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箱式變電站的溫升和結構特點

箱式變電站的溫升和結構特點

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發布時間:
2019/05/09
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     箱式變電站是一種把高壓開關設備、配電變壓器和低壓配電裝置按一定的接線方式組裝成一體的預制、緊湊式的配電設備。隨著經濟的發展和城市化進程的加快,象這種具有成套性強、體積小、結構緊湊、運行安全可靠、維護方便、以及投資少、見效快、送電周期短等特點的箱式變電站在城鄉電網中得到廣泛的應用。特別是由于城市規劃、土地升值過快等多方因素,使得安裝方便、占地面積小的小容量箱式變電站(1000KVA以下)已成為用戶的首選,一改對箱式變電站臨時性設備的認識。這就使市場需求逐年擴大,眾多電器廠家紛紛進行生產制造,市場出現了各種各樣的箱式變電站。箱式變電站最大的特點是:“利用標準化產品的組合,充分滿足專一用戶的供電需求。”既然是專一,就是不通用,這就要求制造廠按不同的用戶需求來設計制造,每個用戶所用的供電變壓器容量、開關回路多少、外圍環境、布置方式等均有差異。由于變壓器安裝在戶外的箱體中,戶外太陽的爆曬和變壓器本身產生的熱量能否散出以保證變壓器正常的工作就成了用戶最為關心的問題。下面就以箱式變電站的溫升問題為主談談我公司在箱變制造過程中的一些經驗和體會,以供大家探討,共同提高我國箱式變電站的制造水平。
 
一、溫升問題
 
1、溫升是箱變壽命和功率的主要制約因素
 
     箱變主要發熱元件變壓器在運行過程中要產生損耗,這些損耗將全部轉變為熱量。熱量的一部分使變壓器自身的溫度升高,另一部分散發到周圍的空氣中去。變壓器的所有電磁載體都是發熱體,而鐵心和繞組是最主要的發熱體。
    變壓器的壽命取決于其絕緣介質的壽命。在正常運行條件下,主要是溫度對絕緣介質產生影響。長期的高溫會使絕緣介質老化,逐漸喪失其耐電性能。
各種絕緣介質在某一溫度作用下都有一定的壽命。油浸式變壓器所采用的絕緣材料主要是絕緣紙和紙板,設計壽命一般為二十年。通過試驗和生產實踐,人們認為:與二十年壽命相對應的絕緣介質長期允許的最高溫度約為98℃。也就是說,油浸式變壓器中的絕緣介質在98℃的溫度作用下,可以連續運行二十年。
    變壓器中各部位的溫度是不同的,在額定條件下運行時,各部位的溫度都不應該超過絕緣材料所允許的最高工作溫度。所以,GB1094標準規定了油浸式變壓器的正常使用條件為:
海撥不超過1000m,最高氣溫+40℃,最熱月平均溫度+30℃,最高年平均溫度+20℃等;規定了變壓器在連續額定容量穩態下的溫升限值為:頂層油溫升55K(非全密封型),繞組平均溫升65K。標準規定的溫升限值是把變壓器周圍空氣的年平均溫度20℃作為基數,是頂層油溫和繞組平均溫度對年平均20℃空氣溫度的差值。變壓器的絕緣最重要的是繞組絕緣,一般認為,繞組最熱點溫度與平均溫度相差13K,所以,繞組的平均溫升限值是982013=65K。
 
 
     變壓器在運行過程中所產生的熱量是靠熱傳導、熱輻射和對流這三種形式散出的。從繞組到繞組表面,熱量靠熱傳導的形式散出;從繞組表面到油中,靠對流的形式散出;熱量從油箱外壁散到空氣中是靠對流和輻射這兩種形式實現的。油箱外壁對空氣的溫差最大,約占總溫升的60%70%,從這點看,變壓器運行的環境溫度是很重要的。
 
 
     現在不少箱式變電站中安裝了干式變壓器,干式變壓器的繞組溫升限值是100K,最熱點溫度與平均溫度相差15K,干式變壓器的正常使用條件與油變相同。 但是,干式變壓器是一個比油變高得多的熱源,從干變到變電站內的空間再到變電站外的空間,有很大的溫度梯度。一般的干式變壓器都帶有風機,可以在強迫風冷的狀態下運行,風機使變壓器的溫度更快地散發到周圍的介質中。這就要求箱式變電站具備更好的通風散熱條件。要求變電站內、外空 間的溫度保持不變難以做到,但必須控制變電站對外部空氣的溫升,使之趨于最小。
 
 
    安裝在箱式變電站中的變壓器同樣要求周圍空氣的年平均溫度不得高于20℃,由于環境惡劣導致變壓器的運行溫度升高,一方面將影響變壓器的壽命,另一方面,如果要保證變壓器的額定負荷,其繞組的直流電阻將變大,負載損耗增加,促使變壓器的溫度進一步升高,最終不得不降低負荷,從而使變壓器的使用效率降低。以S9630kVA為例,為保證溫升限值而降低負荷,其相互關系見圖1。
 
2、雙層通道式結構解決了溫升問題
 
      用戶選購一臺供電變壓器,都希望能滿負荷或短時超負荷使用,要保證這個希望值,就必須注重箱變外殼的自然通風量的設計,外邊的冷空氣要與箱變里的熱空氣形成對流,從而確保供電變壓器的繞組溫升,保證滿負荷或短時超負荷能力。我們是這樣解決溫升這個問題的;外殼采用自然對流的雙層隔熱的風道結構(該結構已經申請專利),采用這一結構設計基本滿足供電變壓器的散熱要求。在短時間超負荷運行時,我們增設了溫控強排風裝置確保供電變壓器安全運行。我們在采用此設計方案之前也走過一段彎路,一開始就發現采用單層結構不行,就采用雙層填充隔熱材料的結構,結果一驗證,我們做了個保溫箱。后又改成頂部通風,增加了強制通風等手段,溫升問題解決了,但又帶來了凝露問題。就這樣通過反復的驗證和數百處的改進,最終確定了現在的這種方案。并在電科院做了多種規格的型式試驗,其溫升值遠遠低于國家標準值(見溫升試驗記錄表)。按新方案生產的幾百臺箱式變電站已投入運行,使用在南方、北方等地區,經歷了嚴冬和酷暑的考驗。       
 
3、溫升試驗的計算
 
     箱式變電站選用導則的電力部標準DL/T5372002及國家標準GB/T174671998 6.2中關于溫升試驗的說明是這樣的:溫升試驗的目的是校驗箱式變電站外殼設計的正確性,即能正常運行和不縮短站內元件的預期壽命。試驗時必須測量變壓器液面和繞組(干式變壓器只測繞組)的溫升和低壓設備的溫升。試驗應證明:變壓器在外殼內的溫升與同一臺變壓器在外殼外部測得的溫升差值不大于外殼級別規定的數值,如級別0(0K)、級別10(10K)、級別20(20K)、級別30K(30K),而每一級別值是這樣計算的:△t≤△t2△t1(注: △t2 變壓器在外殼內的溫升  △t1變壓器在外殼外部的溫升)
國內關于箱變外殼的級別△t數值如下:
級別0  △t≤0K, 級別10  △t≤10K, 級別20 △t≤20K, 級別30  △t≤30K
現將國內某一知名品牌所提供的變壓器型式試驗報告溫升數據為例:
 
1)、干式變壓器
 
SCB9630KVA干式變壓器實測溫升為:高壓繞組  80K  低壓繞組 
 
77K雙層通道式結構的箱式變電站內同規格型號干式變壓器實測溫升為:高壓繞組 86K  低壓繞組81.1K。
則外殼級別數值為:高壓繞組△t= 86K80K=6K(10級) 低壓繞組△t 81.1K77K=4.1K(10級)
從上面所列出的數據表明,雙層通道式結構的箱式變電站已經達到國家規定的10級水平。
 
 
 
2)、油浸式變壓器
 
S9M500kVA油浸式變壓器在外殼外面實測溫升為:頂層油面:48.8K  高壓繞組  54.8K  低壓繞組60.5K
雙層結構設計的變電站內同規格型號的油浸式變壓器實測溫升為:頂層油面 51.4 K  高壓繞組 56.3K  低壓繞組62.8K
則外殼級別數值為:頂層油面△t=51.4K48.8K=2.6K(10級)   高壓繞組△t=56.3K54.8K=1.5K(10級)低壓繞組△t=62.8K60.5K=2.3K(10級)
 
      從上面所列出的數據表明,箱變的外殼級別值△t遠遠小于10級別,所以說雙層結構設計的箱式變電站已經完全達到國家規定的10級水平。因此,雙層結構設計的箱變是非常成功的,完全達到了國內先進水平。
表1為雙層結構設計的箱變DXB1250KVA(裝干式變壓器)箱式變電站溫升型式試驗報告數據。
 
二、雙層通道式結構的箱式變電站箱體的綜合指標
 
1、選用材料
 
      雙層通道式結構箱式變電站箱體的材料可以是金屬、非金屬或者兩者的組合,按照GB/T2423.41997標準要求能耐受一定機械力的作用,即20J的撞擊力的作用。如果外殼是非金屬的,是耐老化阻燃性材料,應采用靜電屏蔽或加大電氣距離等方法,以防止產生危險的靜電荷.
 
2、結構型式
 
     雙層通道式結構箱式變電站箱體分帶操作走廊和不帶操作走廊兩種;箱體骨架分組裝式和焊接式;高壓室、低壓室和變壓器室可布置成目字形和品字形。箱體應有足夠的機械強度和剛度,在起吊、運輸和安裝時沒有變形或損壞;箱體的外觀和色彩美觀,與環境協調。箱體的基座高出地基300~600mm。沉箱式箱體地下部除有足夠的機械強度和剛度外,還有防腐、防水措施。
箱體高、低壓室和變壓器室設可自動開閉的充分的照明設施。所有的門向外開,開啟角度大于90°,并設定位裝置,門有密封措施,裝有把手、暗閂和能防雨、防堵、防銹的暗鎖;鉸鏈采用不銹鋼或銅質鉸鏈,鉸鏈固定方式能防止在門外拆卸。門的設計尺寸與所裝用的設備尺寸相配合。帶有操作走廊的箱體,其高壓開關柜前留有不少于900mm的操作空間,低壓開關柜前留有不少于600mm的空間。
 
3、隔熱通風措施
 
    箱體設足夠的自然通風和隔熱措施,有足夠的進出風通道,可以保證在一般周圍空氣溫度下運行時,所有電器設備的溫度不超過其最大允許溫度。高壓設備連線雷電沖擊電壓滿足GB/T716927.1標準。油浸變壓器室除自然通風外,一般還裝設不少于2只容量相當的軸流通風機,并可隨變壓器運行溫度的變化自動投切。箱體頂蓋的傾斜度不小于3°,并裝設防雨檐。
 
 
 
4、表面處理及防潮、防雨措施
 
    箱體基座和所有外露金屬件均進行防銹處理,并噴涂耐久的防護層,箱體有可靠的密封性能,門、窗和通風口設防塵、防小動物進入和防滲、漏雨水措施。箱體的內壁和隔板用金屬或非金屬材料,其色彩與內部電器設備顏色協調,金屬構件亦進行防銹處理和噴涂防護層。箱體內設驅潮裝置,以盡量避免內部元件發生凝露。