浅谈10kV箱式变电站外壳结构对外壳级别的影响

沈波 张善文 王朝权 徐爱华

青岛特锐德电气股份有限公司 山东 青岛 266000

外壳级别是指变压器在外壳内的温升和同一台变压器在外壳外的温升之差，标准中有6个额定外壳级别，分别是5K、10K、15K、20K、25K、30K。外壳级别对变压器的负荷系数有着直接的影响，在同一环境温度条件下，外壳级别越低，变压器的负荷系数就越高，能带的负荷就越大；而在同一负荷条件下，外壳级别越低，变压器的散热条件越好，变压器本体的运行温度越低，越有利于变压器长期安全、稳定运行，故目前大部分10kV箱式变电站产品的外壳级别要求达到10K。

10kV箱式变电站的外壳结构设计，尤其是变压器室的外壳结构设计和通风散热方案设计，直接决定了产品的外壳级别。其中通风散热方案分强制通风散热和自然通风散热两种方式。相对于强制通风散热，自然通风散热不需要风机，而是通过合理的壳体结构设计和散热空间、风道设计，充分利用变压器热源及其周围空气的热对流来实现散热，更安全、可靠、节能、环保，故国家电网逐渐要求采用自然通风散热方案。

在自然通风散热方案中，外壳的防护等级和外壳级别两个参数总是矛盾的存在。本文将从外壳结构设计、风道设计、材料选择三个方面进行系统分析和试验总结，在满足外壳防护等级IP33D的前提下，探索将外壳级别降低到10K以下，实现紧凑型结构设计的可能性。

1、10kV箱式变电站外壳结构设计方面

下面将以630kVA的金属外壳为例，从变压器隔室尺寸、门板通风窗类型、隔网门结构、顶盖结构和通风板结构等五个方面，分析外壳结构对外壳级别的影响：

1.1 变压器隔室尺寸

变压器隔室尺寸加大后，增加了变压器四周的散热空间和壳体的散热面积，有利于变压器的通风散热，并降低其温升值。在试验过程中，用测温仪测量变压器室外壳温度，外壳顶部温度比底部的温度高了近10℃，说明在自然通风散热过程中，变压器室顶部位置的温度明显高于环境温度，除了自然通风散热，还有一部分热量以热传导方式进行了散热，故变压器室高度尺寸的加大，增加了顶部散热面积，也有利于变压器室的通风散热。

第一台为普通金属外壳温升数据，外壳级别实测数据为15.8K，第二台将变压器室长度尺寸加大400mm，高度尺寸加大250mm，外壳级别为13K，降低了2.8K，说明变压器室隔室尺寸和高度尺寸的加大，能够达到降低外壳级别的目的，但同时也一定程度上增加产品的占地面积和壳体原材料成本，后者是我们不希望看到的结果。

1.2 门板通风窗类型和有效通风面积

通风窗有效通风面积越大，越有利于变压器的通风散热，故通风窗在满足防护等级IP33D的前提下，加大通风窗有效通风面积，有利于降低变压器温升值。相对于门板钣金直接冲压的百叶窗，格栅防雨百叶窗有效通风面积更大，更利于变压器的通风散热。

第四台外壳(9.4K)是在第三台外壳(11.2K)的基础上，将门板通风窗数量多增加了一组，外壳级别降低了1.8K，能够达到降低外壳级别的目的。通过多次试验验证，门板上通风孔有效面积在门板面积的40%以上为宜。

1.3 隔网门结构

隔网门位于外门与变压器之间，隔网门的结构设计，直接影响壳体内外空气的对流，从而影响到变压器自然热对流散热的质量和效率。为尽可能减少隔网门对空气对流的阻碍影响，隔网门通风孔有效面积系数大于0.85为宜。

1.4 顶盖结构和通风板结构

根据温升试验过程中温度分布和热对流状态，热量主要集中在顶部，顶部温度相对较高，故顶盖设计时，需考虑顶部相应的通风结构，顶部通风结构直接将热空气排出到壳体外部，能够有效提高自然通风散热效率。在变压器室底座铺板位置增加通风板结构，做为进风口的一部分，空气直接由底部进入变压器室，并最大化的流经变压器散热片位置；在变压器室顶盖位置，增加通风板和出风口，顶部汇集的热空气直接经过通风板上升至出风口，经过顶盖排出壳体外部，能够最大化的提高自然通风散热效率。通过顶盖结构和通风板结构优化，外壳级别降低了1.5K～2.5K。其中通风板有效开孔面积系数大于0.25为宜。

2、10kV箱式变电站风道设计方面

无论是隔室尺寸、通风窗类型、隔网门的结构，还是通风板结构和顶盖结构，最终都需要通过系统集成，形成有效的自然通风散热风道，才能将自然通风散热的效率发挥到最大，最大程度的降低外壳级别。一方面通过分别在变压器底部和顶部设置进风口和出风口，将风道有效贯通，并减小通风风阻；另一方面通过调整变压器散热片方向，将变压器两端侧风道进行贯通，能够有效降低风阻，有利于变压器的通风散热。通过系统风道集成，外壳级别降低了近1.8K。

3、10kV箱式变电站过滤网材料选择方面

百叶窗过滤网安装在格栅防雨百叶窗内部，过滤网的材料类型及结构，对风阻和通风效率有着直接的影响，在满足防护等级IP33D要求的前提下，过滤网材质和结构的有效通风面积尽可能大，风阻尽可能小。通过实验验证，钢质过滤网明显优于尼龙过滤网(低2K左右)，通风孔有效面积系数大于0.75为宜。

4、结束语

通过对上述结构的优化和实际产品的验证试验，风道的有效系统集成，可以有效提高外壳自然通风散热的质量和效率，在满足外壳级别10K的前提下，有效缩小产品的外形尺寸，实现自然通风散热结构的紧凑型设计。绿色、节能、环保是电力设备发展的永恒主题，如何通过对壳体结构的优化设计、集成设计和新材料应用，降低外壳级别，追求产品全生命周期的节能、降耗、减排的综合极致目标，也是今后10kV箱式变电站产品研究与发展的重要方向。