预装式变电站箱体防雨功能结构设计

张启蒙 吕 达 吴 敏 龚晓滨 袁荣杰

（1.宁波天元电气集团有限公司，浙江 宁波 315700；2.宁波象山县供电局，浙江 宁波 315700）

预装式变电站，又称户外成套变电站、箱式变电站、组合式变电站，简称箱变，它是将变压器、高压开关设备和控制设备、低压开关设备和控制设备、内部接线（电缆、母排等）、计量、补偿、避雷器等设备配置于一个公用外壳－箱体内，并按国家标准通过型式试验的成套电器设备。因具有独特的功能优点，受到世界各国电力工作者重视，在配电领域中占有较重要的地位，在城市电网建设改造工程中，已被广泛应用，其电气设计的功能也随着科技的步伐越来越强，新材料、新工艺的应用也日趋成熟，具有特强防锈性能的铝合金箱体、非金属彩钢板箱体、满足环保要求的非金属水泥箱体等结构的箱变也不断的涌现。然而，其在防火问题、扩容问题、检修问题、安全问题等等方面，特别是在安全问题上还存在着严重的功能不足。主要表现在箱体在防雨功能结构的设计上存在一定的功能性缺陷，无法全面符合国家标准GB17467《高压/低压预装式变电站》所规定的要求，虽然一般在型式试验时因为对样机进行特殊加工过后能马虎过关。此外，箱体结构设计的防雨功能的好坏也将直接影响箱变的使用寿命，经调核，至少不小于80%的箱变的电气事故及设备因腐蚀问题而使设备的使用寿命达不到预期的是因箱变箱体的防雨功能弱而造成的，在实际使用过程中，不难发现，雨天刚过后就打开箱变外门，可明显的发现门内、箱变底板都积存大量的水迹，甚至水流和水荡等；内部结构金属件，特别是箱变的底板、底架等，因雨湿而生锈腐蚀现象也较严重，更严重的是箱变在使用2～3年后就发现底板和围板的底部已污蚀至轻则锈迹斑斑，重则污蚀至穿孔的现象。典型的实例照片如图1所示。

因此实施箱变箱体防雨功能的论证、探讨和结构性的重新设计对于减小及至避免电气事故的发生、增长设备的使用寿命等有着重要意义。

1 箱体的防雨功能结构现状及其缺点

图1

目前箱变箱体在防雨功能的设计上主要有以下几类的结构特征和改进设计的经过事例：20世纪90年代以前，由于国内市场上未出现有汽车行业内使用的小9型门缝嵌条及玻璃胶等现代密封胶产品，箱变的生产制造企业不是很多，企业的规模一般都是以一些小型企业为主，生产技术装备差，设计技术落后，所以，当时箱变门缝的防雨功能一般都是采用橡胶条带用百德胶胶水粘贴于门框内页上的；有良好工艺水平的企业，还能加用一些螺钉固定。这时箱变的防雨功能是不可想象的，其橡胶条带一般都是很硬的，在门关闭时，不存在压缩状态，最多只起到减小门缝间隙，只能是降低雨水及水流浸入箱变内腔而已，且其橡胶条带由于胶水粘性及粘力寿命问题很容易脱落。直至九十年代以后，工艺的改进，新工艺，新材料、新技术的应用，才逐步采用现在的小9型或D型汽车门缝嵌条，按理说，利用这嵌条的内腔空隙，确保嵌条有很大的欲度弹性，在门板关闭时，保证使得嵌条的内腔空隙有一定的压缩变形，与门框侧面间形成致密状，可有效的避免雨水及灰尘进入。典型的理想的防雨功能结构状态图如图2和图3所示。但是，事实上这种结构无法达到预期的效果，其实际存在的缺点有：①因为由于实用价值、使用特征、制造成本等原因，决定了箱变的门板不可能采用象汽车门一样进行整体的模具压制技术，并实施有效的加强加工工艺，制成一个刚性，硬性、平整挺刮的门板，也就是说，箱变门板在刚性，硬性、平整挺刮等方面是不能与汽车的车门相比的，是不佳的，这就决定了在其关闭时是无法实现与汽车门一样的密封性的。因此不能起到真正的防雨功能；②在门板关闭时，必须确保嵌条有一定的压缩变形量，与门框侧面间形成致密状，方可有效的避免雨水，因此，门板关闭和开起的难度大、不灵活，也就是工艺难度大、要求高；③雨水会长期积存在门缝间隙内和围板及门板与底座的间隙内，从而引起加速箱体的锈蚀，箱变的使用寿命就得不到预期。

2 一种新型的箱体防雨功能结构

2.1 设计思路

新型箱体在防雨功能结构设计原理上的主要思路是：不使得淋打在箱壳侧面板、围板上的雨水及自上而下在门顶板表面流向门板表面和地面的雨水进入门缝的间隙和围板或门板与箱体底架间的缝隙内，以至达到防雨水进入箱体内腔的功能要求。

我们在理论设计时，门板与门框之间的间隙一般设计成4mm以下。大家都知道，雨水在无风时是垂直向下做自由落体运动的，当有风时，就做斜线下落，而倾斜的相位和斜度是随风向和风力的，按自然规律，倾斜的雨水方向与门缝的直缝重合的机率是基本不存在的，所以，门板的直缝不必特别考虑其防雨水的结构设计，主要考虑门顶横缝上的防雨结构设计就可。我们在结构设计时，从严密的角度（强风状态下）考虑，规定雨水倾斜的角度为与水平线成30°。另外还观测了流水经过门缝时的事实流动线路—对液体流动特征进行剖析：物体分子之间有一种相互吸引力的作用，小水滴能在垂直的板面上粘接而不下掉，就是这个道理，当水滴重量集聚到大于其吸引（附）力时，就下掉了。

具体的雨水运动方向和水流的流动路径经门顶横缝上的防雨功能剖析如图2与图4所示。

具体的雨水运动方向和水流的流动路径经门板的下端和围板的下端的防雨功能剖析如图3与图5所示。

图2 箱体门板横缝的防雨功能结构状态图

图3 箱体围板及门板底部的防雨功能结构状态图

图4 新型箱体门板横缝的防雨功能结构状态图

图5 新型箱体围板及门板底部的防雨功能结构状态图

注：图2至图5表示的水流路径是在水的流量不是特别大的情况下，由于物体之间具有吸应（附）力的作用下所产生的现象，当水流量达到一定值后，水流的方向会基本处于垂直向下的状态。

2.2 结构性能分析

为了能更透彻地了解新型箱体设计结构的特性，将新型箱体机械结构图示例于图6至图11，将改进前典型箱体机械结构图示例于图12至图17。

图6 新型箱体机械结构

图7 示意图I处的放大图

图8 示意图Ⅱ处的放大图

图9 示意图Ⅲ处的放大图

图10 示意图Ⅳ处的放大图

图11 示意图Ⅴ处的放大图

图12 改进前箱体机械结构

图13 示意图I处的放大图

图14 示意图Ⅱ处的放大图

图15 示意图Ⅲ处的放大图

图16 示意图Ⅳ处的放大图

图17 示意图Ⅴ处的放大图

参照图16至图17，箱体结构包括围板1、左门板2、门锁装置3、顶盖4、门顶板装置5、右门板6、门铰链7、底架8、顶支架9、小9型或D型密封嵌条10、底封板11、门下档12。

新型箱体的结构设计主要在于门顶板装置5结构、左门板2和右门板6结构、围板1和左门板2和/或右门板6与底架8间的组合结构的设计改进来实现的：

门顶板装置5由改进前箱体使用一张金属板经均为通过90°折弯形成的结构改进为由两张金属板经折弯后用铆钉或螺钉组合而成，其中内里的一张板在与门板的接近部位与直角处均约20mm的地方通过两个 45°向里折弯来代替原来的 90°弯所形成的门框凸页，而另一张外贴的板直接延伸至门缝的间隙位置，这样通过组合后，形成一个有一定截面约20mm×20mm的三角形空腔；左门板2和右门板6的上端与门顶板装置5接近处同样把改进前箱体通过 90°折弯形成的结构，改进为与直角间约20mm的范围内向里折成约45°的方式，使得其空出一个有一定截面约20mm×20mm的三角形空腔；这样所达到的作用是：从顶面板装置5上向下流的雨水及所有斜打的雨水等均不可能流入门板与顶面板装置5的间隙内，直向下流入地面，如图1和图3所示的对比图示例。

同样，把围板1、左门板2和右门板6与底架之间的接合方式将改进前箱体通过水平面接合的结构形式改进为新型箱体所示的通过垂直面接合的结构形式，所达到的作用是：所有从围板1上和门板上的向下流的雨水、所有斜打的雨水等均不可能流入底架平面内，直向下流入地面，如图2和图4所示的对比图示例。

新型箱体结构的优点在于：①雨水和水流不会进入箱体的门缝的间隙内，也不会进入箱体的围板与箱体的底架间的缝隙和箱体的门板与箱体的底架间的间隙内，确保了防雨的可靠性；②避免了因雨水长期结存于箱体间隙和缝隙内引起的或者说加速设备的生锈、腐蚀现象；③同样具备小9型或D型密封嵌条所具有的箱体防尘密封功能；④因小9型或D型密封嵌条的使用不需有防雨功能而使得箱体门板的安装要求简单、方便、省时。缺点是：极小量增加几枚螺钉等材料费和多几刀工艺折弯所需的工时费等只有几元钱/每套的费用。

3 结论

新型箱体结构的设计与实现，能确保预装式变电站设备的内腔及所有缝隙始终处于干燥状态，使得箱变内的电气设备完全处于国家标准 GB17467《高压/低压预装式变电站》所规定的满足GB/T11022的正常户内条件的环境下工作，避免了因污染、潮气、灰尘等引起的绝缘故障产生的内部击穿电弧等电气事故的发生，也就彻底解决了箱变运行必须考虑的安全问题，同时增强了电气设备和箱体等的使用寿命。在实际投用中，通过多方论证考核，该箱体结构完全符合设计要求。

[1] 肖敏英，邓永辉.浅谈高压/低压预装箱式变电站技术与应用[J].电控配电, 2006(2):2.

[2] 国家标准.GB17467-2010《高压/低压预装式变电站》.