预装式箱式变电站外壳设计

2017-07-10王庆保

科技风 2017年2期

摘要：箱式变电站的高压设备、变压器、低压设备通过电气连接组合安装在外壳中，组成终端配电站，文章简述了箱变外壳底框、框架、顶盖的设计要点及注意事项。

关键词：箱变外壳；底框；框架；顶盖

预装式箱式变电站，也称欧式箱变（以下简称箱变），因其运行可靠，组合灵活，结构紧凑，占地面积小，安装施工周期短，能深入负荷中心，便于运输、迁移，运行费用低，无污染，免维护等特点，广泛运用在住宅小区、城市公用变、繁华闹市、施工电源等场合。而箱变外壳除了要满足高、低压设备及变压器的安装要求，所采用的材质、造型、颜色是否与周边环境协调也是设计制作厂家和用户所考虑的一项重要因素。目前的箱变外壳虽然多种多样，但基本上是由箱变底框、框架、顶盖组成的，在满足箱变整体功能和环境配合上仍然有些不足，需要加以改进和完善。本文就箱变外壳的设计如何满足箱变密封散热、降低噪音、防腐蚀等问题加以论述和探讨。

一、箱变底框

箱变底框一般是由槽钢、角钢、钢板焊接而成，它的外形尺寸以及采用的槽钢型号大小是根据高、低压配电柜和变压器的外形尺寸、数量、重量、排列方式确定的。一般由“目”字型和“品”字形布置两种方式，见图1。

在高、低压室及变压器室的合适位置均焊有接地螺栓，在两侧槽钢的立面各焊接M16铜质螺栓，箱变安装完毕，要把该接地螺栓与箱变周围的接地网可靠连接，确保接地电阻小于4欧。对于外形尺寸比较大，重量较重的箱变，应考虑底框四个边框用双槽钢对接组焊，以加强其强度。对应变压器规矩应焊接槽钢，并按照规矩尺寸开孔，方便变压器固定。变压器底部应配置双层钢网（2目、8目），钢网主要起通风以及防护小动物作用。箱变比较重，吊环一般都设计在底框槽钢上，设计四个吊环位置时，要考虑整台箱变的重心位置。底框一般设计进人孔，进人孔设计为一个能方便掀开的盖板，安装检修人员能在掀开盖板后，进入箱变底部，箱变基础空间。

二、箱变框架

箱变外壳框架主要由立柱骨架，墙板，门板，网门，隔板构成，外壳材质主要针对骨架，墙板以及门板。目前外壳材质主要有：金属外壳和非金属外壳。金属外壳主要有：钢板，不锈钢板，覆铝锌板，镀锌板，复合夹芯板，铝合金等；非金属外壳主要有：GRC景观式等。

国网每年两批集中协议招标对箱变外壳要求是：304不锈钢外壳，覆铝锌板外壳，或GRC外壳。变压器室的网门应方便拆卸，便于变压器安装；网门应安装明锁，并加装电磁锁或行程开关，防止操作者误入带电间隔。在变压器带电运行时电磁锁是打不开的，除非紧急解锁；行程开关可以提供信号给高压开关柜，一旦变压器带电运行中打开网门，行程开关动作，高压开关柜接收到信号，会把高压开关分闸，确保操作者安全。框架中的隔板，门板与变压器距离最好在300mm左右，方便变压器散热，间距再大，散热效果不是太明显改善，太小散热效果就明显变差。变压器室应设计轴流风机，自然通风无法解决温升时，一旦达到设定温度，温控仪会启动风机，强制排风。各隔室隔板上应开必要的连接孔，当高压电缆和低压主母线连接完毕后，用绝缘板封堵。箱变外壳宽度最好控制在2200mm以下，高度控制在2500mm以下，方便运输。

（一）金属材质外壳

单层的钢板，不锈钢板，覆铝锌板，镀锌板，铝合金外壳因为隔热效果差。箱变内外温差过大会在箱变内部形成凝露，开关设备内部出现凝露会引起爬电，闪络等事故的发生，对高、低压开关柜及变压器等电气设备造成损坏。尽量少用或不用单层的金属材料做箱变外壳。一般应做成双层，中间加岩棉等阻燃材料。这样，箱变外壳的隔热效果才会达标，有效避免凝露的形成。

（二）GRC材质外壳

GRC景观式外壳主要采用快硬硫铝酸盐+耐碱玻璃纤维+钢编网通过浇注或压铸成型，浇注成型的GRC箱变外壳，只是墙板、顶盖采用这种材质，门板一般为复合夹芯板+铝合金包边；这种GRC箱变外壳，单位面积价格低于钢板外壳，目前得到大量推广应用。压铸成型的GRC外壳，除了墙板、顶盖，门板也可以压铸成型，目前还未大面积推广。因为投资大，需要大吨位压力机和价格高昂的模具，且外形尺寸受限。GRC外壳优点：隔热、隔音效果好，抗紫外线效果好，缺点：抗冲击能力差，比金属外壳重5-8倍，而且墙板与底框连接不牢固，在长途运输等比较颠簸的情况下，个别的紧固螺丝会出现松动，造成箱体散架。

三、箱变顶盖

顶盖应具有足够的强度能够适应使用地的自然条件，比如：风速，积雪、覆冰等，其頂部承载负荷能力不得小于2500N/m2（竖立负荷或其它负荷）[ 1 ]。顶盖房檐一般不宜超过150mm，太大的房檐，有可能因大风造成顶盖脱落，房檐下一般有自然通风孔。顶盖一般要有一定的倾斜度（3～9°），方便雨雪滑落。顶盖应为双层，中间加岩棉等阻燃材料阻止阳光照射造成的箱变内部温度升高；顶盖颜色尽可能浅色，最大限度反射太阳光。顶盖一定要做好防水，防腐蚀。顶盖一般有两种安装方式，与框架可拆卸式和焊接式。可拆卸式，可以将顶盖拆除，将高、低压设备、变压器吊装进箱变，然后再把顶盖安装紧固。焊接式只能把这些设备用铲车从大门中安装就位。

四、箱变外壳防腐蚀

箱变运用在一般环境下，普通的喷漆或喷塑处理即可满足使用要求。而应用在恶劣环境：滩涂、山头、海边、戈壁等自然条件下的箱变的防腐蚀就要进行特殊处理，以应对雨雪、重盐雾、高湿度和多霉菌、严寒、风沙、强紫外线对箱变外壳的影响。

（一）盐雾环境的防腐蚀

沿海和近海的自然环境中，主要考虑盐雾、酸雨、高温高湿和霉菌等因素影响。盐雾中含有大量氯离子，氯离子导电性良好，易在金属表面形成微电池和宏观电池，增加腐蚀的活性，它能渗透表面涂层，破坏金属表面的磷化膜，造成锈蚀；在一般环境下不锈蚀的304不锈钢，在这种环境下也会发生部分锈蚀。它对箱变外壳等金属设备的腐蚀主要以电化学方式进行[ 2 ]。这种运行环境属于ISO12944中分类为C5-M的高盐度的沿海和近岸地区。箱变底框和所有外露金属件均应进行防腐蚀处理，防腐蚀等级按户外WF2对待。为达到好的防腐蚀效果优先选用316不锈钢外壳，表面再喷塑或喷漆处理，喷涂丙烯酸聚氨酯磁漆，干膜厚度30～40μm。也可以采用非金属外壳。如果采用钢板外壳，其漆膜厚度、油漆品种及防腐工艺就要采取相应措施。可采用工艺：酸洗+磷化→环氧富锌底漆→烘干→环氧云铁中间漆→烘干→氟碳面漆，漆膜厚度不得小于300μm。这种工艺可抗紫外线，具有很好的防腐蚀，颜色和光泽保持能力，能够满足盐雾、酸雨、高温高湿和霉菌环境的运行要求[ 3 ]。

（二）风沙严寒环境的防腐蚀

对于风沙大、严寒的北方环境，沙粒击打箱变外壳表面涂层，会造成涂层脱落，金属表面暴露在空气中，逐渐锈蚀，因此涂层除了要有良好的防锈功能，还应具有较强的硬度和厚度。可采用以下工藝：在设备外表面喷涂一层环氧树脂漆，烘干，干膜厚度不小于250μm，再喷涂一层聚氨酯面漆，烘干，干膜厚度不小于50μm[ 4 ]。同时应注意严寒（我国北方寒冷地区温度可接近-50℃）情况下的金属材料的低温脆断； GB150-2011中规定，低于或等于-20℃，就应考虑低温脆断影响[ 5 ]。在箱变外壳金属材料加工过程中，部分零件中会残存应力，焊接过程中存在裂纹等缺陷，残存应力特别是应力集中处和焊接裂纹处在低温环境下极易发生低温脆断，酿成事故。可针对严寒环境，提高焊接质量，通过热处理去除残存应力，并采用低温性能和焊接性能良好的低合金结构钢16Mn或Q345C来克服应力脆断。

五、箱变外壳密封、散热

箱变运行在室外，箱变内的变压器的空载损耗、负载损耗因额定容量不同，会产生几百瓦甚至十几千瓦的热量；变压器室的面积一般在4m2～9m2，高度在2300mm以下的紧凑空间中，应采取自然或强制通风措施，把这个热量散发出去，不至于使变压器温升太高，造成变压器损坏。同时为了确保人身安全和设备正常运行，通风窗应防水，防异物进入，防护等级应达到IP33D以上[ 6 ]。变压器与箱变隔板距离越大散热效果越好，但是在这个紧凑的变压器室空间中，其距离在300mm左右最为经济实用。

在北方，风电场箱式变电站运行环境一般比较恶劣，风沙特别大。如果采用通风窗+过滤网通风方式，防护等级最高只能达到IP43，无论是自然通风还是强制通风，都无法解决密封问题，都避免不了沙尘进入箱变内部。这些沙尘会飘落到连接母排、变压器、高低压开关设备上，影响变压器的正常运行和高、低压开关设备的操作。积在铜排导电体上的灰尘还会影响铜排的散热和载流量，严重时会造成相间短路或接地，造成事故。

在沿海，盐雾、霉菌会随着箱变通风散热，进入箱变内部。一旦出现高温高湿天气（高于35°），盐雾和霉菌会加速对箱变内元器件：高压开关，低压断路器，连接铜排及电缆，螺丝等的腐蚀进程，使电气设备的绝缘水平降低，触点粘连，降低电气设备的使用寿命。

通风是散热的很好方式，但是会把环境中的灰尘、盐雾、霉菌带入箱变内部，影响箱变的正常使用和寿命。为了防止这些腐蚀因素进入箱变内部，还能把内部的热量有效散发出去，可以提高外壳的防护等级，采用重力热管来散热[ 7 ]。热管充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，可以将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。采用合适大小和数量的重力热管散热，能够满足外壳温升级别的要求。比如：5K、10K、15K、20K、25K或30K。

六、箱变外壳噪音控制

箱变内变压器一般采用硅钢片或非晶合金叠片压紧铁芯结构。其运行时，产生的噪声，主要由铁芯振动和冷却装置引起，噪音声级在50～65分贝之间。硅钢片或非晶合金在50Hz频率交变磁场的环境中，产生磁致伸缩效应，让铁芯发生频率50Hz的振动，是变压器噪声的主要构成因素。箱变外壳有一定的隔音作用，可以降低一部分噪音，同时变压器底部通过防尘网与箱变基础内一个大的安装空间相连通。在这个空间内，变压器产生的噪音，传播到不平整的四面墙壁和底面后会逐渐消减，达到部分消音作用。从而使箱变10米以外的噪音降低到40分贝以下，达到GB 3096-2008《声环境质量标准》1类声环境功能区居民住宅等安静区要求。

七、结论

箱变外壳设计时，要充分考虑其使用环境，在满足箱变电气连接各设备正常性能参数的情况下，选用合适的材质、颜色、造型，综合考虑防腐蚀、通风散热、噪音控制等事项，即可设计出合格的箱变外壳，满足国家标准和用户要求。

参考文献：

[1] GB17467-2010.高压低压预装式变电站[S].2010.

[2] 江玉蓉，符杨，魏书荣，等.海上风电场变压器防腐研究[J].变压器，2010，47（3）：40-41.

[3] 游华春，龚多祥.风电场用变压器的设计[J].变压器，2005，42（5）：18-19.

[4] 邹长春，黄荣晖，刘燕.风电集电升压设备的主要设计问题[J].变压器，2010，47（10）：6-7.

[5] 何禹.低温压力容器设计常见问题分析[J].规划设计，2012，31（4）：32-33.

[6] GB4208-2008.外壳防护等级（IP代码）[S].2008.

[7] 王庆保.一种风电场箱式变电站防风沙密封散热装置[P].中国专利：201520126559.9，2015-06-17.

作者简介：

王庆保（1964-），男，工程师，从事电气成套研究工作，从事电气成套设计工作20年，拥有实用新型国家专利4项，发明专利实质审查1项，已受理发明专利1项，实用新型2项。