一種新型的公用變電站用智能型綜合配電箱(GZPZ)的設計實現

CCIC韓國公司 劉進偉 張啟蒙

寧波天元電氣集團有限公司 吳敏

1 引言

1.1 公用電網的結構現狀淺析

直至目前，我國城市街道居民和商業的用電戶之400 V電網（包括農網）是通過10 kV送電系統進行電壓變換的，且往往是在一條線路上接有幾臺或十幾臺甚至二、三十臺容量大小不等的配電變壓器。然而，隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，居民生活和商業用電的結構和用電量也發生了根本性的變化，已經從過去單一的照明用電變為以空調、電取暖器、電熱水器、電磁灶、洗衣機、冰箱、電視機、電腦、復印機等電子設備和電炊具等家用電器為主的生活和辦公用電，這些用電設備的廣泛普及與增換等，必然使得一面在同區域的居民用電量大幅增長，促使了原區域的公用變電站容量需增大。另一面，因其感性負荷設備的大幅推廣使用，并伴隨著電力電子技術、智能控制技術和信息通信技術的發展，電力新技術（如節能節電裝置的變頻改造）、新設備的不斷涌現和廣泛使用，將大大降低供電質量:無功損耗的增加，功率因數的下降，諧波的產生，等等。這些不合格的電能輸送，翻過來就會影響到用戶用電設備的正常運行，嚴重時會造成用電設備損壞，給用戶帶來損失；也會使電動機、變壓器、電子元器件等電氣設備附加損耗和發熱，使設備溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短使用壽命，甚至遭損壞；降低供用電設備的繼電保護、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性，等等。另外，由于居民生活在作息時間、個人愛好、經濟條件等方面的差異，居民生活用電的隨機性亦越來越變幻莫測，負荷的峰谷差絕對值急劇增加。且居民用電大都為單相用電，每個居民樓之間的用電差異釀成三相用電負荷（有功功率、無功功率）的不均衡；三相用電負荷的不平衡，又造成了配電變壓器的三相不平衡運行，使中線電流增大，增加變壓器的銅損、鐵損，使變壓器的運行效率降低，影響變壓器的安全運行。因此，提高供電質量既是用戶對供電質量所提出的要求，也是供電部門對供電系統所要求的一個重要的質量指標，特別是對公用變電站的直接影響到居民生活和商業公司用電供電系統來說，加強供電質量管理，為用戶提供合格的電能是供電企業的一頂重要任務。

1.2 無功補償技術在公用變電站系統的運用現狀

無功補償技術的應用是當今解決和提高供電質量最有效途徑之一。

然而，隨著人們對供電質量的要求不斷提高，電力系統對低壓無功補償技術提出了更高的要求，對公用變電站而言，雖然無功補償技術在各地低壓配電網的公用變電站中得到廣泛的應用，但目前低壓無功補償設備還存在一些不足之處，主要有:

1)結構復雜，功率密度低。低壓無功補償設備由開關、交流無功耗開關、熱繼電器、熔絲、電容器等組成，元件眾多，需要較大空間。運行過程中，一旦故障，故障元件調換困難，不利于故障現場快速處理；容量的可調整性差，產品一旦形成，容量的調整特別是容量的增加十分困難，產品不易標準化、規范化，產品質量一致性無法保障。2)投切開關多采用機械式交流無功耗開關、機械式固態繼電器或可控硅。機械式交流無功耗開關、機械式固態繼電器響應速度較慢，在投切過程中會產生沖擊涌流，使用壽命短；可控硅投切機構則發熱量大，長期工作還產生諧波，影響電網運行。3)無功控制策略不完善。未能全面考慮電壓的平衡關系與區域的無功優化，僅以電壓、功率因素、無功電流為控制物理量。4)采集單一信號，采用三相電容器，三相共補。這種補償方式對于負載如果主要為居民和商業用戶等的單相用電設備時則不合適。因為，三相負荷很可能不平衡，導致各相無功需量也不同，采用這種補償方式會在不同程度上出現過補或欠補，同時對無功補償設備本身的工作電流、溫度及交流無功耗開關、電容器等元件狀態無法檢測，設備故障后，現場故障確診困難，對維護人員技術水準要求高，不利于故障現場快速處理。5)由于公用變電站設備的空間有限，為達總補償所需的容量，步投容量只能設置為25 kvar或以上，不適配公用變電站的用電特性，造成補償效果不達標，投切震蕩現象嚴重，極大影響補償設備的使用壽命。

2 技術設計簡介

2.1 電氣主電路方案

本技術設計的電氣主電路方案見右圖1所示。

2.2 本技術設計的機械結構

公用變電站用交流低壓智能型綜合配電箱裝置，包含相配裝的箱殼本體、電纜出線室和電纜進線室；電纜進線室內置有能與外部輸入電纜連接的進線主母排；電纜出線室內置有外部輸出電纜連接的出線母排；箱殼本體內配有無功補償裝置（模塊化智能型）、綜合控制儀表、主開關、無功補償裝置保護開關和出線保護開關；主開關的進線端與進線主母排連接，該主開關的出線端經連接母排一、連接母排二、連接母排三和連接母排四與水平母排連接，其中連接母排二與連接母排四上分別裝置了控制儀用取樣互感器及無功補償取樣互感器；保護開關室可裝置不少于2路的出線及無功補償裝置保護用的塑殼斷路器或熔斷器，配塑殼斷路器裝置的還可加裝電動操作機構、分勵脫扣裝置等；保護開關的進線母排與水平母排連接，保護開關的出線母排與出線連接母排連接，無功補償裝置用的保護開關的出線端由軟電纜接于無功補償裝置；綜合控制儀表室置于無功補償裝置的背面，可裝置綜合測控儀等儀表設備。結構詳見圖2～7。

附圖說明:圖2是正面局部剖視示意圖；圖3是圖2中A-A剖視示意圖；圖4是圖2中B-B剖視示意圖；圖5是圖3中C-C剖視示意圖；圖6是圖2的背視示意圖；圖7是圖5中K向放大視圖。圖標號說明如下:控制儀表室門板1，綜合控制儀表2，無功補償裝置主保護斷路器或熔斷器3，箱殼本體4，箱頂5，出線回路保護斷路器或熔斷器6，保護開關室門板7，主連接母排一8，絕緣子9，電纜進線室10，進線口11，進線主母排12，進線密封環13，保護斷路器或熔斷器進線母排14，無功補償取樣互感器15，主開關16，控制儀用取樣互感器17，出線口18，出線連接母排19，水平母排20，保護斷路器或熔斷器出線母排21，模塊化智能型補償裝置22，零線母排23，無功補償室門板24，固定支架25，起吊環26，主開關室門板27，電纜出線室28，主連接母排二29，主連接母排三30，主連接母排四31，接地裝置32，出線密封環33，色相標志34，保護開關室35，主開關及控制儀用取樣互感器安裝室36，控制儀表室37，無功補償室38。

3 本技術設計的基本功能

3.1 結構功能

本技術設計的結構功能是:集電能計量、測量與控制、模塊化智能動態型無功補償裝置于一體；體積小，結構緊湊，密封性能好，防護等級高，安裝簡單方便，節省費用；采用空氣自然對流散熱，散熱效果好；箱體采用全不銹鋼制作，防蝕、防銹能力強；補償容量大，最多可裝置200 kvar的補償總容量；電纜進出線接線端子直接進出箱體外，給用戶連接電纜帶來極大方便；控制及保護開關采用塑殼斷路器或熔斷器，還可加配電動操作機構與分勵脫扣裝置等；配合綜合測控儀、模塊化智能動態型無功補償裝置，可實時顯示電網所有的主要參數（三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、諧波電壓、諧波電流、有功電度、無功電度、功率因數等）和電容器的投切狀態，且具有RS232/485通訊接口，實現遠程控制的遙控、遙訊、遙測等綜合配電智能式自動化配網功能。還具體表現在:

1)外殼采用全不銹鋼材料制造，內分為以下幾室:電纜進線室、主開關及控制儀用取樣互感器安裝室、保護開關室、電纜出線室、控制儀表室及無功補償室（模塊化智能型動態型無功補償裝置）。

2)在裝置的底部和上部設有足夠數量的散熱槽孔，裝置內自下而上形成一個自然通風道，達到散熱的目的，且防護等級高，達IP44。

3)所有一次母線的接觸部位全部經過搪錫處理，以增強母線的耐腐性、減小接觸電阻。

3.2 電氣功能（性能）

因為采用了上述第2.2條的機械結構設計的至少不小于兩路出線回路保護開關的結構，因此各分路配置的保護開關的額定電流就可用較小等級的配置，這樣就增強供電的可靠性及在小過負荷電流和小短路電流狀態下的保護功能；多回路保護開關的結構還能減小所需的停電范圍，只切斷對應回路的保護開關即可。

無功補償裝置的功能有:

1)應用目前國內外最先進的無功補償技術（策略）——動態補償和靜態補償相結合的模塊化智能型無功補償裝置，模塊體積小，功率密度高，且實現采用小電容器步投（級差），而又有大的總容量補償的目的，在相同框架容積內安裝的電容量可增加30%，因此，同類體積的設備最多可滿足200 kvar補償總容量的需求。該裝置采用模塊化結構(杭州華泰電氣技術有限公司自主知識產權技術)，融合電力電子、計算機、軟件、通信、電力等眾多技術，將數據檢測、投切機構、電容器、保護、通信等所有功能元件集成在一個單元內，形成標準化模塊，結構與功能模塊化，可根據用戶不同要求自由組合，便于設備在使用現場的維護與調整。模塊分為無功補償主模塊和無功補償模塊，所有元器件均集成在無功補償主模塊和無功補償模塊內部，直接并聯組成智能無功功率補償裝置，隨時可擴展調整補償容量。內均有鋅鋁復合金屬化膜自愈式電容器，無功補償模塊有三相共補模塊和三相分補模塊兩種，單模塊最大補償容量可配置40 kvar，最小補償容量可配置10 kvar（即最大可置2路20 kvar電容器，最小可置2路5 kvar電容器。），也就是說，無功補償的每步投入（步投）容量最大為20 kvar，最小為5 kvar，是最符合公用變電站所需的小電容容量步投的要求的，有效的避免了投切震蕩現象。

2)模塊間采用總線通信和先進的智能投切裝置，包括CPU、采樣、顯示、投切、斷路器保護和自愈式低壓并聯電容器在內的所有元器件均集成在模塊內部。無功補償主模塊以無功功率為控制物理量，以用戶設定的功率因數為投切參考值，靜態補償與動態補償相結合，三相共補與分相補償相結合，穩態補償與快速跟蹤補償相結合，采集三相電壓、三相電流信號、零序電壓、零序電流、溫度及設備本身工況等數據，經過信號調理、A/D轉換，CPU根據無功功率、電壓雙重物理量控制無功功率補償，采用路由智能過零投切裝置。該模塊將可控硅與無功耗開關無縫軟連接，采用微機智能控制，實現過零投切，使模塊化智能動態無功補償裝置在接通和斷開的瞬間具有可控硅（動態補償）的優點，而在投入工作時又具有無功耗開關無功耗的優點，其實現方法是:投入時是在電壓過零瞬間可控硅先過零觸發，穩定后再將無功耗開關吸合導通，然后再斷開可控硅開關；而切除時是先將可控硅投入，無功耗開關再斷開，可控硅再過零斷開，從而實現電流過零切除。由于是可控硅過零投切，因此無涌流沖擊，無觸點；延時后由無功耗開關吸合、導通，不會產生諧波，并且導通后采用無功耗開關工作，無功耗開關的接觸電阻小，模塊化智能動態無功補償裝置平時不耗電，因而不發熱，徹底避免了可控硅的燒毀現象，無功耗開關投切時不產生電弧，因而大大增長了設備的使用壽命（投切次數大于100萬次成為事實）。同時也對同機運行的其它電器不造成危害，真正達到了節能降耗的目的，無合閘涌流沖擊、無操作過電壓、無電弧重燃、無諧波危害。三相共補模塊和三相分補模塊既可單獨使用，也可混合使用，可組成三相共補裝置、三相分補裝置和三相共補、分補混和補償裝置。

3)采用容量智能識別技術。無功補償主模塊能自動識別補償模塊容量，在線跟蹤裝置中無功的變化，并對電壓智能控制，以無功功率為投切門限值，依據模糊控制理論，根據配電裝置三相中每一相無功功率的大小智能選擇電容器組合，依據“取平補齊”的原則投入電網，實現電容器投切的智能控制，自動及時地補償無功功率容量（可設置投切延時，延時時間可調<1s～100s>，既可支持快速跟蹤無功補償，也可支持穩態補償，也可手動控制。），絕不產生投切震蕩現象，同時可對自身故障進行自診斷，通過顯示屏和通信口直接顯示、輸出故障及其故障類型，利于現場故障查找和確診。

1)集散式控制，看門狗、不死鳥軟件，硬件防死機設計，保證微處理器的可靠運行。

2)有數據存儲，斷電記憶功能。用戶可根據現場使用情況設定各種補償參數及告警門限，可保存、查詢故障內容，發生故障時發出告警信息并有聲音提示。

3)通信。充分地考慮設備的可持續性使用，完善的“四遙”功能，采用標準的RS232、RS485通訊接口，可對無功補償裝置進行遠程監控，也可根據用戶特殊要求配置Modem、現場總線、紅外、藍牙等無線數據傳輸。與配網自動化裝置有機結合。

4)主動保護系統。每個模塊都帶防雷保護器及CPU，自動檢測、控制、保護模塊，對模塊自身工況實時檢測，通過顯示屏或通信口可直接顯示,可隨時了解模塊工作狀態;因此可對過壓、過流、欠壓、過溫、缺相等所有故障進行主動保護，故障解除后，模塊自動重新投入運行。有效延長模塊壽命并減少售后服務。

5)顯示及實時檢測功能。可實時顯示電網三相電壓、三相電流、三相功率因數、頻率、設備總補償容量、已投入補償容量、CT變比、溫度等。

6)每個模塊均配置高分斷熔斷器或快速斷路器，超過額定電流時在10 ms內迅速斷開，避免總開關跳閘。

7)三相共補模塊和三相分補模塊外形一致，可組成標準化裝置，更換、擴容便捷。

8)電容器采用微晶蠟作為浸漬劑，為無油環保產品，并采用新型噴金工藝和獨特的金屬化膜邊緣加厚技術，溫升低，耗能低；內置自放電電阻和防爆裝置，安全可靠。

4 無功補償容量配置

無功補償容量配置見下表1。

5 公用變電站諧波的特性與處理

公用變電站上的用戶諧波源設備與企業單位的諧波源設備是不一樣的，因為公用變電站有多而雜的特性和設備投運的隨意性，如果其有諧波注入電網的話，其諧波次數、諧波量、諧波電流、諧波電壓和波動性能很有可能是時常變化的，而企業單位的諧波源設備形成后是一般不變的，所產生的諧波次數也是不變的，所以，公用變電站如配置無源濾波裝置，會因產生消諧電抗器（或叫單調諧濾波器）與注入電網的諧波特征不匹配，造成濾波效果不佳或反而放大諧波或產生很大噪音，這也是不符合城市環境要求。而且，由于公用變電站系統電網設備安裝的特殊性，如要在公用變電站系統電網設備上增加濾波功能，需增大一定量的設備容積，且按目前的濾波技術水平，一般只能采用無源濾波設備。因此，在公用變電站系統電網用的配電設備上不適合設置消諧濾波裝置的。但是，對諧波的處理方式可有以下幾種:

1)目前公用變電站用變壓器已基本推薦采用D，yn11接線組別的配電變壓器，并使用中性線（N）的截面積等于相線截面積的電纜。因為D，yn11接線組別的配電變壓器能基本抑制3倍次諧波注入電網；增大了中性線截面積可避免因導線過載發熱而損壞，增大過載承受能力。

2)按公用變電站系統用電設備的特征:雖然存在大量的諧波源設備，但是因其一般的容量偏小，且安裝于同一位置（以家庭或樓層或街弄為單位）的諧波源設備的生產廠家、特性等都是不盡相同的，因此，能充分利用諧波的相互補償作用降低電網的部分諧波含量。本公司通過對大量的公用變電站系統電網的諧波測量及對多臺公用變電站用智能型綜合配電箱的三年試運行狀況分析，結論是:公用變電站系統電網的諧波對低壓電網的注入沖擊是很小的。當然，也有存在特殊諧波源設備的可能，如某公司安裝什么大型變頻設備等。當存在這種情況時，供電部門就必須責成用戶進行設備就地濾波后方可投運設備，因為用戶的設備諧波超標供電部門是要對其考核并處罰的。

表1 無功補償容量配置表

6 本技術設計的安裝方式

本技術設計的安裝方式見圖8，實際安裝例見圖9。

7 本技術設計實施的效果

本技術設計于2008年12月設計完成后，至今已實施了以下效果:

1)于2009年2月份首臺設備上象山電網試運行，獲得的各項運行參數全部符合設計要求，并取得象山局及寧波市局等總訂單120臺，合計新創產值276萬元。

2)于2009年5月份申請3C的國家強制性認證，并在浙江方圓檢測集團股份有限公司通過全部型式試驗項目（詳見報告編號為C-026-090119310023的試驗報告）和獲取3C證書（證書號為2010010301412007）。

3)于2010年5月份取得國家實用新型專利（專利證書號為ZL200920191526.7）。

4)于2011年7月份取得國家發明專利（專利證書號為ZL200910101595.9）。

5)應用實例效果數據測試。

以寧波市象山縣塔山路上衛生局門口的一臺400 kVA公用變電站為例，2009年11月經改造采用本技術設計的GZPZ公用變電站用智能型綜合配電箱裝置（原為只裝設板式閘刀開關箱），主要用戶為:象山縣衛生局及其周圍的沿街商店（小商場）、小型公司（如房產中介等）、路燈及部分金秋小區沿街居民的用電等，2010年7月12日的運行記錄如下表:

8 經濟效益

本技術設計的實施能產生以下的社會效益和企業的經濟效益:

1)改善供電線路及用電設備功率因數，能從0.7以下的改善至0.92（保守數據）以上。功率因數降損率達:δP%＝[1－(cosφ1/cosφ2)2]×100%=[1－(0.7/0.92)2]×100%＝42%。

2)提高供電電壓質量，能使偏低的用電電壓恢復至正常標準電壓（三相380V，單相220V），提高約10%。電壓的降損率:δp%＝[1－1/(1+α/100)2]×100%＝(1－1/1.12)×100%＝17.35%。

3)降低線路電能損耗，增加公用變電站的使用效率。線損率總降低率約為59%左右，也就是線損率可降低(10%×59%)=5.9%。以400kVA變壓器為例，年可少損失電量140kW(平均負荷)×24小時×30天×12月×5.9%＝7.1萬kW·h，電價按0.50元/kW·h計算，折合電費7.1×0.50＝3.55萬元。功率因數由0.70提高到0.92，即可提高變壓器出力22%，公用變電站設備總投資按20萬元計算，可減少投資4.4萬元，按設備使用年限15年計算，每年減小投資0.3萬元。本技術設計安裝總投資2.5萬元，根據以上測算，8個月內便可回收投資。年降損效益總計大于3.85萬元。目前，市場總容量尚難以準確估算，就收集到的數據顯示:目前全國公用變電站約有2000萬臺，其中大中型城市及沿海城市的數量約占60%。

天氣:晴 最高溫度33℃

4)更合理的適應和滿足現代和發展需要的城鄉居民的生活用電的需要,并確保用電的可靠性。線路末端電壓明顯提高，用戶電壓質量明顯改善，消除了高峰時無法用電的現象，其社會效益更不容忽視。

5)按目前市場行情，本技術設計的成本約是當前其它同類的市供設備(無功補償結構為可控硅投切機構的)的85%，可為社會及供電部門年節省設備投入費用:500臺（年產量）×｛2.5（市場價）/0.85－2.5｝(萬元)=220.6萬元；

6)企業效益:可為公司年創產值:500臺（年產量）×2.5（市場價）萬元=1250萬元；可為公司年創稅利:1250萬元×25%=312.5萬元。

9 結束語

本公用變電站用交流低壓智能型綜合配電箱裝置是集電能計量、測量與控制、模塊化智能型動態型無功補償裝置于一體；整體結構具有體積小，結構緊湊，密封性能好，防護等級高，安裝簡單方便等特點。

外體采用全不銹鋼材料制造, 防蝕、防銹能力強，散熱方式采取空氣自然對流的結構形式，散熱效果好；內分為電纜進線室、主開關及控制儀用取樣互感器安裝室、保護開關室、電纜出線室、控制儀表室及無功補償室。主開關具有明顯斷口點；控制及保護開關采用至少不小于兩路出線回路的塑殼斷路器或熔斷器，具有小過負荷電流和小短路電流狀態下的保護功能，及減小所需的停電范圍等功能；綜合測控儀、模塊化智能型動態型無功補償裝置，可實時顯示電網所有的主要參數（三相電壓、電流、諧波電壓、諧波電流、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度、功率因數等）和電容器的投切狀態，且具有RS232/485通訊接口，實現遠程控制的遙控、遙訊、遙測等綜合配電智能式自動化配網功能；電纜進出線接線端子直接進出箱體外，給用戶連接電纜帶來極大方便；無功補償應用目前國內外最先進的無功補償技術（策略）——動態補償和靜態補償相結合的模塊化智能型補償裝置，模塊體積小，功率密度高，且實現采用小電容器步投，而又有大的總容量補償的目的，在相同框架容積內安裝的電容量可增加30%，同類體積的設備最多可滿足200 kvar補償總容量的需求；在無功補償控制機理上融合了電力電子、計算機、軟件、通信、電力等眾多技術，將數據檢測、投切機構、電容器、保護、通信等所有功能元件集成在一個單元內，形成標準化模塊，模塊分為無功補償主模塊和無功補償模塊，所有元器件包括CPU、采樣、顯示、投切、斷路器保護和自愈式低壓并聯電容器在內的所有元器件均集成在無功補償主模塊和無功補償模塊內部，直接并聯組成智能無功功率補償裝置，隨時可擴展調整補償容量；模塊間采用總線通信和先進的智能投切裝置，無功補償主模塊以無功功率為控制物理量，以用戶設定的功率因數為投切參考值，靜態補償與動態補償相結合，三相共補與分相補償相結合，穩態補償與快速跟蹤補償相結合，采集三相電壓、三相電流信號、零序電壓、零序電流、溫度及設備本身工況等數據，經過信號調理、A/D轉換，CPU根據無功功率、電壓雙重物理量控制無功功率補償，采用路由智能過零投切裝置，該裝置將可控硅與無功耗開關無縫軟連接，采用微機智能控制，實現過零投切，在接通和斷開的瞬間具有可控硅（動態補償）的優點，而在投入工作時又具有無功耗開關無功耗的優點，投入時是在電壓過零瞬間可控硅先過零觸發，穩定后再將無功耗開關吸合導通，然后再斷開可控硅開關，切除時是先將可控硅投入，無功耗開關再斷開，可控硅再過零斷開，從而實現電流過零切除，由于是可控硅過零投切，因此無涌流沖擊，無觸點，延時后由無功耗開關吸合、導通，并且導通后采用無功耗開關工作，無功耗開關的接觸電阻小，模塊化智能動態無功補償裝置平時不耗電，因而設備不發熱、不耗電、不產生諧波，徹底避免了可控硅的燒毀現象，增長了設備的使用壽命（投切次數大于100萬次），同時也對同機運行的其它電器不造成危害，真正達到了節能降耗的目的，無合閘涌流沖擊、無操作過電壓、無電弧重燃、無諧波危害。

所以，本公用變電站用交流低壓智能型綜合配電箱是目前我國城市街道居民和商業的用電戶及農村電網等公用變電站中低壓配電設備中最理想、最優良的新產品，提高電網供電質量、節能降耗效果顯著。可以預見，公用變電站用交流低壓智能型綜合配電箱以其高性能、多功能、節能降耗等各項優異的性能適應國家電網建設的要求，為國家電網事業走上優質、低碳、節能降耗之路，必將做出巨大的貢獻。

[1]WMRC07模塊化智能動態無功補償裝置技術選型手冊.杭州華泰電氣技術有限公司.

[2]逢京.陸東.張寶華.談體育場館低壓配電系統的諧波治理.國際低壓電器技術,2010-5.