高压_低压预装式变电站分类及发展趋势分析_王鹏程.pdf

67 电工电气电工电气 (2023 No.2)信息与交流王鹏程，陈利权，桂远昌(正泰电气股份有限公司，上海 201614)高压/低压预装式变电站分类及发展趋势分析0 引言高压/低压预装式变电站俗称“箱式变电站”，简称“箱式变”或“箱变”，在国内曾出现过“组合式变电站”、“组合式变压器”、“工厂组装式紧凑变电站”、“箱式高压受电单元”、“预装式紧凑变电站”等名称，国际电工委员会(IEC)于 1995 年 11 月颁布的 IEC 1330 标准中正式命名为“高压/低压预装式变电站”，现行标准 GB/T 174672020高压/低压预装式变电站 中引用“高压/低压预装式变电站”的名称，在下文中简称“预装式变电站”。预装式变电站的主要特点为：(1)在工厂内完成产品的设计与制造；(2)经过标准 GB/T 17467 规定的型式试验验证；(3)通过出厂试验验证。其基本组成分为三个功能单元，即变压器室、高压开关室、低压开关室，内部装配的关键元件(标准中定义变压器、高压开关设备、低压开关设备等为关键元件)是经过型式试验和出厂试验验证合格的，按要求相互连接、装配在一个共用的壳体或箱体中组成的预装式变电站产品，典型方案按 GB/T 17467的要求经过型式试验验证，再进行出厂试验后交付用户安装、使用，这是较为典型的预装式变电站的基本构成形式。在实际应用过程中，又将自动化装置及通信单元、视频监控系统、控制电源系统、消防系统等组合到预装式变电站中，成为其重要的组合或补充部分，以适应不同工况下对预装式变电站功能的要求。预装式变电站的主要优点为：成套性强、占地小、建站周期短、选址灵活、对环境适应性强、安装使用方便、运行安全可靠、投资少、见效快等。近年来，预装式变电站在风力、光伏发电等新能源发电和储能领域得到快速发展和广泛应用，实现电能的输送或交换。预装式变电站的应用场合：配电网中预装式变电站是通过降压方式实现电能的分配，以满足终端用户的使用要求；在发电系统中通过升压和并网，以实现电能从发电侧向电网输送。预装式变电站中配套的变压器的额定容量和电压等级是衡量其建站规模和配置状况的一个重要指标。一般情况下，如变压器的额定容量在10 000 kV A 左右、电压等级在 40.5 kV 及以下的预装式变电站，变压器与开关设备或其他设备是装配成一个整体，或分模块运输到使用现场装配成一个整体；变压器容量在 31 500 kV A 以上时，配套的开关设备和其他辅助设备安装在预装式变电站的箱体中，主变压器在户外露天安装，数量有 2 台或以上，通过相互连接最后形成完整的变电站，实现电能的输送或交换。文中从行业发展方向或产品的主要特征等方面对预装式变电站进行分类，并分析其在变电站领域中的发展趋势。1 预装式变电站常规的分类方法预装式变电站在实际应用时，其变压器的额定容量和结构特点、额定电压等级、关键元件、箱体的材料和结构形式、应用场合及主要用途等差别非常大，加上应用领域不同，行业标准和产品验证方式也各不相同，下面从不同维度或主要特征等方面对预装式变电站进行分类。1)按高压侧额定的电压等级分类按预装式变电站中高压侧额定电压等级分为：高压预装式变电站、中压预装式变电站、低压预装式变电站。高压预装式变电站高压侧的额定电压为110 kV 及以上，中压预装式变电站高压侧的额定电压为 3.6 40.5 kV，低压预装式变电站高压侧的额定电压为 1.14 kV 及以下。高压预装式变电站一般安装在靠近电力负荷中心的位置，常采用模块化制造方式与现场施工相结合的建站模式，其变压器高压侧的电压等级高、单台容量大，一次和二次配套设备较多。中压预装式高压/低压预装式变电站分类及发展趋势分析68电工电气电工电气 (2023 No.2)变电站一般用在发电系统中或配电网终端及临时用电场合，方案配置较为简单，变压器容量较小，制造相对容易。低压预装式变电站一般是将二次控制设备、辅助设备或低压开关设备等安装在内部实现特定的功能要求。2)按使用或安装环境分类按使用或安装环境分为：户内式预装式变电站、户外式预装式变电站。常说的预装式变电站一般是指户外式，另外在一些厂房或建筑内部或电力负荷容量不大的户内用电设备旁边，配套使用的预装式变电站就是户内式预装式变电站，其使用环境或防护等级与户外式预装式变电站相比较好，产品本身对环境的防护或安全要求略有降低。3)按产品的安装方式分类按产品的安装方式分为：固定式预装式变电站、移动式预装式变电站。通常意义上的预装式变电站都是固定安装在基础上的，在使用过程中，其安装位置是不变的。在一些使用场合，如矿山、油田、建筑工地、临时检修等用电场合，预装式变电站根据施工进度的推进，使用场所需要经常变动，应用的移动式预装式变电站有轮式预装式变电站和撬式预装式变电站两种，需要移动预装式变电站的供电位置时，用拖车或挂车来拖动运输便可。4)按箱体制造材料分类按预装式变电站的箱体制造所使用材料不同，可分为钢板型、非金属型、不锈钢板型、铝合金型、彩钢复合板型、金邦板式、覆镁铝锌板型、集装箱型等形式。主要特征是预装式变电站的箱体所使用的材料或结构形式不同，可以满足不同的用户或使用需求。5)按箱体外观造型或与环境匹配程度分类按预装式变电站对周围使用环境的特殊要求，又可分为普通型、景式(如箱体外表有仿中国古建筑风格、欧式建筑风格、艺术造型风格、贴风景画风格)等形式的预装式变电站，比如公园内使用的预装式变电站，其外形是一个和公园环境相适应的亭子或建筑物造型，外表搭配风景画或不同的色调装饰。6)按安装方式的不同分类按预装式变电站与基础的结合程度，可分为地上型预装式变电站、半地埋型预装式变电站、全地埋型预装式变电站。地上型预装式变电站是将整个预装式变电站安装在基础的上面。半地埋型预装式变电站是三个基本功能室中的高压开关室和低压开关室位于基础上面，而变压器室则位于下部且沉入基础之中，整个产品体积相对较小。全地埋型预装式变电站是指整个产品沉入基础之中，仅在基础上面露出检修人井孔或通风孔，这种产品非常适合于城市中心或人口稠密的核心地段，减小产品对使用环境的视觉影响并提高产品运行的安全性、可靠性。7)按功能室布置方式的不同分类预装式变电站按其三个基本功能室(高压室、低压室、变压器室)的不同排列或组合方式的不同，又可分为“目”字型预装式变电站、“品”字型预装式变电站、“H”型预装式变电站、“哑铃”型预装式变电站、“田”字型预装式变电站等。“目”字型预装式变电站就是变压器室排列在中间，两边排列的是高压室和低压室，整个布置形式看起来像“目”字的形状；“品”字型预装式变电站是三个功能室排列在一起，类似于“品”字的形状；“H”型预装式变电站就是将高压室和低压室制作成单独的箱体，将液浸式变压器的带电部位全部封闭后置于两个箱体中间，且在变压器的两侧用网状防护物进行简单的防护和隔离，改善了变压器运行时的散热条件；“哑铃”型预装式变电站实际上是一组高压开关设备、两组变压器盒低压开关设备，高压室位于箱体中间、变压器室和低压室分别位于变压器室的两侧，各功能室整体呈现出“哑铃”型的布置情况；“田”字型预装式变电站是将低压室分成两个独立的隔室(低压开关室、自动化室)，加上高压室和变压器室，整体呈现出“田”字形状的布置方式。8)按习惯称谓分类按照产品的主要特征和习惯称谓，预装式变电站分为：欧变、美变和华变。预装式变电站的关键单元(高压开关设备、低压开关设备、变压器)均是经过型式试验后定型的标准产品，初期主要是从德国等欧洲国家引进，俗称“欧变”，主要特点是关键元件相互连接组合，设计方案灵活多变，变压器容量扩展较为方便，目前在配电网和发电系统中均有较为广泛的应用。根据标准 JB/T 10217，美变就是将高压开关安装在变压器油箱中并将变压器油作为绝缘和灭弧介质，低压开关安装在低压箱体中所组成的预装式变电站，如以美国库珀(COOPER)公司为代表的 10 kV经济型预装式变电站，俗称“美变”。美变的主要高压/低压预装式变电站分类及发展趋势分析69 电工电气电工电气 (2023 No.2)特点是将高压负荷开关和变压器铁芯、线圈等浸入同一油箱中，共同以变压器油作为绝缘、灭弧和冷却介质，采用双熔断器保护，其熔丝具有电流、温度双敏特性而使变压器保护的灵敏度和可靠性大大提高。美变的主要优点是体积小、结构紧凑、简单经济；但其缺点也很明显，变压器油的绝缘性能下降较快、方案简单、灵活性不高，高压开关分断和接通产生的电弧会引起变压器油质的劣化。目前10 kV 电压等级的美变在配电网中应用非常少，已属于淘汰或限制使用产品。10 kV 美变经过改型、升级后，将电压等级升到 35 kV 并应用到新能源发电系统中，因其结构紧凑、占地面积小、制造成本低，得到越来越广泛的推广和使用。近年来风力和光伏发电等新能源系统中使用的预装式变电站，主要作用是将电能从电压等级较低的发电侧向 35 kV 高压变电站输送，变压器容量越来越大，如按“欧变”形式设计，变压器封闭安装在变压器室中，其产生的热量很难散到外部，需要另外加装风机或热交换机等设备予以解决。为此出现了一种结构较为紧凑，且液浸式变压器安装在箱体外部的预装式变电站，其主要特点是：变压器户外安装，解决了变压器的安全防护和散热等问题，且制造成本大大降低，从外观上看有点像“美变”，其本质上仍属于“欧变”，行业中刚出现时命名为“紧凑型预装式变电站”，因首次是在国内开发成功并应用于实际工程项目，后行业中俗称为“华变”，但其产品特征更符合 GB/T 40823 标准的要求。2 预装式变电站的发展趋势从下面几个不同的方面分析预装式变电站的发展趋势。1)箱体制造材料和结构形式的多样化 最直观、最明显的变化是预装式变电站箱体的结构形式呈现多样化的发展趋势，这可以从箱体的造型、颜色和材质等看出，其箱体要和周围环境相协调。如欧变一般沉入地下 1 m，地上部分不高于1.5 m，既不影响远望视线，又不致让小孩子爬上去玩耍而造成意外伤害；其使用材料为非金属材质，既环保又容易和周围环境相协调。外壳使用材料常见的有普通钢板、不锈钢板、铝合金板、彩钢复合板，多年前又出现了玻纤增强水泥板、玻纤增强塑料板、非金属材料等。另外在同一台箱体上可能有几种材质，如在普通箱体外面使用木板和琉璃瓦装饰板，在双层结构的夹层中使用可发性聚苯乙烯(EPS)、玻璃纤维、石棉、硅酸铝棉等保温隔热材料。从抗腐蚀性、抗火灾、抗故障电弧等方面看，非金属材料外壳显著优于金属材料外壳。有些预装式变电站外壳材料使用金邦板，其具有绿色环保、质量小、强度高、隔音隔热、耐水防火、耐腐蚀的特点。2)六氟化硫(SF6)充气柜的大力推广和应用40.5 kV 及以下电压等级预装式变电站，高压侧一般用空气或 SF6气体绝缘的断路器或负荷开关，有些产品中使用以变压器油为绝缘介质的负荷开关。在 12 kV 电压等级的预装式变电站中，因变压器容量一般在 1 250 kV A 以下，组合电器(负荷开关+熔断器)或负荷开关得到越来广泛的应用。当用断路器保护变压器时，切断故障线路的时间稍长，不利于对关键设备(如变压器)的保护，而组合电器中的熔断器能在 20 ms 内切除故障电流。12 kV 电压等级的负荷开关单元有：产气式负荷开关柜、真空断路器开关柜、真空负荷开关柜、SF6充气柜等。目前 SF6充气柜在预装式变电站中的应用最为普遍，在海拔高度、可靠性、安全性、体积大小及特殊应用环境的优势更为明显。3)变压器性能的提升及其通风散热12 kV 电压等级的预装式变电站中，常用的变压器有液浸式变压器、干式变压器等，其绝缘性能和空载、负载损耗值进一步优化。在高层建筑中，从变压器到开关设备，均要求用不含易燃材料、易污染的变压器油的干式变压器。变压器的通风散热原则为：自然通风为主，强迫风冷为辅。强迫风冷常用的方法是将风机安装在变压器室的顶部或箱体墙板上，向箱体外部送风，搅动室内热空气流通，有时还将风机置于变压器下部向内输送冷风，散热效果较好。4)预装式变电站内部故障电弧预装式变电站可能发生内部故障电弧，可采取的措施分为积极措施和消极措施两