淺談高壓/低壓預(yù)裝式變電站

海南金盤電氣有限公司 王富成

淺談高壓/低壓預(yù)裝式變電站

海南金盤電氣有限公司 王富成

1 概述

由高壓配電裝置、電力變壓器、低壓配電裝置等組合在一個(gè)或幾個(gè)箱體內(nèi)而構(gòu)成的緊湊型成套配電裝置稱之為高壓/低壓預(yù)裝式變電站，又稱歐式箱變，簡(jiǎn)稱箱變。箱變將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電等功能有機(jī)地組合在一起，具有成套性強(qiáng)、體積小、占地少、能伸入負(fù)荷中心、提高供電質(zhì)量、減少損耗、送電周期短、選址靈活、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝使用方便、運(yùn)行安全可靠及投資少見效快等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于工廠、油田、港口、機(jī)場(chǎng)、施工工地、道路、城市公共設(shè)施、住宅區(qū)、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)等場(chǎng)所在戶外或戶內(nèi)使用。國(guó)外在20世紀(jì)60年代和70年代大量生產(chǎn)和使用箱變，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，在歐洲箱變已占配電變壓器的70%左右，在美國(guó)箱變產(chǎn)量占配電變壓器產(chǎn)量的90%以上。我國(guó)自20世紀(jì)70年代后期引進(jìn)歐式箱變，90年代引進(jìn)美式箱變（又稱組合式變壓器）,盡管經(jīng)過最近幾年的快速發(fā)展，箱變所占比例仍遠(yuǎn)低于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家水平，因此箱變的發(fā)展空間很大。

2 高壓配電裝置

由高壓開關(guān)設(shè)備、熔斷器、聯(lián)接母線、套管、避雷器、無功補(bǔ)償裝置、控制或測(cè)量裝置及保護(hù)裝置等組成的高壓受電設(shè)備稱之為高壓配電裝置。高壓配電裝置有多種接線方式，常用的高壓接線方式有：終端型、環(huán)網(wǎng)型和雙電源型。終端型即“一進(jìn)一出”，一路電源進(jìn)線，一路出線到本箱變的變壓器；環(huán)網(wǎng)型即“一進(jìn)二出”，一路電源進(jìn)線，一路出線到本箱變的變壓器，另一路出線到另一臺(tái)變壓器或其他用電設(shè)備；雙電源型即“兩進(jìn)一出”，兩路電源進(jìn)線，一路出線到本箱變的變壓器，雙電源的兩路電源進(jìn)線一般采用電氣和機(jī)械聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)“一用一備” ，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，由備用電源供電。如下圖1：

目前歐式箱變高壓側(cè)常用柜型為環(huán)網(wǎng)柜，國(guó)產(chǎn)為HXGN、XGN等，進(jìn)口柜型多為SF6全密封全絕緣環(huán)網(wǎng)柜，如施耐德電氣的SM6和RM6、ABB公司的SafeRing和SafePlus、西門子公司的8DJ和8DH、F&G公司的GA和GAE等。環(huán)網(wǎng)柜所采用的高壓開關(guān)為負(fù)荷開關(guān)，負(fù)荷開關(guān)按其滅弧原理主要有壓氣式、六氟化硫、真空三大類，其開斷轉(zhuǎn)移電流的能力依次增強(qiáng)，價(jià)格也相應(yīng)逐步增高。根據(jù)所能開斷的轉(zhuǎn)移電流大小，一般變壓器容量在800kVA及以下采用壓氣式負(fù)荷開關(guān)，變壓器容量在800kVA以上采用六氟化硫或真空負(fù)荷開關(guān)。負(fù)荷開關(guān)額定電流值的選擇是根據(jù)系統(tǒng)通過的電流值來確定的，而不是由變壓器高壓側(cè)的額定電流來確定的。負(fù)荷開關(guān)的短時(shí)耐受電流根據(jù)箱變安裝位置的短路容量來確定，同時(shí)要校驗(yàn)其動(dòng)穩(wěn)定性。一般負(fù)荷開關(guān)的短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流都能達(dá)到20kA和50kA，都能滿足常規(guī)配電系統(tǒng)的要求。

環(huán)網(wǎng)柜做為高壓受電設(shè)備和歐式箱變變壓器的保護(hù)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，既經(jīng)濟(jì)又適用。高壓配電裝置采用環(huán)網(wǎng)柜的歐式箱變，其變壓器保護(hù)采用的是負(fù)荷開關(guān)和熔斷器組合電器。負(fù)荷開關(guān)和熔斷器組合電器是由負(fù)荷開關(guān)來承擔(dān)過載電流(在負(fù)荷開關(guān)額定開斷電流的范圍內(nèi))和正常工作電流的關(guān)合和開斷，同時(shí)負(fù)荷開關(guān)還要承擔(dān)轉(zhuǎn)移電流的開斷；而變壓器高壓側(cè)的短路保護(hù)和過載保護(hù)由高壓限流熔斷器來承擔(dān)。負(fù)荷開關(guān)和三個(gè)帶觸發(fā)器的熔斷器，只要任何一個(gè)觸發(fā)器動(dòng)作，其聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)使負(fù)荷開關(guān)三相同時(shí)自動(dòng)分閘，兩者有機(jī)的結(jié)合起來，可滿足配電系統(tǒng)在正常和故障條件下對(duì)配電變壓器的保護(hù)。

負(fù)荷開關(guān)和熔斷器組合電器中的高壓限流熔斷器一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保護(hù)可靠，投資較省的保護(hù)電器。對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)中的變壓器保護(hù)，主要采用后備式熔斷器。高壓限流熔斷器根據(jù)其額定電壓、額定電流、切斷能力和保護(hù)的選擇性進(jìn)行配置。對(duì)于一般的高壓熔斷器，其額定電壓應(yīng)大于或等于電網(wǎng)的額定電壓；但對(duì)于填充石英沙的限流熔斷器則不能用于額定電壓高于或低于其本身額定電壓的電網(wǎng)中，只能用在與之額定電壓相等的電網(wǎng)中。熔斷器額定電流的選擇按變壓器回路最大工作電流的1.5～2.0倍來考慮，同時(shí)要使熔體通過變壓器勵(lì)磁涌流和保護(hù)范圍以外的短路及電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)等沖擊電流時(shí)不誤動(dòng)作；選擇時(shí)可參考熔斷器廠家給出的安秒特性曲線，一般廠家也都給出了常規(guī)容量變壓器相對(duì)應(yīng)的熔斷器選用表。熔斷器的安裝也要考慮環(huán)境的影響，常見的一種安裝方式是把熔斷器安裝在一個(gè)三相封閉的箱體中,這時(shí)熔斷器額定電流必須減少15%使用；另一種安裝方式是把熔斷器單支的封閉在一個(gè)絕緣樹脂澆注的筒內(nèi)，在這種情況下，熔斷器額定電流應(yīng)降低25%使用才能保證不使熔斷器過熱而損壞。

部分地區(qū)供電公司要求箱變內(nèi)的變壓器采用斷路器保護(hù)，其主要目的是為了防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大到上一級(jí)，進(jìn)而影響到整個(gè)供電系統(tǒng)。箱變內(nèi)可采用的斷路器有真空斷路器和SF6斷路器，真空斷路器又有正裝式、側(cè)裝式和固定式、抽屜式等多種分類，SF6斷路器多為側(cè)裝式。體積小適合在箱變內(nèi)使用的斷路器柜型為小型化XGN固定柜，這種柜型可在固定式斷路器上下裝配隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)和斷路器的機(jī)械聯(lián)鎖，滿足“五防”要求。采用斷路器保護(hù)變壓器可實(shí)現(xiàn)過流延時(shí)、短路速斷、溫度保護(hù)等功能，同時(shí)在保護(hù)元器件的選用上可采用常規(guī)繼電器或采用成熟的微機(jī)保護(hù)裝置。

圖1

在歐式箱變的實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中，對(duì)于是采用負(fù)荷開關(guān)和熔斷器的組合電器還是采用真空斷路器來保護(hù)配電變壓器，有許多不同的看法。筆者認(rèn)為，對(duì)于開關(guān)電器，合、分負(fù)荷電流是經(jīng)常發(fā)生的，而開斷短路電流卻極少發(fā)生，斷路器參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均按條件最苛刻但卻又極少發(fā)生的短路保護(hù)的要求進(jìn)行，因而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、選材嚴(yán)格、造價(jià)較高。而負(fù)荷開關(guān)和熔斷器的組合電器，把對(duì)電器要求不相同的操作與保護(hù)兩種功能分別由兩種簡(jiǎn)單、便宜的元件來實(shí)現(xiàn)，即用負(fù)荷開關(guān)來完成大量發(fā)生的負(fù)荷電流的分、合操作，而用高壓限流熔斷器來發(fā)揮對(duì)極少發(fā)生的短路起保護(hù)作用，很好地解決了矛盾。這樣，既可省去對(duì)復(fù)雜、昂貴的斷路器的嚴(yán)格要求，又可滿足實(shí)際的需要。同時(shí)在開斷空載變壓器的性能方面，斷路器開斷空載變壓器可能產(chǎn)生較高的截流過電壓，而負(fù)荷開關(guān)不存在這個(gè)問題。另外，對(duì)于保護(hù)配電變壓器，采用負(fù)荷開關(guān)和熔斷器組合電器較斷路器更為有效。短路試驗(yàn)證明，當(dāng)油浸變壓器發(fā)生短路時(shí)，為使油箱不發(fā)生爆炸，必須在20ms內(nèi)切除故障，限流熔斷器具有速斷功能，再加上其限流作用，可在10ms內(nèi)切除故障并限制短路電流值，能夠有效地保護(hù)變壓器。而斷路器的全開斷時(shí)間由三部分組成，繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間+斷路器固有動(dòng)作時(shí)間+燃弧時(shí)間，一般需要60ms，因而不能有效地保護(hù)變壓器。即使是干式變壓器，因熔斷器的保護(hù)動(dòng)作快，也比采用斷路器好。

3 電力變壓器

電力變壓器是利用電磁感應(yīng)原理，把一種電壓、電流的交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率相同的另一種電壓、電流的交流電能的電氣設(shè)備。電力變壓器按用途分為升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器和專用變壓器；按相數(shù)分為單相和三相變壓器；按冷卻介質(zhì)分為油浸式、干式和充氣式變壓器；按調(diào)壓方式分為無勵(lì)磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓變壓器等；按繞組導(dǎo)體材質(zhì)分為銅繞組和鋁繞組兩種；按冷卻方式又分為自冷式、風(fēng)冷式和水冷式。

歐式箱變變壓器室內(nèi)配裝的電力變壓器可選用干式變壓器，也可選用油浸式變壓器（多為全密封油浸式變壓器）。干式變壓器又分樹脂澆注式（SCB9或SCB10型）和非包封線圈式（SGB10或SGB11型），全密封油浸式變壓器（S9-M或S11-M型）又分普通型和卷鐵芯型。隨著技術(shù)的日益成熟和節(jié)能意識(shí)的逐步增強(qiáng)，歐式箱變內(nèi)的變壓器也多選用低損耗、低噪音的高端產(chǎn)品。

歐式箱變變壓器室內(nèi)配裝的電力變壓器鐵芯材料多采用高導(dǎo)磁晶粒取向硅鋼片，也可采用非晶合金；鐵芯結(jié)構(gòu)多采用疊片式或卷鐵芯式，也可采用三維立體式卷鐵芯結(jié)構(gòu)；高壓線圈材料可采用扁銅線或漆包線，低壓線圈材料多采用銅箔。常規(guī)采用的變壓器聯(lián)結(jié)組別宜用Dyn11，因?yàn)樵厼镈聯(lián)結(jié)，零序電流及三次諧波可在D環(huán)內(nèi)流通，不會(huì)引起輸出電壓的畸變以及由于三相負(fù)載不平衡而引起的中性點(diǎn)漂移。

4 低壓配電裝置

由低壓開關(guān)設(shè)備、熔斷器、低壓母線和分支母線、避雷器、無功補(bǔ)償裝置、絕緣支持件及控制、測(cè)量裝置等組成的低壓配電設(shè)備稱之為低壓配電裝置。低壓配電裝置內(nèi)主要配裝低壓開關(guān)電器，低壓開關(guān)電器又分為配電電器和控制電器兩大類。低壓配電電器主要用于低壓配電電路，對(duì)電路和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)以及通斷、轉(zhuǎn)換電源或負(fù)載的電器；低壓控制電器主要用于低壓電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)與保護(hù)。低壓配電電器主要有自動(dòng)開關(guān)（智能型萬能式框架斷路器和塑殼斷路器）、刀開關(guān)、接觸器、熔斷器等。當(dāng)配電電路正常工作時(shí)，它們起通斷和轉(zhuǎn)換電源或負(fù)載的作用。當(dāng)配電系統(tǒng)故障（如過載、短路、欠壓、失壓、斷相等）時(shí)，配電電器應(yīng)起保護(hù)作用。當(dāng)支路設(shè)備需要檢修時(shí)，配電電器應(yīng)起隔離作用，使該支路脫離電源，作檢修隔離的開關(guān)電器應(yīng)有肉眼可見的明顯斷口以可靠地保證安全。低壓配電裝置配置開關(guān)電器的原則是：在每一條支路的電源側(cè)配置一組開關(guān)電器，這組開關(guān)電器應(yīng)具備正常時(shí)可分合操作、事故時(shí)自動(dòng)切斷電路、檢修隔離這三種功能。

變壓器低壓側(cè)主斷路器一般選用智能型萬能式框架斷路器，出線開關(guān)一般選用塑殼斷路器。智能型萬能式斷路器可以實(shí)現(xiàn)過載、欠壓、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)、接地等多種故障保護(hù)。智能型萬能式斷路器額定電流值是根據(jù)變壓器低壓側(cè)的額定電流來選取的。出線開關(guān)的額定電流和出線回路數(shù)是根據(jù)用戶負(fù)載情況而定，一般出線回路數(shù)為4～8路。如下圖：QF應(yīng)選擇智能型萬能式框架斷路器，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)三段保護(hù)，如果需要可增加接地故障保護(hù)。QF額定電流選擇略大于變壓器低壓側(cè)額定電流即可。QF1、QF2、QF3、QF4為出線回路，選用塑殼斷路器，電流為200～630A（根據(jù)實(shí)際用電負(fù)荷情況而定）。QS、QS1、QS2為隔離開關(guān)，主要起隔離檢修時(shí)提供明顯斷口的作用。如果在TA4下方出現(xiàn)短路故障，只有靠近它的QF4塑殼斷路器動(dòng)作，而QF不會(huì)動(dòng)作，保證了QF1、QF2、QF3正常供電，這就是斷路器的選擇性保護(hù)。

低壓配電裝置包括低壓無功功率補(bǔ)償裝置。無功功率補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境，所以無功功率補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)中非常重要。電網(wǎng)功率因數(shù)低是由于大量使用感性負(fù)載造成的，提高功率因數(shù)的方法是：在用戶進(jìn)線處或用戶負(fù)載處并聯(lián)電容器集中就地補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)娜萘渴亲儔浩魅萘康?0%～30%。 無功功率補(bǔ)償裝置根據(jù)補(bǔ)償方式分為靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。靜態(tài)補(bǔ)償方式依靠傳統(tǒng)的接觸器的動(dòng)作來投切電容器，用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制涌流作用，如CJ19、CJX等，接觸器采用延時(shí)投切，其目的在于防止接觸器過于頻繁的動(dòng)作時(shí)，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導(dǎo)致供電系統(tǒng)振蕩。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式采作晶閘管投切電容器，晶閘管采用瞬時(shí)投切方式，可實(shí)現(xiàn)電壓過零觸發(fā)，投入無浪涌電流，分?jǐn)鄷r(shí)不產(chǎn)生高電壓，無觸點(diǎn)、無火花、無諧波干擾。兩種投切方式各有優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇，靜態(tài)補(bǔ)償價(jià)格便宜、安裝方便、性能較差；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無觸點(diǎn)投切性能好，但價(jià)格較貴。

5 箱殼

歐式箱變殼體的材料可以是金屬、非金屬或者兩者的結(jié)合，并能耐受一定的機(jī)械力的作用。非金屬外殼應(yīng)選用耐老化阻燃材料，金屬外殼的金屬材料應(yīng)經(jīng)過防腐處理，表面覆蓋層應(yīng)有牢固的附著力，并應(yīng)均勻一致。目前市場(chǎng)上較多采用的箱殼材料有：鋼板、雙面彩鋼夾芯復(fù)合板（復(fù)合板）、非金屬玻纖水泥。復(fù)合板是在兩層彩鋼板之間夾有阻燃自熄聚苯乙烯泡沫，這種結(jié)構(gòu)能有效阻止室外熱量進(jìn)入，且有較好的吸音效果；室內(nèi)溫度受室外大氣溫度影響小，室內(nèi)溫度驟變小，不易產(chǎn)生凝露，具有輕質(zhì)、隔熱、保溫、隔音、防水、防火性能。非金屬外殼采用增強(qiáng)玻纖和特種水泥預(yù)制合成作為殼體材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊性能好、不易導(dǎo)熱、防火阻燃、防腐蝕、造型美觀和使用壽命長(zhǎng)等特性。

6 結(jié)語

隨著高低壓開關(guān)技術(shù)的不斷更新，新材料、新技術(shù)的不斷應(yīng)用和成本的不斷降低，歐式箱變將朝著更加小型化、美觀化、智能化方向發(fā)展。同時(shí)，隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市配電網(wǎng)的不斷更新改造，歐式箱變將得到更大的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。