一种箱式变压器柜体专用降温除尘防潮装置

容毅浜，朱光羽

（1.广东广业投资集团有限公司，广州 510030；2.广东工业大学材料与能源学院，广州 510006）

0 引言

电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一，其性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益。自改革开放以来，为满足我国电力工业的发展建设需要，电力变压器行业得到了较快发展。我国中小型配电变压器最初以绝缘油为绝缘介质发展起来，进入20 世纪90 年代干式变压器在我国才有了较快发展。现如今，我国已实现自主生产包括油浸式配电变压器、干式变压器、箱式变压器以及高压、超高压电力变压器［1］。

这其中，箱式变压器以占地少、能深入负荷中心、减少线路损耗、提高供电质量、选位灵活、外形美观等优点，目前在城市10 kV、35 kV 电网中大量应用，国内常见的箱式变压器主要有欧式箱变和美式箱变。为节约新能源发电的建设成本，各个设备的集成化已成为趋势［2］。随着技术的进步，箱式变压器体积和质量都逐步减小，实现了高效、节能和低噪声，在中小型配电变压器中，对比其他类型的变压器，有着不可替代的优势。

箱式变压器的结构包括高压室、变压器室和低压室，集保护、监视、控制等功能于一体。然而，变压器的发热量较大，对环境温度控制要求比较高，若温度超出临界值，会触发温控保护装置，引起高、低压断路器跳闸，影响电力系统的正常工作。普通的箱式变压器会安装冷却风扇，通过加强内外空气的对流实现箱内热量的转移［3］。

安装排风扇进行降温虽然简便，但也不可避免地遇到一些问题，常见的有两类。问题一是冷却风扇长时间运行引起的寿命问题，而当冷却风扇无法正常工作时，无法及时散出箱内热量，引起箱内高温高负荷，断路器频繁跳闸，影响设备正常运行。而当冷却风扇故障后，由于其安装在箱体上端，更换时必须停电才能进行，而且更换人员在温度较高的变压器室内工作，更易发生烫伤事故。二是大部分设备所处的环境并不十分理想，周围空气中可能存在的粉尘、高温腐蚀性烟气在对流作用下会因静电作用被吸附在箱内各类器件的电路板表面形成污垢。随着工作时间的推移，积聚在电路板表面的污垢将愈积愈厚，导致多种问题的发生。首先，过厚的污垢进一步阻碍了电路板功率器件的散热，加剧了热岛效应；其次，积聚的污垢本身具有腐蚀性，长时间与电路板接触后将会造成印刷线路板中贴片元件和较细的印刷线腐蚀破损；再者，过厚的污垢在受潮后将变成导体，造成电路板高压路段的短路。工作时间越长，环境越差的控制柜问题就越严重，在累积到一定程度时，就会引发突然故障［46］。

因此，现阶段供电运维单位对户外箱变的变压器室进行降温的需求十分强烈，在用电高峰期箱内温度最高可达到100 ℃以上，需通过技术手段使箱内工作温度稳定在50～60 ℃。王启新等［7］设计了一种自动抽风散热装置，如图1 所示，将变压器室顶端改成喇叭口状并配以适当高度的烟囱，让室内高温空气从顶端及时自动排出，同时，室内下端吸入室外常温空气来降温，即凉气从下端吸入，热气从上端排出，同时将原装在箱式变压器上端的排气风扇改变成装在箱式变压器下端适当位置吸气降温，并且为吸入式安装，对于冷却风扇易损坏的常见故障，可以在保证安全距离的情况下不停电更换风扇，从而有效提高了供电可靠性。刘义等［8］设计了一种主动降温装置，如图2 所示，装置本身包括改进后的箱式变压器箱体、降温设备以及控制装置，改进后的箱式变压器箱体增加了通风孔、吸热管及隔热棉，箱顶为横截面为正三角形的棱柱结构，箱体的下端开设通风孔，箱体与箱顶采用钢板、吸热管及隔热棉组装而成，钢板与吸热管贴合在一起，吸热管的下端固定有隔热棉，隔热棉靠近箱体的内部进行布置，其降温设备由防护网、散热管、通风管、风机（包括驱动电动机和叶片）组成。箱体通过通风管与降温部分连接，驱动电动机与叶片固定在一起，叶片的上端安装有散热管，散热管的上端固定有防护网，改进后的装置安装简便，稳定性好，可靠性高。以上两种设计方式都不可避免地使外界空气进入箱体，也就无法防止外界的粉尘和湿气进入箱体，对电子元器件造成破坏，必须加以改进。因此，针对目前箱式变压器柜体普遍存在的降温除尘防潮及防尘等需求，本文开发了一种箱式变压器柜体专用降温除尘防潮装置，可以有效地防止外界的粉尘和湿气进入箱体，从而确保箱式变压器的工作安全。

图1 箱式变压器自动抽风散热装置示意

图2 箱式变压器主动降温装置

1 设计原理

降温的本质是热量交换，根据热力学第二定律，凡是有温差存在的地方，就有热量自发地从高温物体向低温物体传递。顺应自然规律，本着热量充分交换的理念，依托水的热学特性，本文开发出一款专用密闭式气－水换热器，将柜体内的热气体抽出形成气流与水流分别在被金属壁面分开的空间里各自流动，通过壁面的导热和流体与金属壁表面的对流换热，使得气体加速冷却降温，并将冷却后的气体送回柜内。如此循环将柜体内空气持续降温，并通过风管输送避免与外界大气接触，防止潮湿空气及粉尘进入柜体内，从而实现降温除湿效果。

该装置的设计原理如图3 所示。基于热气上升原理，用循环风机将热风从箱体上部抽出来送入换热器。在换热器中，热风吸收冷水中的冷量变为冷风，然后输送回箱体，对柜体中的各个元器件进行冷却降温。选用冷水作为冷源，为热风提供冷量，冷水在换热器中与热风充分换热后，温度会有所升高变成热水，而由于水的比热容高达4.2×103J／（kg·℃），即质量为1 kg的水温度升高1 ℃，需要吸收4.2 kJ 的热量，而空气的比热容远小于水的比热容，这意味着在换热充分的情况下，将空气从80 ℃以上冷却到60 ℃以下，水的温升并不会太明显。换热后产生的热水进入水箱后向环境散热，此时很容易能把水温降下来，变回冷水，在水泵作用下再进入换热器继续换热，如此循环往复。

图3 设计原理

2 结构设计

该装置的机械结构设计如图4 所示。在柜体的一侧上部加开3 个排风孔，3 个排风孔连接热风管道并汇聚成一路，利用循环风机将汇聚的热风送入换热器。在换热器中，热风冷却完毕后变为冷风，再通过开设在柜体的另一侧下部加开的3 个排风孔返回箱体。即冷风从下端输入，热风从上端吸出。利用水泵将提前预置的常温常压下的冷水抽送到换热器中，与热风充分换热后产生的热水再流回水箱中并向环境散热，水温降低，变回冷水，在水泵作用下再进入换热器继续换热，如此循环往复。

图4 机械结构设计

3 控制系统设计

控制装置由温度传感器、单片机及继电器组成。温度传感器固定在箱式变压器的上端，单片机和继电器安装在控制器的内部，温度传感器与单片机相连接，单片机与继电器相连接，继电器与离心风机和离心水泵相连接。其工作原理为：当箱体内温度升高到设定值（装置开启温度），温度传感器将信号传送到单片机，单片机通过控制装置使继电器动作，继电器接通离心风机和离心水泵开始散热；当箱体内温度下降到设定值（装置关闭温度），温度传感器将信号传送到单片机，单片机通过控制装置使继电器动作，继电器断开离心风机和离心水泵，停止散热。

4 安装调试与验证分析

4.1 模拟实验研究

换热器是该装置中的关键部件，其性能好坏决定了该装置的运行效果。为了验证该装置中换热器的冷却效果，使用一个干燥箱模拟箱式变压器进行了换热器的性能测试试验，具体如图5 所示。在本试验中，由干燥箱输出的热空气温度为87.2 ℃。通过水冷，换热器将热空气从87.2 ℃降至52.5 ℃，有效地使空气降低了34.7 ℃。换热效果良好。具体如图6 所示。

图5 换热器实

图6 进气温度与排气温度

4.2 安装与调试

经过实验验证，该装置具备可行性，因此将该装置实地安装并测试。图7 为该装置的施工原理图，其安装步骤如下：对水箱、风机、水泵、换热器进行一体化安装，在水箱顶部焊接安装架，做好螺纹牙孔，将风机、水泵、换热器螺丝锁紧固定于水箱顶部，同时架子也起到加固水箱的作用。

图7 箱式变压器柜体专用降温除尘防潮装置施工原理

现场工艺流程：（1）柜体开孔，使用开孔器在柜门上下分别开出风口和进风口，用自攻螺丝固定；（2）风管连接，将软管内径套在硬管外径上，用软管紧固件喉箍缩紧；（3）水箱固定及电箱安装，使用膨胀螺丝将水箱固定在箱变右后方地面上，使用自攻螺丝将控制电箱固定在箱变右后方，连接线路。该装置的现场安装十分简便，便于大规模推广。

4.3 实际应用与测试

现场照片如图8 所示。将装置开启温度设定为40 ℃，装置关闭温度设定为35 ℃，即当柜体温度高于40 ℃时装置投入运行，柜体温度低于35 ℃时装置停止运行。经过1 个月的数据监测，发现该装置可以有效地把柜体温度控制在35 ℃左右，实现了冷却热空气的目标，达到了降温的目的。

图8 现场应用

4.4 装置优势分析

对比其他箱式变压器柜体冷却装置，本文提出的装置主要有以下优势。

（1）季节适应性好。采用水冷方式，冷却水温随季节变化不大，可以满足夏天的极端炎热需求。且柜体内温度越高，冷却效果越显著。

（2）防尘防潮效果好。该装置柜体内空气采用封闭循环方式，不与外界接触，可以避免外界水气和粉尘进入柜体。

（3）结构简单、安全可靠。仅有风机和水泵两个运动部件，且极为成熟，故障率非常低。在户外恶劣环境中能长时间运行，无需过多维护，并设有自动控制系统，能实现设备的自动启停，对冷却能耗成本进一步控制。

（4）冷却效果好。利用风机送风，风速高，流动快，能够对柜体强制进行降温，且冷却效果远高于在柜体上设置通风孔或者通风窗等方式。

（5）运行费用低。风机和水泵所用功率极低，运行费用低远低于空调，尤其是炎热的夏季。

由此可见，该装置可以有效解决箱式变压器柜体长期存在的降温除尘防潮问题，提高其运行效率和可靠性，降低故障和事故的风险，具有广阔的市场前景。

5 结束语

本文通过对目前箱式变压器的冷却问题进行分析，针对柜体内降温、防尘、防潮的需求，对比现有的改进装置的优缺点，提出了一种新型的箱式变压器柜体专用降温除尘防潮装置，其核心为一款专用密闭式气－水换热器，将柜体内抽出的热气体形成热气流与储水箱的冷水流在换热器中无接触式换热，实现对柜体内空气的持续降温，并通过风管输送避免与外界大气接触，防止潮湿空气及粉尘进入柜体内，从而实现降温、防尘和除湿的效果。本文通过换热计算、模拟实验和实地安装测试，主要得出以下结论。

（1）换热器的理论计算可知，该装置利用常温常压下向环境散热的循环水箱的冷水，足以将空气温度从80 ℃以上冷却到60 ℃以下，换热能力满足需求。

（2）在干燥箱模拟柜体的换热器性能测试实验中，换热器将热空气从87.2 ℃降至52.5 ℃，有效地使空气温度降低了34.7 ℃，换热效果良好。

（3）在实际安装运行1 个月后，在数据监测结果中看出，该装置可以有效地把柜体温度控制在35 ℃左右，能够满足箱式变压器柜体长期稳定降温的需求。

（4）对比其他箱式变压器柜体冷却装置，本文所提装置有着季节适应性好、防尘防潮效果好、结构简单、安全可靠、冷却效果好、运行费用等优势，有着广阔的市场前景。