一種箱式變壓器柜體專用降溫除塵防潮裝置

容毅浜，朱光羽

（1.廣東廣業(yè)投資集團有限公司，廣州 510030；2.廣東工業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510006）

0 引言

電力變壓器是發(fā)、輸、變、配電系統(tǒng)中的重要設備之一，其性能、質(zhì)量直接關系到電力系統(tǒng)運行的可靠性和運營效益。自改革開放以來，為滿足我國電力工業(yè)的發(fā)展建設需要，電力變壓器行業(yè)得到了較快發(fā)展。我國中小型配電變壓器最初以絕緣油為絕緣介質(zhì)發(fā)展起來，進入20 世紀90 年代干式變壓器在我國才有了較快發(fā)展?，F(xiàn)如今，我國已實現(xiàn)自主生產(chǎn)包括油浸式配電變壓器、干式變壓器、箱式變壓器以及高壓、超高壓電力變壓器［1］。

這其中，箱式變壓器以占地少、能深入負荷中心、減少線路損耗、提高供電質(zhì)量、選位靈活、外形美觀等優(yōu)點，目前在城市10 kV、35 kV 電網(wǎng)中大量應用，國內(nèi)常見的箱式變壓器主要有歐式箱變和美式箱變。為節(jié)約新能源發(fā)電的建設成本，各個設備的集成化已成為趨勢［2］。隨著技術的進步，箱式變壓器體積和質(zhì)量都逐步減小，實現(xiàn)了高效、節(jié)能和低噪聲，在中小型配電變壓器中，對比其他類型的變壓器，有著不可替代的優(yōu)勢。

箱式變壓器的結(jié)構包括高壓室、變壓器室和低壓室，集保護、監(jiān)視、控制等功能于一體。然而，變壓器的發(fā)熱量較大，對環(huán)境溫度控制要求比較高，若溫度超出臨界值，會觸發(fā)溫控保護裝置，引起高、低壓斷路器跳閘，影響電力系統(tǒng)的正常工作。普通的箱式變壓器會安裝冷卻風扇，通過加強內(nèi)外空氣的對流實現(xiàn)箱內(nèi)熱量的轉(zhuǎn)移［3］。

安裝排風扇進行降溫雖然簡便，但也不可避免地遇到一些問題，常見的有兩類。問題一是冷卻風扇長時間運行引起的壽命問題，而當冷卻風扇無法正常工作時，無法及時散出箱內(nèi)熱量，引起箱內(nèi)高溫高負荷，斷路器頻繁跳閘，影響設備正常運行。而當冷卻風扇故障后，由于其安裝在箱體上端，更換時必須停電才能進行，而且更換人員在溫度較高的變壓器室內(nèi)工作，更易發(fā)生燙傷事故。二是大部分設備所處的環(huán)境并不十分理想，周圍空氣中可能存在的粉塵、高溫腐蝕性煙氣在對流作用下會因靜電作用被吸附在箱內(nèi)各類器件的電路板表面形成污垢。隨著工作時間的推移，積聚在電路板表面的污垢將愈積愈厚，導致多種問題的發(fā)生。首先，過厚的污垢進一步阻礙了電路板功率器件的散熱，加劇了熱島效應；其次，積聚的污垢本身具有腐蝕性，長時間與電路板接觸后將會造成印刷線路板中貼片元件和較細的印刷線腐蝕破損；再者，過厚的污垢在受潮后將變成導體，造成電路板高壓路段的短路。工作時間越長，環(huán)境越差的控制柜問題就越嚴重，在累積到一定程度時，就會引發(fā)突然故障［46］。

因此，現(xiàn)階段供電運維單位對戶外箱變的變壓器室進行降溫的需求十分強烈，在用電高峰期箱內(nèi)溫度最高可達到100 ℃以上，需通過技術手段使箱內(nèi)工作溫度穩(wěn)定在50～60 ℃。王啟新等［7］設計了一種自動抽風散熱裝置，如圖1 所示，將變壓器室頂端改成喇叭口狀并配以適當高度的煙囪，讓室內(nèi)高溫空氣從頂端及時自動排出，同時，室內(nèi)下端吸入室外常溫空氣來降溫，即涼氣從下端吸入，熱氣從上端排出，同時將原裝在箱式變壓器上端的排氣風扇改變成裝在箱式變壓器下端適當位置吸氣降溫，并且為吸入式安裝，對于冷卻風扇易損壞的常見故障，可以在保證安全距離的情況下不停電更換風扇，從而有效提高了供電可靠性。劉義等［8］設計了一種主動降溫裝置，如圖2 所示，裝置本身包括改進后的箱式變壓器箱體、降溫設備以及控制裝置，改進后的箱式變壓器箱體增加了通風孔、吸熱管及隔熱棉，箱頂為橫截面為正三角形的棱柱結(jié)構，箱體的下端開設通風孔，箱體與箱頂采用鋼板、吸熱管及隔熱棉組裝而成，鋼板與吸熱管貼合在一起，吸熱管的下端固定有隔熱棉，隔熱棉靠近箱體的內(nèi)部進行布置，其降溫設備由防護網(wǎng)、散熱管、通風管、風機（包括驅(qū)動電動機和葉片）組成。箱體通過通風管與降溫部分連接，驅(qū)動電動機與葉片固定在一起，葉片的上端安裝有散熱管，散熱管的上端固定有防護網(wǎng)，改進后的裝置安裝簡便，穩(wěn)定性好，可靠性高。以上兩種設計方式都不可避免地使外界空氣進入箱體，也就無法防止外界的粉塵和濕氣進入箱體，對電子元器件造成破壞，必須加以改進。因此，針對目前箱式變壓器柜體普遍存在的降溫除塵防潮及防塵等需求，本文開發(fā)了一種箱式變壓器柜體專用降溫除塵防潮裝置，可以有效地防止外界的粉塵和濕氣進入箱體，從而確保箱式變壓器的工作安全。

圖1 箱式變壓器自動抽風散熱裝置示意

圖2 箱式變壓器主動降溫裝置

1 設計原理

降溫的本質(zhì)是熱量交換，根據(jù)熱力學第二定律，凡是有溫差存在的地方，就有熱量自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞。順應自然規(guī)律，本著熱量充分交換的理念，依托水的熱學特性，本文開發(fā)出一款專用密閉式氣－水換熱器，將柜體內(nèi)的熱氣體抽出形成氣流與水流分別在被金屬壁面分開的空間里各自流動，通過壁面的導熱和流體與金屬壁表面的對流換熱，使得氣體加速冷卻降溫，并將冷卻后的氣體送回柜內(nèi)。如此循環(huán)將柜體內(nèi)空氣持續(xù)降溫，并通過風管輸送避免與外界大氣接觸，防止潮濕空氣及粉塵進入柜體內(nèi)，從而實現(xiàn)降溫除濕效果。

該裝置的設計原理如圖3 所示。基于熱氣上升原理，用循環(huán)風機將熱風從箱體上部抽出來送入換熱器。在換熱器中，熱風吸收冷水中的冷量變?yōu)槔滹L，然后輸送回箱體，對柜體中的各個元器件進行冷卻降溫。選用冷水作為冷源，為熱風提供冷量，冷水在換熱器中與熱風充分換熱后，溫度會有所升高變成熱水，而由于水的比熱容高達4.2×103J／（kg·℃），即質(zhì)量為1 kg的水溫度升高1 ℃，需要吸收4.2 kJ 的熱量，而空氣的比熱容遠小于水的比熱容，這意味著在換熱充分的情況下，將空氣從80 ℃以上冷卻到60 ℃以下，水的溫升并不會太明顯。換熱后產(chǎn)生的熱水進入水箱后向環(huán)境散熱，此時很容易能把水溫降下來，變回冷水，在水泵作用下再進入換熱器繼續(xù)換熱，如此循環(huán)往復。

圖3 設計原理

2 結(jié)構設計

該裝置的機械結(jié)構設計如圖4 所示。在柜體的一側(cè)上部加開3 個排風孔，3 個排風孔連接熱風管道并匯聚成一路，利用循環(huán)風機將匯聚的熱風送入換熱器。在換熱器中，熱風冷卻完畢后變?yōu)槔滹L，再通過開設在柜體的另一側(cè)下部加開的3 個排風孔返回箱體。即冷風從下端輸入，熱風從上端吸出。利用水泵將提前預置的常溫常壓下的冷水抽送到換熱器中，與熱風充分換熱后產(chǎn)生的熱水再流回水箱中并向環(huán)境散熱，水溫降低，變回冷水，在水泵作用下再進入換熱器繼續(xù)換熱，如此循環(huán)往復。

圖4 機械結(jié)構設計

3 控制系統(tǒng)設計

控制裝置由溫度傳感器、單片機及繼電器組成。溫度傳感器固定在箱式變壓器的上端，單片機和繼電器安裝在控制器的內(nèi)部，溫度傳感器與單片機相連接，單片機與繼電器相連接，繼電器與離心風機和離心水泵相連接。其工作原理為：當箱體內(nèi)溫度升高到設定值（裝置開啟溫度），溫度傳感器將信號傳送到單片機，單片機通過控制裝置使繼電器動作，繼電器接通離心風機和離心水泵開始散熱；當箱體內(nèi)溫度下降到設定值（裝置關閉溫度），溫度傳感器將信號傳送到單片機，單片機通過控制裝置使繼電器動作，繼電器斷開離心風機和離心水泵，停止散熱。

4 安裝調(diào)試與驗證分析

4.1 模擬實驗研究

換熱器是該裝置中的關鍵部件，其性能好壞決定了該裝置的運行效果。為了驗證該裝置中換熱器的冷卻效果，使用一個干燥箱模擬箱式變壓器進行了換熱器的性能測試試驗，具體如圖5 所示。在本試驗中，由干燥箱輸出的熱空氣溫度為87.2 ℃。通過水冷，換熱器將熱空氣從87.2 ℃降至52.5 ℃，有效地使空氣降低了34.7 ℃。換熱效果良好。具體如圖6 所示。

圖5 換熱器實

圖6 進氣溫度與排氣溫度

4.2 安裝與調(diào)試

經(jīng)過實驗驗證，該裝置具備可行性，因此將該裝置實地安裝并測試。圖7 為該裝置的施工原理圖，其安裝步驟如下：對水箱、風機、水泵、換熱器進行一體化安裝，在水箱頂部焊接安裝架，做好螺紋牙孔，將風機、水泵、換熱器螺絲鎖緊固定于水箱頂部，同時架子也起到加固水箱的作用。

圖7 箱式變壓器柜體專用降溫除塵防潮裝置施工原理

現(xiàn)場工藝流程：（1）柜體開孔，使用開孔器在柜門上下分別開出風口和進風口，用自攻螺絲固定；（2）風管連接，將軟管內(nèi)徑套在硬管外徑上，用軟管緊固件喉箍縮緊；（3）水箱固定及電箱安裝，使用膨脹螺絲將水箱固定在箱變右后方地面上，使用自攻螺絲將控制電箱固定在箱變右后方，連接線路。該裝置的現(xiàn)場安裝十分簡便，便于大規(guī)模推廣。

4.3 實際應用與測試

現(xiàn)場照片如圖8 所示。將裝置開啟溫度設定為40 ℃，裝置關閉溫度設定為35 ℃，即當柜體溫度高于40 ℃時裝置投入運行，柜體溫度低于35 ℃時裝置停止運行。經(jīng)過1 個月的數(shù)據(jù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該裝置可以有效地把柜體溫度控制在35 ℃左右，實現(xiàn)了冷卻熱空氣的目標，達到了降溫的目的。

圖8 現(xiàn)場應用

4.4 裝置優(yōu)勢分析

對比其他箱式變壓器柜體冷卻裝置，本文提出的裝置主要有以下優(yōu)勢。

（1）季節(jié)適應性好。采用水冷方式，冷卻水溫隨季節(jié)變化不大，可以滿足夏天的極端炎熱需求。且柜體內(nèi)溫度越高，冷卻效果越顯著。

（2）防塵防潮效果好。該裝置柜體內(nèi)空氣采用封閉循環(huán)方式，不與外界接觸，可以避免外界水氣和粉塵進入柜體。

（3）結(jié)構簡單、安全可靠。僅有風機和水泵兩個運動部件，且極為成熟，故障率非常低。在戶外惡劣環(huán)境中能長時間運行，無需過多維護，并設有自動控制系統(tǒng)，能實現(xiàn)設備的自動啟停，對冷卻能耗成本進一步控制。

（4）冷卻效果好。利用風機送風，風速高，流動快，能夠?qū)耋w強制進行降溫，且冷卻效果遠高于在柜體上設置通風孔或者通風窗等方式。

（5）運行費用低。風機和水泵所用功率極低，運行費用低遠低于空調(diào)，尤其是炎熱的夏季。

由此可見，該裝置可以有效解決箱式變壓器柜體長期存在的降溫除塵防潮問題，提高其運行效率和可靠性，降低故障和事故的風險，具有廣闊的市場前景。

5 結(jié)束語

本文通過對目前箱式變壓器的冷卻問題進行分析，針對柜體內(nèi)降溫、防塵、防潮的需求，對比現(xiàn)有的改進裝置的優(yōu)缺點，提出了一種新型的箱式變壓器柜體專用降溫除塵防潮裝置，其核心為一款專用密閉式氣－水換熱器，將柜體內(nèi)抽出的熱氣體形成熱氣流與儲水箱的冷水流在換熱器中無接觸式換熱，實現(xiàn)對柜體內(nèi)空氣的持續(xù)降溫，并通過風管輸送避免與外界大氣接觸，防止潮濕空氣及粉塵進入柜體內(nèi)，從而實現(xiàn)降溫、防塵和除濕的效果。本文通過換熱計算、模擬實驗和實地安裝測試，主要得出以下結(jié)論。

（1）換熱器的理論計算可知，該裝置利用常溫常壓下向環(huán)境散熱的循環(huán)水箱的冷水，足以將空氣溫度從80 ℃以上冷卻到60 ℃以下，換熱能力滿足需求。

（2）在干燥箱模擬柜體的換熱器性能測試實驗中，換熱器將熱空氣從87.2 ℃降至52.5 ℃，有效地使空氣溫度降低了34.7 ℃，換熱效果良好。

（3）在實際安裝運行1 個月后，在數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果中看出，該裝置可以有效地把柜體溫度控制在35 ℃左右，能夠滿足箱式變壓器柜體長期穩(wěn)定降溫的需求。

（4）對比其他箱式變壓器柜體冷卻裝置，本文所提裝置有著季節(jié)適應性好、防塵防潮效果好、結(jié)構簡單、安全可靠、冷卻效果好、運行費用等優(yōu)勢，有著廣闊的市場前景。