10/0.4kV欧式箱变结构分析

1　欧式箱变现状
1．1　组合形式
　　目前国内生产的预装式变电站的组合形式基本上是：高压室、变压器室、低压室成“目”字形排列或“品”字形排列两种结构。
　　由此可以看出，这些变电站结构的主要特点是高压开关设备、变压器、低压开关设备这三大发热体，密闭在一个由金属钢板（或铝板、复合材料）制成的大箱体内，除必备的照明外，还必须采用强迫通风散热。其功能越多，体积也相应增大。
　　这些设备采用了良好的隔热通风设施，箱体除有自然通风通道外，还在顶盖内部夹层装有新型的隔热材料的隔热层，能有效地防止日光照射产生的热量，为防止雨水浸入，箱体顶部设有防雨檐，箱门采用防雨水的特殊结构。变压器与箱体之间用橡胶垫密封。加之箱体有可靠接地，则运行比较安全。
1．2　箱体的外形设计
　　国内外箱式变电站箱体的形状呈现多样化，国内除统一设计有统一的造型外，各制造厂必须根据使用的环境和地形特征、设备的组合、接线方式以及安装、维护等项因素来确定箱体外形的设计。在外形设计时要尽量考虑与外界环境协调，不要因为箱体的存在而破坏了环境，相反，在景色协调的环境中应成为景色的点缀。
1．3　箱体的颜色
　　预装式变电站的国内外标准除了对外壳的表面处理有要求外，对箱体的颜色未作规定。应根据设备的使用环境来选配箱体的颜色。
1．4　箱体的材质
　　预装式变电站箱体的材料可以是金属、非金属或者两者结合，要求耐受一定的机械力的作用和内部故障电弧而引起的冲击力，同时有足够的机械强度，在起吊、运输和安装时不应变形或损伤。
　　玻璃纤维增强水泥箱体是新近推出的一种非金属壳体，这种材料机械强度高，耐热抗压；抗紫外线辐射，抗曝晒性能好，可避免因外部温度而引起箱内温度升高；防潮、防冻、防裂、防燃、抗腐蚀。壳体不因冷热交变产生凝露，能适应各种气候条件。
　　夹层彩钢0．5 mm厚彩色涂层钢板为面材，自熄聚苯乙烯为芯材，用热固化胶在连续成型机内加热加压复合而成的超轻建筑板材，具有自重轻，保温隔热，施工进度快的特点，是一种集承重、保温、防水、装修于一体的新型防护结构材料。使用寿命20～30年，不脱漆。该材料已全部国产化，是预装式变电站的首选外壳板材。
2　欧式箱变结构设计应用实例
2．1　一次主接线方案（忽略）
2．2　布置方案

　　对比方案1和方案2，平方面积后者比前者略大，但方案1要增加高压母线桥一座，制作难度相对较大，所以确定方案2为优化方案。

2．3　底框剪切和弯曲计算
2．3．1　底框的剪切计算
　　该套箱变采用12号槽钢作为底框制作的基本材料，按照所提供的材质证明书，综合选择最低机械性能指标，即屈服点208 N／mm2，抗拉强度425 N／mm2，伸长率31％，查手册其抗剪强度τ为320～440 N／mm2，取最低极限抗剪强度为320 N／mm2，极限抗拉强度为400 N／mm2，延伸率为24％，屈服点为280 N／mm2，弹性模数为202 000 N／mm2。
　　按照每面高低压开关设备500 kg计算，其高低压开关设备累计质量为500 kg／面×13面＝6 500 kg，变压器采用SCB8－800／10，其质量为3 075 kg，顶盖和箱身质量约为3 500 kg，合计总质量为13 075 kg。查12号槽钢受剪面积15．36 cm2，d＝5．5 mm，依据底框设计图样计算最小受剪面积11×15．36＋0．55×（69．5＋19＋66）＝253．935 cm2。
　　按照材料力学中，安全系数的大致范围，在一般构件的设计中，ns规定为1．5～2．0，nb规定为2．0～5．0；一般把极限应力除以大于1的数n，作为设计时应力的最高限度，即为许用应力，用［σ］表示，取安全系数n＝2．0。所以

　　根据底框承重13 075 kg及受剪切面积253．935cm2计算出12号槽钢的剪切强度。

  　Q为剪力；　　　
　　F为受剪面积。
　　因此底框的设计是足够的，其许用剪切强度与剪切强度之比，即［τ］／τ＝160／5．046≈32，设计上似乎有点浪费，故采用8号槽钢进行试算。
　　依据材质证明书选最小的屈服点280 N／mm2，最小的抗拉强度145 N／mm2，伸长度34％。取［σ］＝200N／mm2，［τ］＝160 N／mm2。底框承重不变仍为13 075kg。最小受剪面积F＝11×10．24＋0．5×（69．5＋19＋66）＝189．89 cm2

　　因此底框的制作选用8号槽钢已足够。
2．3．2　底框的弯曲计算
　　考虑采用集中载荷计算太粗略，因此用均布载荷（用q表示）进行概算，因为受力很复杂，为计算上的方便和经济性仅考虑宽度方向11根长3 153 mm8号槽钢的弯曲情况进行试算。

　　查表三惯性矩Jz＝101．3×104 mm2，8号槽钢的弹性模数E＝202 000 N／mm2
    查表5－2得到

    因此
　　θ1＝－θ2

　　通过以上弯曲计算分析可知用8号槽钢弯曲弯形较大，故对采用12号槽钢的情况进一步分析，仍查表三无12号槽钢的数据记录，采用数值10号与12．6号槽钢的平均值进行试算，取

　　依据实际工作条件以上两项指标转角和挠度能够满足要求。
2．4　通风流体计算
　　依据基础设计图样和箱顶盖设计图（忽略）计算通风情况如下。
2．4．1　顶盖出风口面积

2．4．2　基础进风口面积（按85％计算）
    A1＝450×1 000×6×85％＝2 295 000 mm2
　　风机采用300FS1 90 WAC220 V高压室4只，变压器室4只，低压室9只，共17只，该风机风量为23m3／min。
　　风量Q＝17×23 m3／60 s＝6．516 m3／s
2．4．3　计算进风口平均流速
　　引入公式v＝Q／A（6）
式中：v为风口平均流速；
  　　Q为风量；　　
    A为风口面积。

2．4．5　确定比例计算

5　传热计算
　　依据空气流体产生的原因，该箱变中流体的换热方式是空气流体掠过发热体（变压器等）的运动是由外界机械力（风机）的作用而发生，因此空气流体与发热体的对流换热称为受迫对流换热。在受迫对流换热中也包含有自然对流换热的现象，此种情况下，自热对流换热很弱，可以忽视。
　　箱体隔热层采用的是夹芯彩钢板，厚度为40mm，可以近似地认为厚度比长度和宽度小很多的平壁，平壁边缘的影响可以忽略不计，其各层平壁均为无限大平壁，在进行稳定导热时，经过各层平壁的比热流量及热流量Q都是相同的。
2．5．1　外界环境温度
    外界环境温度取40℃，箱内温度取20℃。
　　该夹芯彩钢板外层δ1＝0．5 mm，内层δ3＝0．5 mm，其材质为碳钢，特性参数为20℃时，ρ＝7833 kg／m3，Cp＝0．465 kJ／kg·℃，λ＝54 W／m℃，α＝1．474，导热系数（0～100℃）55～52 W／m℃，夹芯层为聚苯乙烯，其热导率为0．034 W／m℃，厚39 mm。通过三层的比热流量。

式中：q为比热流量；
  　　Δt为温差；　　
    δ1、δ2、δ3分别为三层壁厚，λ1、λ2、λ3分别为三层壁厚材料导热系数。
　　因为是稳定导热，所以

2．5．2　外界环境温度
    外界环境温度取30℃，箱内温度取90℃。

式中：v1、v2分别为进出风口平均流速；　　
      ωf为平均流速。
　　因为主要发热体是变压器，因此把变压器近似地看成是一个平板，其长度按X＝3．2 m计算，空气温度tf＝40℃，变压器温度为tw＝90℃，计算出空气的放热系数。

    =（90+40）/2=65℃
　　由tm＝65℃从附录五查得60℃和70℃空气的物性量取平均值。
    平均导热系数：

 
3　结论
　　1）箱变基本组成：高压负荷开关设备、变压器、低压开关设备。
　　2）依据一次方案，箱内布置不是品字形，就是目字形。
　　3）箱体材料首选40 mm厚夹芯彩钢板，其次是玻璃纤维增强水泥壳体。
　　4）箱体颜色以白色和蓝色为主，其它颜色的选用必须做到与环境协调。
　　5）底框设计必须同时考虑强度和弯曲，要求强度足够，同时弯曲变形小。
　　6）为保证进风温度已基本与环境温度一致，设置在箱变基础上的入口面积原则上应比顶盖上出风口面积大。
　　7）为提高空气在箱变内部的放热系数，顶盖上必须加装风机。

参考文献

［1］　廖光余主编．预装式变电站手册［M］．北京：机械工业出版社．
［2］　冲模设计手册［M］．模具设计手册之四．北京：机械工业出版社．
［3］　机械设计手册［M］．上册第一分册第二版．北京：化学工业出版社．
［4］　材料力学［M］．西安：西安交通大学材料力学研究室编．1979年5月．
［5］　王致清主编．工程流体力学［M］．哈尔滨：哈尔滨工业大学流体力学教研室．1983年5月．
［6］　许肇钧主编．传热学［M］．长春：吉林工学院．1982年10月