摘要：当今社会，干式变压器超载运行的情况越来越多，这也导致对干式变压器外壳散热要求增高了。但人们在设计中往往忽略开孔面积与有效通风面积的关系，再加上出于成本和电房环境的考虑上，现成的干式变压器外壳有小型化的趋势，造成变压器外壳通风效果不佳，通过研究变压器外壳有效通风面积与外壳开孔面积之间的对比，确定外壳开孔的设计方案，有效的增加外壳的散热能力。
关键词：干式变压器外壳；通风孔；开孔面积；有效通风面积；强制风冷
干式变压器因其防火、安全、可靠、节能、免维护、损耗小、噪音低、寿命长、体积小、质量轻等优点，广泛应用在变电站、工矿企业、医院、住宅小区等场合。它主要有环氧树脂绝缘（简称ORDT）和浸漆式的非包封（简称OVDT）2种主流形式。前者机械强度和耐受短路能力以及防潮、防尘、耐腐蚀性能好，寿命终结后，只能深埋处理。后者绝缘耐压性能、耐热、阻燃性能好，绝缘等级可达到H级，寿命终结后，可降解回收。干式变压器正常都带有外壳，其外壳材质、结构、进出线方式、密封与散热、基础形式等是干式变压器外壳设计必须考虑的重要因素。
1.材质与结构
干式变压器外壳可以有效封闭干式变压器，起到安全防护作用，避免干式变压器上的裸露导电体对人产生伤害，防止蛇、鼠等小动物靠近或攀爬造成短路事故，还能屏蔽电磁辐射、降低噪声对周围环境的影响。所以，目前使用的干式变压器，正常情况下都配备有外壳。
1.1材质
干式变压器外壳普遍采用不锈钢、铝合金、钢板等材料。常用的不锈钢牌号有201（17Cr-4.5Ni-6MnN）和304（18Cr-9Ni）等。201不锈钢抗腐蚀性能稍差，室外环境易生锈；304不锈钢具有很好的抗腐蚀性能，可以用在室外，价格也相对较高；316（17CrNi-12Mo2）不锈钢抗腐蚀性能更好，价格更高，一般应用在特别恶劣的环境中。铝合金导热性能优良，强度稍差。钢板常用冷轧钢板，经喷塑或喷漆处理，能与开关柜颜色一致，强度也比较好，价格低，但制作周期较长。设计时，可根据用户经济情况、使用环境等选用合适材料。
1.2结构
干式变压器外壳常用的结构主要有一体式和组装式2种。早期大多采用前者，其好处是现场无需组装，安装方便，但其最大的问题是运输不方便。如果将其罩在干式变压器上，就不方便把干式变压器固定在运输车辆上，如果将其与干式变压器分别单独固定在车上运输，又会占用比较大的车辆空间，运输成本较高。另外，一体式还会遇到配电室门较窄时无法进入配电室的难题。目前大多选用后者。组装式干式变压器外壳由左、右侧框，前、后门框，顶盖以及连接附件组成，它们可现场组装，运输方便，进入配电室也方便。个别地方的运维人员水平有限，曾出现带电打开干式变压器外壳大门的情况，造成了不该发生的人身伤害事故。所以，设计人员宜在技术协议中明确要求，前后大门均配置行程开关，并加电磁锁。行程开关可以与高压开关柜二次分闸回路连接，一旦大门打开，行程开关动作，启动高压开关柜二次分闸回路动作跳闸，确保操作者安全。即使个别用户未把行程开关与高压开关柜连接，使这层保护失去意义，电磁锁（从变压器上引接220V电源即可）也可以确保在带电情况下大门不能打开，除非紧急解锁。还可以把干式变压器上的高压支柱绝缘子换为传感器，在大门上安装带电显示器，以便直观地看到变压器运行带电状态。
2.干式变压器耐热绝缘等级
干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。一般是利用温控装置，检测变压器绕组温度，自动启停冷却风机并设有故障报警，超温报警和跳闸功能，为干式变压器提供了可靠的过载保护和运行安全。
（1）风机自动控制：变压器负荷增大，运行温度上升，当三相绕组温度中的最高一相温度超温绕组温度达到设定值（110℃）时，系统自动启动风机冷却；当绕组温度低至设定值（90℃）时，系统自动停止风机。
（2）超温报警、跳闸：若变压器绕组温度升高达到超温报警设定值时，系统输出超温报警信号；若温度继续上升达到超温跳闸设定值，向二次保护回路输送变压器超温跳闸信号。干式变压器耐热绝缘等级不用，设定温度值也不同。以耐热绝缘等级为F级的变压器为例，超温报警设定值155℃，超温跳闸设定值170℃。对于指定的绝缘系统，其允许的最热点温度不应使线圈绝缘的电气和机械性能受到损害。不同耐热绝缘等级的变压器，其绝缘系统温度及绕组温升限值如表1所示：
注：①上表第2栏中的字母是表示绝缘材料的温度等级。
②温升是指在额定运行状态下指定部位允许超出标准环境温度之值，温升的单位为开氏（K）。
由上可以看出变压器的耐热绝缘等级越高，其允许运行温度越高，相应的负载能力也越高、运行时间越长。因此设计人员在进行变压器选型时，应标明干式变压器耐热绝缘等级。经笔者了解，近年建成的项目以耐热绝缘等级为F级的变压器应用为最多，从技术发展角度看，建议设计选用耐热绝缘等级为H级的变压器，至少不应低于F级。
3.变压器设计方案
为了适应在机舱内运行时严酷的气候和环境条件，干式变压器应具有抗腐蚀能力强的特点。同时，干式变压器安装在风机机舱内，维护和维修成本高，干式变压器应具有较高可靠性。由于树脂浇注干式变压器在耐环境、耐气候和抗短路能力的性能上更为优越，故首选此类干式变压器。
3.1本体设计方案
铁心叠片采用冷轧取向电工钢带，45°全斜接五级接缝；高压线圈采用分段圆筒式，采用真空浇注工艺；低压线圈采用箔绕，设轴向气道，采用预浸绝缘端部树脂密封固化。由于机舱尺寸的限制以及对载荷的要求，干式变压器外形尺寸不能过大，重量不能过重。通常，采用铜绕组时，变压器尺寸小，重量重；而采用铝绕组时，变压器尺寸大，重量轻。所以在电磁计算阶段，要反复比较，满足用户使用要求。
3.2防腐设计
一般变压器，冷却方式采用自冷或风冷，变压器外壳内部空气与机舱内的空气流通，机舱内的高潮湿高盐雾的空气进入变压器外壳，造成变压器结构件被严重腐蚀。更为严重的是在这种环境下，变压器绝缘表面的污秽物中可溶性物质逐渐溶于水，表面上形成一层导电膜，使绝缘的绝缘水平大大降低，在电力场的作用下容易产生剧烈放点现象，即污闪，这是导致风电机组火灾的主要可能因素之一。
3.3抗振设计
风电机组运行过程中，机舱时刻都在振动，特别是机组偏航迎风过程和制动过程中振动很大。所以，变压器的抗振设计也非常重要。通过一些措施可减小变压器器身变形和紧固件的松动：变压器线圈浇注为一个刚体，使线圈自身具有良好的抗振能力；增加变压器底垫脚的个数及固定螺栓的个数，对变压器起到很好的固定作用；变压器上夹件上安装长螺杆与外壳顶部的支架相连，使变压器与外壳成为一个整体，避免外壳的晃动。此外，变压器上所有的紧固件均采用防松措施，避免变压器部件的脱落和器身倾倒。
结论
干式变压器外壳宜选用不锈钢组装式。进出线方式根据项目现场情况选用。防护等级室内宜选用IP20，室外宜选用IP23。设计人员宜综合考虑干式变压器外壳的外形尺寸，除了保证安全距离外，还要考虑散热性能，并与基础配合准确。
参考文献：
［1］刘振农．88D264电力变压器室布置[J].冶金工业部北京钢铁设计研究总院，1989：119.
［2］韩风.建筑电气设计手册[M].中国建筑工业出版社，1991：164-167.
论文作者:苏伟吉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/13
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