小型化預裝式變電站主要特點

摘 要：小型化預裝式變電站是應用于城市電網改造建設的交流6～10kV網絡中的環網配電裝置。我們開發的小型化預裝式變電站具有以下顯著優點：占地面積小，由于對其內部結構進行了合理的設計和配置，節約了空間；溫升低，擬借助計算機輔助設計與實際情況的結合，仿真出變電站的流場、溫度場等情況，盡最大可能增加散熱、減小溫升。

關鍵詞：小型化；溫升；仿真計算

1 電氣部分

1.1 高壓部分

采用XGN38（safe）開關（共箱式小型化SF6開關），一般采用三間隔（CCF）并有一個予留間隔；在XGN38（safe）開關中我們安裝電動操作機構和自動化單元；高壓部分設計滿足內部故障（引弧）新要求，同時我們在高壓開關柜的下面設計有泄壓網，后側有泄壓板。

1.2 低壓部分

采用維納爾母線系統，利用封閉母線不打孔的掛接技術實現緊湊小型化，一般選用ABB或施耐德的低壓開關；低壓母線端配備電涌保護裝置，該裝置采用AEC主動能量控制技術一、二級組合SPT；補償采用SY802A配電監測計量終端，具有補償、計量、控制和遠傳GPRS通信功能；補償控制元件采用復合開關控制，實現過零點投切；補償的開關根據電力公司技術規范選用斷路器，也可使用刀熔開關，滿足補償實現共補和分補的新要求。

1.3 變壓器室

變壓器選用S11-M-630kVA變壓器，建議采用卷鐵芯變壓器和非晶合金環保節能變壓器；采用全封閉連接線，可以在變壓器高壓端子實現電纜肘形接頭連接走線，低壓端子加護套，使之全絕緣。

2 主要特點

2.1 小型化

在城市土地資源越來越緊缺，城市土地寸土寸金的形勢下，開發小型化預裝式變電站顯得尤為重要，同時城市的現代化都市建設也需要小型化的預裝式變電站。小型化630kVA預裝式變電站成目字形結構，外形尺寸為3m×2m=6m2，與傳統的預裝式變電站相比占地面積節約了近三分之一。

2.2 溫升

隨著預裝式變電站體積的減小，為保證其具有良好的通風散熱性能，通風口成了設計的關鍵，即在確保變電站溫升合格的前提下，實現預裝式變電站的小型化。目前人工計算通風口面積和位置不僅繁瑣，而且存在工作量大，準確度差的缺陷。小型化預裝式變電站擬借助計算機輔助設計與實際情況的結合，仿真出變電站的流場、溫度場等情況，借以設計出合理的內部元器件布置方案以及有效的通風方式和對流通道，以提高自然通風的效果，盡最大可能增加散熱、降低溫升。

2.2.1 仿真計算

考慮到變電站中主要的發熱設備為變壓器，因此取變壓器室為計算區域，經過合理的簡化，變電站變壓器室的計算模型如下圖1所示，坐標原點為變壓器室底面遠離觀察者的角點，XYZ方向如圖所示，其中-Y為重力方向。上面的綠色的grille（百葉窗）部分為變壓器室屋檐下端出風口，其下面的四塊綠色grille部分為門上的出風口百葉窗，處于底部的綠色grille部分為設計在底托上的的進風口百葉窗。

在保證箱體強度的前提下，相應增大出風口的尺寸，我們采用加大檐下通風孔尺寸，在高壓室增加頂部隔板，借用高壓室頂檐下通風孔的方法。我們把出風口的位置定在變電站頂蓋檐下和變壓器室門的上部。由于高壓室的設備發熱量相對變壓器室很小，所以我們在高壓室增加了頂部隔板這樣變壓器室的一部分氣流就可以從高壓室頂檐下流出。增大了變壓器室的出風量。我們把進風口設置在變壓器室底托上，經過反復計算，修改進風口的面積，得出最佳的通風方式。模型如圖1所示。圖2為高壓室增加頂部隔板后，變電站的z方向的速度云圖，從此圖我們可以看到氣流的流動空間，沿著頂部隔板從高壓側的出風口流出。

2.2.2 流場分析

變壓器室內流體流動的主要特點為：變壓器附近的流體被加熱溫度升高，在浮升力作用下向上流動，速度逐漸變大。離開加熱體后，由于流體溫度較周圍流體高，在慣性和浮升力的作用下繼續向上運動至頂面。受頂面限制，流體在頂部附近形成相對正壓，在壓差作用下流體轉而沿頂面向x和z方向流動。對于z方向，如圖2所示，由于低壓側并未設置出口，流體沿側壁面以及變壓器中和面處以一定速度下降，形成一個環流區；高壓側增加出風口后，一部分流體沿著頂部隔板從出風口流出，剩下的流體同樣形成一個環流區；并且這兩個環流區與受變壓器直接加熱向上流動的流體相遇，在慣性和流體粘性的作用下，形成速度較低的滯止區。而變壓器在x方向上并非處在中心對稱位置，與右側壁面距離小一些，所以左側沿壁面的向下流動相對更明顯。

對于x方向，在沒有出口的截面處，回流現象更加明顯，滯止區在變壓器上部空間形成；有通風口處的截面情況有所不同，由于頂部及中部兩端出口處壓力與室外環境壓力接近，內部壓力要高于外部壓力，在壓力梯度作用下，一部分溫度較高的空氣從出風口排出，而另一部分不能及時從頂部出口排出的流體，則向下流動從位于中部的變壓器門上方的出口排出，于是在兩側出口處附近產生兩個明顯的環流。而空腔底部，在變壓器附近相對低壓的抽吸作用下，外界環境流體從進口向變壓器壁面處流動，參看圖3。由該圖可以看出，y方向的流動相對劇烈，最大速度發生在變壓器散熱片上部空間。整個流場是一個復雜的，部分區域存在環流的三維流動。

經過我們不斷的改進，出風口位置和增設出風口，反復計算變壓器室內溫度，按照溫度修改進風口的面積，使其溫度達到設計要求。從而設計出自然通風面積最為合理、通風口位置最佳和內部元器件布置更合理的預裝式變電站。小型化預裝式變電站經過檢測，外殼級別達到5。

3 市場應用和前景

小型化預裝式變電站獲得天津市電力公司科技進步三等獎；天津市北辰區科技進步二等獎；中國高技術企業發展評價中心授予最具市場價值的高新技術產品；國家科學技術部授予國家重點新產品稱號。作為新型的城市配電電氣設備，在技術上處于國內領先水平，有著廣闊的發展前景和發展空間。小型化預裝式變電站也將帶來良好的應用效果及社會效益。

參考文獻

[1]GB/T 17467-1998 高壓/低壓預裝式變電站

[2]DL/T 537-2002 高壓/低壓預裝式箱式變電站選用導則

[3]IEC 62271-202：2006高壓/低壓預裝式變電站

[4]西安高壓電器研究所，國內外預裝式變電站文集，2006年

[5]李建基.新型中壓開關設備選型手冊[M].中國水力電力出版社.

[6]章熙民，傳熱學.中國建筑工業出版社，1997年4月.

[7]王漢清.通風工程[M].機械工業出版社，2005年1月.