满足上述比例要求时，可适当加大出风窗的有效面积，使进风窗有效面积不足的部分等于出风窗有效面积增加的部分，但进、出风窗有效面积之比一般不大于1:2。

确定出风窗面积：已知：315KVA箱变箱体长a=3M，宽b =2.25 m，顶部屋檐四周伸出箱体由原0.15 m改为 0.25m,多网孔分布间隔为0.01m，每孔面积为长0.2m ×宽0.01m =0.002 m2,其可刻空数量：

式中 A—箱变屋檐伸出部分面积可刻孔数量，(个);

a—屋檐长度，m;

b—屋檐宽度，m;

Δx—屋檐刻孔两端冗余度，m;：

a`—单孔长度，m;

b`—单孔长度，m。

单孔占用面积：S=长a×宽b=0.2×0.001=0.002 m2,

出风窗实际面积约：S=A×s=575×0.002=1.15 m2。

进、出风窗基本满足1:1的要求。

2.1.4.2调整进风百叶窗安装位置并加大面积尺寸。(箱体通风具体改进如

附图所示)

为改善通风散热效果，根据计算结果应将变压器室和低压室的百叶窗的安装高度和面积作以调整，即将原百叶窗底边距箱体底边的距离由80 Cm调整20Cm。变压器室百叶窗的面积由60 Cm×40Cm调整为110 Cm×75Cm，低压室百叶窗低压室百叶窗的面 积由60 Cm×40Cm调整为110Cm×75Cm，内设小目的不锈钢金属护网，为便于清洗维护，百叶窗和护网应设计成能用专用工具从箱外拆、装的活动式。

2.1.5. 排气扇的安装位置，应保证排气扇与进气口之间的空气对流有效途经变压器箱体上部的热源部分，最大限度的保证冷热气流的良性循环，以提高变压器散热的效果。安装固定时应考虑采取加装不锈钢护网和防震胶垫。

2.1.6.增加变压器室排风量。根据计算结果，配变室顶部应考虑装设两台排风量在2200m3/h左右，叶片角度250，噪声值在50db以下，功率为0.06KW，单台

口径310mm的工业轴流风机。以便互为备用。低压室也应增设一台同型号的轴流

风机。

2.1.7. 在变压器室与低压室之间的隔墙板靠近顶部的合适部位，建议开一

20×20公分的两室相互通气方孔，用面积为230×230mm，厚度为5mm的绝缘板，有规则的钻Φ16毫米圆孔若干，然后用开孔的绝缘板将其通气方孔封堵，以增加变压器室与低压室的通风机效果。

2.1.8.箱变应增设增设温湿度传感器和温度控制显示器。变压器运行规程规定，变压器顶层油温，一般不得超过95℃，运行中的监视油温定为85℃。运行中变压器在环境温度40℃时，其温升不得超过55℃。需要说明的是，温升是指变压器顶层油温减去环境温度的数值。为安全起见，增设变压器室和低压室室内空气温湿度监控装置。在高压室和低压室内的合适部位，增设温湿度传感器，同时在高压室门、低压室门背后上方合适处，装设嵌入式数字式温度、湿度控制显示器，组成温度测控、显示装置，当运行中的箱变的变压器顶层油温到达95℃时，本体测温保护动作于高压断路器跳闸或低压总断路器跳闸。当满负荷运行且温度传感器测得变压器室温度达到35℃及以上是时，排风机自动投入运行。当变压器室温度低于35℃以下时，排风扇自动停止运行。温度控制器可选择有温度刻度值的，以方便用户可根据不同情况进行不同温度值的整定，保证变压器的运行温度和温升控制在规程规定的允许范围内。

2.1.9元件选型：

双路温湿度控制显示器 ：型号CG209C (两块)

温湿度传感器： 型号WSK—CLD (两块)

风机参考型号： STF—3工业型风机：转速1450/分钟 风量2200 m3/h 全压60.6Pa 噪音42db 功率0.06KW (三台)

2.1.10. 合理选择箱变设备的容量和最佳安装位置：

2.1.10.1新装箱变的变压器容量应满足近五年内其所供区域负荷增长的需要，严防过载运行。有条件时，应采用调容有载变压器，以适应不同负荷状态下的供电需要。所配出的开关设备、母线的通流容量应留有一定的余度，安装接线质量必须满足有关规程规定的工艺质量要求。

2.1.10.2安装位置在满足接近负荷中心和保证高、低压进出线电力电缆安全

方便的前提下，箱变进气百叶窗口应朝向夏季自然季风风向或阴凉处，尽量避开

中午12时后的太阳直射水泥地面所造成的高热辐射影响。

3. 改进效果：

我局于2011年5月26日按照上述研究改进措施，开始对城区某台315KVA箱变进行试点性技术改造。改造投运后，于7月15日中午13—15时的时段内在满负荷电流条件下，经测试，通风装置未投时与投入30分钟后，箱变体内温度下降对比见表1和表2。

表1箱变通风装置不投时柜内运行参数

改进后运行效果表明，箱变运行可靠、性能稳定，能适时实时在线监测变压器室和低压室内温度及温升变化情况，自动控制通风装置和防凝露装置的启停，减少了停电检修维护次数，提高了供电可靠性。

结语：我局通过对农网常用箱式变的通风散热系统所进行的研究改进和完善，达到了较为理想的效果。虽然改造使箱变的造价略有增加，但在以后的运行过程中，能减少事故发生的几率，有效提高供电可靠性和供电服务质量，应该说还是值得的。需要指出的是，任何设备，都离不开人的运行管理和维护。运行管理单位必须制定科学的箱变现场运行维护管理制度，把箱变的机械通风装置也纳入电气设备的巡视检查维护项目。按照现场运行巡视检查维护管理制度中规定的内容。定期的做好箱变的运行巡视、检查、试验和维护，尤其是在高温天气以及高峰负荷时，应增加巡视检查次数。对存在的问题，及时做好设备缺陷的记录和消除。真正把箱变的安全运行管理落到实处。同时，也希望箱变的设计、制造厂家，研制开发出性能更为优越可靠的产品，以满足全社会对供电可靠性越来越高的要求。

参考文献：

1、《简明通风设计手册》孙一坚;中国建筑工业出版社;1987

2、《火力发电厂及变电所供暖通风设计手册》李善化;康惠;孙湘军;中国电力出版社;2001

3、《变压器运行规程》DL/T572一95中国电力出版社;1995

4、《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19-87中国建筑工业出版社;1987

5、《高压/低压预装式变电站》GB17467—2010中国标准出版社

6、《工业与民用配电设计手册》任元会 卞凯生 姚家伟;中国电力出版社;2005

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