新能源電站用美式箱變的應用及設計要點

／西安天虹電氣有限公司 鄭紹忠 丁雪豐／

新能源電站用美式箱變的應用及設計要點

／西安天虹電氣有限公司 鄭紹忠 丁雪豐／

給出了新能源電站用美式箱式變電站的組成及工作原理，從運行環境及組件的選用等方面介紹了該美式箱變的設計要點，針對實際應用中出現的問題，提出了設計及使用中具體的注意事項。

新能源電站；美式箱變；應用；設計

0 引言

太陽能和風能在能源領域中得到世界各國的高度重視。我國風力發電、光伏發電近年來發展迅速，截至2015年底，我國風電裝機容量12934萬kW，光伏裝機4318萬kW。與其配套使用的箱式變電站絕大多數為美式箱式變電站，美式箱式變電站經過多年發展，技術可靠，價格低廉，在新能源領域有著其他型式變電站無可比擬的優點。

1 組成及原理

美式箱式變電站簡稱美式箱變，是一種集成了變電、高低壓保護的預裝式箱式變電站。風力發電機或者光伏逆變器所送出的低電壓經美式箱變升壓至35kV再匯集外送。美式箱變由升壓變壓器、站用變壓器、高壓負荷開關熔斷器組、低壓斷路器、避雷器及其他保護測量設備組合而成。高壓負荷開關、高壓熔斷器、變壓器均置于油箱內，整體外形尺寸比歐式箱變小巧，成本也更加低廉。右圖為美式箱變的設計原理圖。

2 產品特點

我國新能源電站多集中在陜北、寧夏、甘肅、新疆等地區的戈壁、荒漠地區。位置偏遠，運輸不便，因此新能源電站設備的運輸及耐候性便是產品設計中要考慮的首要問題。尤其要注意在運輸過程中顛簸導致的變壓器滲油問題。

圖 美式箱變的設計原理圖

美式箱變在新能源電站中常年處于低負荷的使用狀態。風力發電受季節影響大，光伏受晝夜影響大。美式箱變的年負載率約在35%左右，夜間幾乎全部處于空載狀態，設計中應降低空載損耗。根據設計，風力發電機及光伏逆變器或者美式箱變本身可以在過載或者低載時自動控制或停止運行，加之風機與光伏組件的裝機容量都是峰值容量，在正常運行時很少達到，所以一般不會造成變壓器長時間過載運行。另外考慮到一般變壓器都具有一定的過負荷能力，因此設計時無需考慮美式箱變的長時間超負載運行。

3 應用中出現的問題

3.1 共箱干擾

大部分美式箱變在設計時都把所有高壓電器元件和變壓器共同放置在一個殼體內，采用變壓器油作為主要絕緣、散熱和滅弧介質。負荷開關熔斷器組合電器作為主要的保護電器動作時由于大電流會產生電弧，使變壓器絕緣油變質，進而污染整個油箱，降低油的絕緣性能和變壓器壽命。美式箱變是油絕緣、全封閉的變電設備，在一定時期內必須保證變壓器油不受污染，其絕緣性能不至降低到標準要求以下。

負荷開關及插入式熔斷器在空載下操作時幾乎不會引起油的炭化現象，但是在負載或者故障動作時，電弧將使得變壓器油迅速炭化變黑。多次重復后，變壓器油的絕緣性能將明顯下降，特殊情況下將造成由絕緣引起的爆箱。另外，變壓器損耗產生的高油溫，也會使其他同室設備的運行溫度升高，加快絕緣件老化，降低設備壽命和運行可靠性。

3.2 漏油問題

箱變漏油主要有焊接問題、設計時未考慮運輸狀況、密封件質量不佳、螺栓松動等幾種原因。新能源發電站往往位于荒無人煙的戈壁等地區，對設備運輸和設計無形中提出了更高的要求，2015年某光伏電站發生一起箱變爆炸事故，集電線路保護跳閘，箱體被脹成圓形。分析原因為箱變漏油，引起油位降低，高壓負荷開關使用環境為油絕緣，暴露在空中后相間絕緣距離不足，發生相間短路引起事故。

3.3 油色譜試驗不合格

主要問題是箱變密封不嚴，油中進入水氣，引起氫氣和總烴含量超標，還有的會產生放電現象。新能源電站因為占地面積大，運維人員相當不足，水平較高的人員更少，加之箱變電壓等級不高、在占地較大的廠站里分布也很分散，美式箱變的油色譜分析試驗容易被業主和運維方忽視。

4 設計要點

作者結合多年的新能源電站運維經驗，針對美式箱變在應用中出現的上述問題，對該類產品的設計做簡單介紹，并提出一些注意事項。

4.1 布局

高壓負荷開關和熔斷器組合電器的選用，使箱變中的變壓器本體與常規產品相比有了很大的不同。高壓插入式熔斷器、高壓負荷開關要浸入油箱內，面板儀表觀測、高壓負荷開關操作、低壓配電保護設備觀測等工作需要在設備帶電的情況下進行，故負荷開關熔斷器組、分接開關、插入式保護熔斷器、低壓監測保護設備及各類面板儀表等應與高壓設備分開放置。一方面要考慮實用性，另一方面也要考慮經濟性，這就要求美式箱變在高壓、低壓和變壓器各方面有一個合理的綜合規劃布局。

近幾年西安天虹電氣有限公司為國內外多個新能源電站設計制造的美式箱變經過更新和優化，認為“H+1”型 ，即高、低壓室分別位于變壓器主體兩側，負荷開關和熔斷器組位于箱變側面的總體布局較為合理。

4.2 組件選用

1）變壓器。變壓器根據設計匹配，可以選用普通升壓變壓器或者低壓雙分裂變壓器。一般采用Dyn接線方式，在設計中采用優質硅鋼片，此種變壓器具有體積小、空負載損耗小、輸出電能質量高、中性點不漂移、過電壓性能好等優點。

2）高壓負荷開關。采用油浸式負荷開關，浸于變壓器油箱內，一般與熔斷器配合使用為箱變提供保護。同時也為線路提供了開斷能力及防止故障對電網造成沖擊。

3）高壓插入式全范圍保護熔斷器。與負荷開關配合作為美式箱變的保護設備，對美式箱變提供短路保護和過流保護。

4）無勵磁分接開關。為了適應電網電壓波動以滿足電能質量的需求，無勵磁分接開關是必備器件，通常選用±2×2.5%分接，根據電網環境也可以選用更多的分接。但一般不需要選用有載調壓開關。

5）高壓避雷器。設備在運行中有時會出現操作過電壓及感應過電壓等，該電壓會對變壓器及其他相鄰元件產生不利影響甚至損壞設備。因此，在美式箱變需要安裝氧化鋅避雷器來做過電壓防護。

6）高壓電磁鎖及帶電顯示裝置。高壓室內有危險電壓，為了防止發生意外，高壓室需要設置網門以起到防止誤入帶電間隔的作用，其上裝設高壓電磁鎖及帶電顯示裝置。

7）低壓斷路器。低壓斷路器可在美式箱變就地進行分、合閘操作，可實現短路保護、電流速斷保護、接地故障保護及缺相保護等功能。

8）低壓配電屏。美式箱變一般需配置溫度計、加熱器、電流表、電壓表、浪涌保護器、電壓電流互感器等組件。現在智能變電站還需要安裝遠傳設備，對美式箱變的大部分設備相關信息進行遙測、遙信、遙控，實現智能化運維管理；為方便安裝使用及接線操作，配電盤也會引入低壓配電室。

4.3 鐵心及繞組

新能源電站用美式箱變由于空載時間長，要求空載損耗相應要低。為降低空載損耗，應采用高導磁低損耗冷軋硅鋼片，設計時把磁密控制在1.5T以下，并通過對硅鋼片剪切及疊裝工序的嚴格控制來最大限度地減小渦流損耗和磁滯損耗，對于常用的1000kVA變壓器，推薦使用長圓形結構。

美式箱變的高壓繞組宜采用分段的圓筒式結構，圓筒式繞組能較好地抵抗短路沖擊，其繞組電場分布均勻，可以最大限度地消除和抑制電壓振蕩。從而降低層間電壓，減少層間絕緣厚度，提高繞組的占空比。

4.4 引線部分

引線是變壓器器身的重要組成部分，各接點的機械及電氣連接是否完好是變壓器運行可靠性的主要表征點。由于新能源電站一般在偏遠地區，道路條件較差，在運輸過程中的的顛簸和震動都會引起引線連接的松動和虛接，嚴重的甚至會發生引線斷裂。因此繞組出頭引出位置在固定前應采用絕緣護套加強，引線各個連接處也應根據具體情況采用防松措施，引出線長度也必須留有余量或者采用軟連接。對于長度較長的高壓插入式全范圍保護熔斷器，油箱內部要事先設計支架，防止絕緣部分在運輸過程中損壞甚至斷裂。

4.5 殼體

美式箱變由于用途和成本的關系一般設計為不帶儲油柜的全密封結構，油箱上層設計20cm左右的氣隙，根據溫度計算在設定的壓力范圍內靠氣隙調解油受熱遇冷引起的體積變化。在殼體的生產制造過程中，油箱要進行氣壓試漏和變壓器整體的帶油充氣試漏，以保證變壓器殼體整體的密封性。為了強化美式箱變在戈壁等惡劣條件下的正常運行，還需考慮美式箱變殼體的耐候性，要具備抗曝曬、抗風沙、擴腐蝕等特點。第一，新能源電站由于環境原因，殼體整體密封性要求極為嚴格，全封閉、取消百葉窗、所有門柜加裝密封膠條是常規配置，以防止風沙雨水侵蝕柜體內部。門需要有接地裝置和定位鉸鏈，防止殼體變形影響整體密封性。外殼噴塑，并在生產時從工藝上嚴格要求以保證其附著力。另外，新能源電站美式箱變都要求采用防盜結構，可拆除元器件的螺栓不允許外露。為了避免設備安裝后被盜，也應選用固定的片式散熱器而不選擇可拆卸結構，這樣也可以減小設備寬度，減小占地面積。如果現場不具備條件要整體帶油運輸，散熱器部分要進行特殊加固處理，或者在下方墊置木塊以防止顛簸產生開焊。

5 結束語

新能源電站裝機容量大，一般整個電站的箱變設備都從一個廠家采購同一產品，數量少則十幾臺，多則上百臺。產品設計的先進性、產品的經濟性及節能性緊密關系到生產廠家及電站業主的經濟效益。文中提出的要點可在一定程度上避免設計、生產過程中出現的問題，使產品設計更加先進、經濟和節能。

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