农武成、项载仂、梁常勇、张发厅
广西电网有限责任公司防城港供电局， 广西 防城港，538000
摘要：由于工作环境的恶劣，电网公司的户外箱式变压器存在因内外部温度高、降温效果不理想的情况，这不单导致箱内设备元件提前老化，缩短使用寿命，还会影响元器件的正常工作，甚至还会导致元器件的烧毁。本文通过研究在箱变外表面应用辐射制冷涂料，利用测温仪进行应用前后的温度对比，实验验证了辐射制冷涂料的降温制冷效果，证明了在不产生额外能耗、不引入复杂结构的前提下，使用辐射制冷涂料可以产生较好的社会经济效益。
关键词：箱变；辐射制冷；涂料；降温
Radiation cooling coating for box transformer substation and switching station
Abstract: Due to the harsh working environment, the outdoor box transformer of the power grid company has the situation of high internal and external temperature and unsatisfactory cooling effect, which will lead to the premature aging of equipment components in the box, shorten the service life, affect the normal work of components, and even lead to the burning of components. This article studied the change outside the box surface which was covered by the coating application radiation refrigeration, used the temperature thermometer to contrast the temperature of before and after the application experiment, verified that the radiation cooling temperature paint had the effect of cooling temperature. At the same time, the radiation cooling paint could produce good social and economic benefits, which was without extra energy consumption and introduction of complex structure.
Key words: box change; Radiation; refrigeration; Paint; cool
1绪论
1.1研究背景
电网公司的户外电柜主要包括欧式箱式变电站、美式箱式变电站、预装箱式变电站、配电柜、电气柜、电力开关柜、环网柜、户外通信柜、高低压开关柜等。其中箱式变电站、户外开关柜、环网柜、户外通信柜都是室外工作，工作环境较为恶劣，需要禁受风吹雨淋日晒，所以对于防水防尘和耐高温的要求较高，这也使得传统电柜使用内置降温设备进行降温处理，但降温设备各有缺点：如风扇，降温效果较差，而使用空调则耗能十分巨大。近几十年来，由于能源危机和矿物燃烧过程对环境的巨大危害，使人们逐渐对于生产生活中的节能和环保的问题十分关注，所以开发一种无额外功耗降温技术的研究是十分必要的。
箱式变压器是在较为密封的环境下工作运行，所以当夏天太阳光长时间辐射、柜内元器件持续运行发热以及空气不流通的情况下，户外金属柜体内部热量无法散出，外界温度也很高，最终会使得箱内部温度高达60℃-70℃，这一温度已经超出了部分元器件正常工作温度(40℃左右)，随着工作时间的延长，柜内温度升高，过高温度不仅会使柜内的设备元件提前老化，缩短使用寿命，还会影响元器件的正常工作，甚至还会导致元器件的烧毁，造成故障停电。
1.2研究目的、意义
遵循着“全力创建全国最好世界一流的电网企业”这一党中央在新时代赋予公司的战略使命，紧跟科技的发展，通过挖掘新科技或新技术来解决工作中仍未解决的痛点，实现改革创新，致力推动公司发展。
由于户外环境恶劣、电网负荷压力高等问题，户外箱变内部温度常常处于高值，而传统降温措施的降温效果不理想，导致箱内设备元件提前老化，缩短使用寿命，还会影响元器件的正常工作，甚至还会导致元器件的烧毁，造成意外。
箱变从外界获得的辐射得热和向外界的辐射散热取决于其表面材料的光学性能。当辐射得热小于辐射散热时，可实现净辐射制冷效应。这要求材料对太阳辐射能量接近全发射的同时在大气透射窗口波段(8～13μm) 具有像黑体一样的发射率。这种选择性的光学特性曾使该效应长期停留在理论阶段。近年来，随着超材料和光学设计的发展，已有一些具有这类光学性质的超材料量产，并实现了日光下制冷降温效果[1]。
本文主要以辐射制冷超材料为核心，通过在箱变外表面应用辐射制冷涂料，在不产生额外能耗、不引入复杂结构的前提下，使用辐射制冷涂料，研究其产生的社会经济效益。
2相关概念和理论研究方法概述
2.1 箱变降温方式
箱变降温的方法有很多, 传统的降温方法主要有设计冷却液循环系统、风扇降温、空调降温。然而设计冷却系统设备复杂，占用空间大，成本高，安全稳定系数低；风扇降温，降温效果较差；空调降温，降温效果好，但能耗高，经济性差。鉴于这种情况，研究新型降温方法迫在眉睫。涂料降温是近年来快速发展起来的新技术，它主要通过降温涂料的应用，将涂层表面的红外反射率和发射率提高,实现设备降温的功能[2]。降温涂料因经济性、便利性和隔热性效果良好，是箱变降温的最佳选择。
2.2 辐射制冷技术的原理
宇宙空间接近绝对零度，外层大气的温度也相当低，因此对于地表的建筑物来说, 天空是一个天然的巨大冷库。另一方面，由于水蒸气、二氧化碳和臭氧的存在，大气层对不同波长的电磁波有着不同的透射率，透射率较高的波长段称为“大气窗口”。大气层有多个大气窗口，人们感兴趣的是8 ～13μm这一段,因为常温下的黑体辐射能量主要集中在此[3]。
夜间从大气窗口透射到建筑物的辐射功率有限，而建筑物通过8～13μm的大气窗口向天空辐射的能量较多，使得建筑物在夜间自然冷却。由于二者最终将达到动态平衡，因此，这种自然冷却方式的制冷量与最低制冷温度受到一定限制。采用选择性光谱辐射材料可以加强辐射制冷的效果。假设建筑物的外墙用某种理想选择性辐射体制成，其在8～13μm波段外反射率为1，而在8～13μm 波段内辐射率为1，那么它就只在8～13μm内吸收和辐射能量，而将8～13μm波段外的辐射全部反射掉，外空间通过大气窗口透射的热辐射只有很少部分被建筑物吸收，而建筑物通过8～13μm窗口大量向外空辐射热量，温度不断下降。研究表明，具有这种特性的理想辐射体可以把物体表面的温度降得比环境温度低得多(理想情况下可比环境温度低30℃多)。当然，天然的选择性辐射体是不存在的，在高度抛光的铝板上镀上氧化硅，在聚氟乙烯上镀Al 等,制成的复合材料可以有近似的光谱选择特性。
白天，特别是夏季，当有太阳照射在建筑物表面时，其吸收的阳光辐射能量远大于向外辐射的能量,周围空气温度也很高，在建筑物的上方再加一“透明”盖板可以防止空气对流带来热量。所谓“透明”是指仅对8～13μm 波长的辐射有很高的透过率，它可以反射大量太阳热辐射，又不影响建筑物向外空辐射热量。如果进一步将“透明”盖板与光谱选择性辐射体组合，盖板在8～13μm波长段外透射率低，同时光谱选择性辐射体在8～13μm 外也有很高的反射率。当这种组合体置于天空下时，8～13μm波段外的外界辐射绝大部分被反射回外界，而辐射体自身发射的8～13μm波长的辐射却可以透过盖板向外层空间传送，向外辐射的热量高于物体吸收的热量，建筑物的温度可以降得很低。
据报道，目前已找到了一些不错的光谱选择性辐射材料及组合，当然与理想的选择性要求还有不少差距，存在着发展和突破的空间。如果盖板的透过选择性很高，那么可以组成盖板和黑体的组合，由于盖板可以有选择地将大部分8～13μm外辐射过滤掉，辐射体只需有高的辐射率就可以了。据报道,意大利和瑞典的科学家都有过较为成功的研究，但盖板要达到严格的光谱选择性难度较大。
辐射制冷的研究时间虽然还不长，更为理想的选择性辐射材料也在继续寻找，但辐射制冷用于被动式降温已经有了明显意义:对于没有空调的建筑物，它可以起到一定的降温作用;而对于已采用空调的建筑物则能减小供冷负荷。据文献报道,目前单位面积的辐射制冷功率可达40～50W/㎡ ,最大温差可达15 ℃左右。
2.3 降温涂料的分类
不同类型的降温涂料有着不同的降温和隔热原理，通常分为如下三种：阻隔型、反射型和辐射型[4]。
阻隔型降温涂料的工作原理是发挥涂料的高阻抗性，实现热量传递的快速衰减，从而达到隔热降温的效果。其中，硅酸盐类复合涂料是其常用的涂料之一,这种涂料生产成本不高，广泛应用于工业隔热，同时也在逐步扩展到建筑隔热领域。但由于材料本身结构存在一定的缺陷，例如干燥时间长、户外施工受外界影响因素大等，因此，这种涂料的广泛应用也受到一定限制。
选择性太阳热反射涂料的工作原理是通过高反射率涂层的作用，将太阳光反射出去，从而达到降温的目的。高反射涂层是通过将合适的基料、颜填料混合后，经历多种制作工艺来研制出来的。利用其热反射原理，使得被覆物体的内外温度得到有效降低，物体漆膜的老化速度也明显降低，使用寿命得以延长，减少设备能耗，节能效果可观。此类涂料现已用于建筑、运输、造船、石油等不同领域，市场应用前景广泛。
辐射型隔热涂料的工作原理是将物体吸收的热量以长波辐射的方式辐射到空气中,从而使得物料内外部以相同速度进行降温。其中的关键技术是制备具有高热发射率的涂料组分[5]。隔热涂料由有机树脂、功能填料、助剂、水等组成，水性单组分室温固化，通过特殊的填料和结构，该涂料可达到对太阳辐射波段的高反射率，对于涂料表面对阳光反射率能达到95.5%，从而具备良好的降温效果。相比之下，阻隔型和反射性型涂料的反射效果只有80%~90%,辐射型涂料的热反射效果更好，而且除了隔热外，还可以将物料内部热量辐射出去，这是其他两种涂料不具备的功能。此类涂料适用于内外部都需要降温的情况，如箱式变电站、室外电柜等内部有电器、外部处于太阳暴晒的。
2.4对比分析法
对比分析法的原则就是在相同的基础上，将两个指标进行对比，得出某种现象的原因、效果、强度、普遍程度等。根据分析对象的差别可以分为单指标对比和多指标对比两种类型。单指标对比做的是简单对比，多指标对比做的是综合评价。由于在使用对比分析法的过程中必须遵循可行原则，所以对比分析法的界定较为明确，也更加严格和标准。一是指标的内涵和外延可比； 二是指标的时间范围可比； 三是指标的计算方法可比； 四是总体性质可比。本文通过多指标对比的研究方式，以相同的外界条件为处理，根据不同时间段、不同位置点的综合对比分析，得出降温涂料降温效果良好的结论。
3 箱变的工作现状
箱变主要组成部分包括：低压柜（电流较高，夏季室内温度高，设备故障率较大），变压器（带高压电流，不可靠近），高压柜（电流较低，设备故障率低）。
辐射制冷技术与箱式变电站（箱式变）高度契合，具体体现在：
（1）被动降温需求
箱变在夏季有巨大的降温需求。造成箱变内部高温的原因包括：1、较高的环境温度（广西夏季平均气温24℃左右，极端气温可达36℃以上）；2、较大的内热源（主要为电气组件工作发热）；3、较高的围护结构得热（绿色钢板吸热量较大，太阳辐照热流源源不断侵入变电站内）。随着工作时间的延长，柜内温度升高，过高温度不仅会使柜内的设备元件提前老化，缩短使用寿命，还会影响组件的正常工作，甚至还会导致组件的烧毁，造成意外[6]。
（2）可靠性、安全性提升需求
当前户外箱式变由于设备安装紧凑，散热条件差等原因，箱内温度较高，特别是在夏季高温时段，箱式变压器运行条件恶劣。因此户外箱式变在设计中需要考虑箱内环境温度、通风条件和变压器的负荷系数等因素，往往要求变压器进行降容运行，因此设计的最大变压器容量不宜大于800kVA。
本文通过使用辐射制冷产品，在户外箱式变外围刷辐射制冷涂料，来降低箱变室内温度，预计在夏季用电高峰阶段降温10℃左右，从而改善设备运行条件，提高设备使用率，降低设备故障概率，保障了周围居民、企业安全可靠的用电。
4 降温测试方案及评价标准
4.1 测试方案
箱变主要热量来源于太阳的暴晒和内部电器工作产生的热量。而辐射制冷涂料正好适用于这种工况，因为它具备两种特性：一是近100%反射率，将太阳的能量反射掉；二是近100%透射率，将内部能量透射到8~13微米波长段的“大气辐射透明窗口”。在选择辐射制冷涂料过程中，应该要考虑到其安全性、实用性、简易性和推广性。安全性的要求是不含苯、甲苯、二甲苯、甲醛、游离TDI有毒重金属，无毒无刺激气味，对人体无害，不污染环境。使用性的要求是耐水（96小时无异常）、耐酸（168小时无异常）、耐碱（48小时无异常）、耐洗刷（2000次）和耐玷污（＜20）。简易性的要求是方便均匀涂在箱变外表面。推广性的要求是复制性强、方便推广。
针对以上特点，从现有的辐射制冷涂料中选择了一种符合工况要求的，并根据实践经验提出了测试方案如下：在变压室和低压室的不同位置布置测温点，在实施前测量温度情况，实施后再测量温度情况，将前后温度进行比较，体现效果。
4.2 测试目的
选取防城港供电局钟楼公变（箱式变压器），进行辐射制冷涂料的实施应用。通过试验箱变与传统箱变的温度对比，达到以下目的：
（1）通过施工前后对比试验，获取辐射制冷涂料应用于电网箱变后的降温数据，验证辐射制冷涂料的降温制冷效果；
（2）为预估标准箱变应用辐射制冷涂料后的降温效果与效益提供数据支撑。
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4.3 测试方法
采用彭云物联温湿度采集仪ZW720 24h连续采集和记录温度，采样周期3min/次。在箱变内部不同区域的对应位置分别各布置4个温度测点,在线测温仪见图1，测点布局详见（图3在线测温仪）。1号测温仪安装在侧面低压柜离顶面10CM高度的地方，2号测温仪安装在正面变压柜1/2高度的地方，3号测温仪安装在正面变压柜顶部，4号测温仪安装在正面变压器离底面10CM高度的地方。
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4.4 测试产品技术状态
（1）本次应用于箱变的辐射制冷产品主要包括：辐射制冷涂料，应用于整个箱变的所有5个外表面（除部分铭牌和安全警示标志）；
（2）反射型辐射制冷涂料应用面积统计
单个箱变辐射制冷涂料应用区域包括：屋顶约2.1m2，4个立面12.7m2。总面积约为：14.9 m2。
4.5 测试试验工况
（1）本项目采用彭云物联温湿度采集仪ZW720 24h连续采集和记录温度，采样周期3min/次。
（2）数据记录从2020年8月12日至2020年8月31共21天时间。
（3）施工过程主要有如下几点：一是箱变基面处理，包括积灰、残胶、锈渍、水泥等颗粒附着及涂层破损等的处理；二是做好遮挡保护，箱变外露的铭牌及通风口等要用美纹纸遮盖防止污染，地面铺一层遮挡防止油漆污染地面；三是涂漆操作，包括涂一道辐射制冷底漆、涂三道辐射制冷中涂、涂一道辐射制冷面漆和涂一道辐射制冷罩面漆，要注意的是下一道涂料均要等上一道涂料实干后再涂。
（4）施工日期为8月24日-27日早上九点：24号涂封闭底漆，25号涂完制冷中涂漆，26号涂完面漆，27号早上九点涂完面罩漆。
5 降温试验典型数据分析
取气候条件相近的高温天气数据进行对比如下：
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由表1可见，刷漆前23及24号，与刷漆后27-30号气候相似，因此，选8月23号及8月27号的测试数据作对比，分析辐射制冷材料的降温效果。
5.1 1号测温点
从图5可以看出，在相同气候条件和工况条件下，0：00-10:00期间，箱变1号测温点刷漆前的温度均比刷漆后的要高，而刷漆后的温度较环境温度持平，主要原因是刷漆后箱变的电器产生的热量可以通过辐射制冷材料，将箱变温度与环境温度持平；10:00-18:45期间，箱变1号测温点刷漆前的温度均比刷漆后的要高，而该时间段两者的温度较环境温度低，主要原因是辐射制冷材料有一定的降温效果，但是存在一定的局限性，无法实时将箱变温度与环境温度持平；18：45-24:00期间，箱变1号测温点刷漆前的温度与刷漆后的基本持平，但两者的温度较环境温度高，主要原因是这个时间段用电量大，箱变的电器产生的热量较大，无法将箱变温度与环境温度持平；刷漆前1号测温点最高温度45℃，刷漆后1号测温点最高温度36.7℃，最高温度下降8.3℃，其中同一时刻最大温差达10.7℃。具体温度对比见图5：
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5.2 2号测温点
从图6可以看出，在相同气候条件和工况条件下，0：00-18:13期间，箱变2号测温点刷漆前的温度均比刷漆后的要高，而两者的温度均比环境温度高，差异相对均衡，这个点位受太阳光照影响不大；18：13-24:00期间，箱变2号测温点刷漆前的温度与刷漆后的基本持平，但两者的温度较环境温度高，主要原因是这个时间段用电量大，箱变的电器产生的热量较大，无法将箱变温度与环境温度持平；刷漆前2号测温点最高温度44℃，刷漆后2号测温点最高温度39.7℃，最高温度下降4.3℃，其中同一时刻最大温差达6.9℃。具体温度对比见图6：
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5.3 3号测温点
从图7可以看出，在相同气候条件和工况条件下，0：00-8:38期间，箱变3号测温点刷漆前的温度均比刷漆后的要高，而两者的温度均比环境温度高，差异相对均衡，主要与刷漆前后箱变的电器产生的热量的降温程度有差别相关；8:38-18:25期间，箱变3号测温点刷漆前的温度均比刷漆后的要高，而该时间段两者的温度较环境温度高，主要原因是3号测温点受太阳光直射，辐射制冷材料有明显的降温效果，但是存在一定的局限性，无法实时将箱变温度与环境温度持平；18：25-24:00期间，箱变3号测温点刷漆前的温度与刷漆后的基本持平，但两者的温度较环境温度高，主要原因是这个时间段用电量大，箱变的电器产生的热量较大，无法将箱变温度与环境温度持平；刷漆前（8月23日）3号测温点最高温度59.3℃，刷漆后（8月27日）3号测温点最高温度48.6℃，最高温度下降10.7℃，其中同一时刻最大温差达11.8℃。具体温度对比见图7：
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5.4 4号测温点
从图8可以看出，在相同气候条件和工况条件下，0：00-8:23期间，箱变4号测温点刷漆前的温度与刷漆后的温度基本持平，可见这个点位这个时段箱变的电器产热量不大；8:23-15:29期间，箱变4号测温点刷漆前的温度均比刷漆后的要高，而该时间段两者的温度较环境温度高，主要原因是4号测温点受太阳光影响，辐射制冷材料有一定的降温效果，但是存在一定的局限性，无法实时将箱变温度与环境温度持平；15：29-24:00期间，箱变1号测温点刷漆前的温度与刷漆后的基本持平，但两者的温度较环境温度高，主要原因是这个时间段用电量大，箱变的电器产生的热量较大，无法将箱变温度与环境温度持平；刷漆前4号测温点最高温度40.5℃，刷漆后4号测温点最高温度37.1℃，最高温度下降3.4℃，其中同一时刻最大温差达4.5℃。具体温度对比请看下图：
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5.5 测试结论
本项目按测试方案完成辐射制冷涂料在电网领域箱变上的测试应用，获取了箱变内低压柜、变压器、高压柜在20天的24h连续对比降温数据，结论如下：
（1）降温效果显著：24h连续被动辐射制冷，大大降低箱变吸收太阳的热量，白天的温度“消峰”作用显著，全天的平均温度降低明显；低压柜温度最大降低11.8℃；
（2）安全性、可靠性提升：辐射制冷超材料技术能够有效、可靠地为箱变提供被动式降温，有效降低箱变内部工作温度，减小日温度变化，节约能耗，提高变压器过载的时间，缓减电网负荷压力，防止凝露引起爬电、闪络事故；
（3）经济性、便捷性：辐射制冷涂料的施工不需要停电施工，箱变施工过程并不影响正常使用，不影响居民、企业的正常用电，方便快捷。而且相对增加空调、冷却系统而言，投入和后期的维护成本更低，经济性好；
（3）综合效益：本项目的实施与测试，可直观验证辐射制冷技术在电网领域的应用效果，并为各类户外金属柜体的广泛应用，提供重要的工程经验和实例。
6 总结
根据以上数据分析可见，防城港供电局配网工程业主项目部QC小组研制的箱变辐射制冷涂料应用，达到并超越了最初设定的目标。在安全效益方面，让箱式变电站整体的温度降下来，减少设备故障的几率，延长设备的寿命及增加安全性；在经济效益方面，有效提高变电站内设备的运行可靠性和安全性，减少停电次数，同时延长变压器过载的时间，缓减电网负荷压力；在社会效益方面，通过本次活动，在不产生额外能耗、不引入复杂结构的前提下，使用辐射制冷涂料，使得箱变温度大幅下降，提高箱变运行的安全性和可靠性，减少区域停电、电压不稳等现象出现，更好地做好供电服务，有效提升用电客户满意度，满足人民群众的用电需求。
在今后的工作中，QC小组会一如既往，积极探索新技术，跟踪新设备更新专业知识，不断提高专业技术水平，继续更加努力学习全面质量管理知识，在工作实践中运用全面质量管理的理论解决遇到的问题，为电网和设备安全可靠运行做出更大的贡献。
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