10kV預裝式箱式變電站設計

摘 要： 箱式變電站是由高壓設備、變壓器、低壓設備、外殼通過電氣連接組合成的終端配電站，文章簡述了箱變高壓設備、低壓設備、變壓器及外殼的選型原則及注意事項。

關鍵詞：箱變；高壓；低壓；變壓器

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A

10kV箱式變電站可分為：歐式箱變、美式箱變、華式箱變。

美式箱變的主要特點是：高壓負荷開關和變壓器本體均油浸在油箱中。

華式箱變主要特點是：變壓器高、低壓接線端子在箱變外殼中，變壓器散熱部分裸露在外。

以下主要介紹歐式箱變即預裝式箱式變電站的設計。

10kV預裝式箱式變電站（以下簡稱箱變），是由高壓室、變壓器室、低壓室通過電氣連接組合在箱變外殼內的戶外終端配電設備。因其具有組合靈活，結構緊湊，占地面積小，安裝施工周期短，能深入負荷中心，便于運輸、遷移，運行費用低，無污染，免維護等特點，廣泛應用于工廠企業，住宅小區，城市公用，醫院，施工電源，公路隧道，鐵路沿線等。

自上世紀90年代后期，箱變逐漸成為替代常規土建變電站，配電站的理想終端配電設備。雖然習慣上把它分類：預裝式箱變、一體化箱變、緊湊式箱變、景觀式箱變、GRC箱變等，但其核心是由高壓室，變壓器室，低壓室，箱變外殼幾部分組成，文章對以上幾部分選型要點簡要介紹。

1 高壓室

高壓室一般由具有完備的“五防”聯鎖功能的10kV高壓設備組成。因箱變以緊湊小巧為特點，比較適合箱變的高壓設備為環網柜HXGN-10，XGN15-12，高壓設備內一般裝配負荷開關+熔斷器組合，隔離開關+真空斷路器組合。

1.1 HXGN-12環網柜

負荷開關+熔斷器組合安裝在環網柜HXGN-10中，一般適用630kVA及以下容量的變壓器，負荷開關+熔斷器組合目前使用較多，它能滿足大部分終端客戶要求，結構簡單，價廉物美，但它不能開斷短路電流。

負荷開關有：SF6負荷開關，壓氣式負荷開關，真空負荷開關。

當變壓器內部出現故障時，熔斷器可以在10ms內動作，切除短路故障，避免故障進一步擴大[ 1 ]。熔斷器選型見表1。

1.2 XGN15-12環網柜

隔離開關+真空斷路器組合一般安裝在環網柜XGN15-12中，適用800kVA-1600 kVA容量的變壓器。國內10kV斷路器型號眾多，常規的為ZN28-12，ZN63-12，VS1-12，還有固封極柱式的，另外，國內有些開關廠家，開發的一種集隔離開關、真空斷路器、接地開關為一體的組合電器也特別適合安裝在環網柜中。斷路器不僅能開斷、關合負荷電流，還能在微機保護控制下，切斷故障后的短路電流。微機保護可以通過接入的電壓互感器、電流互感器等測量元件的參數信號，對回路的運行狀態進行監視，控制以及保護。比如速斷保護、過電流保護、電壓保護，瓦斯、溫度保護等。

1.3 避雷器

目前多選用金屬氧化物避雷器，HY5WS-17/50，HY5WZ-17/45，前者適用于線路保護，后者適用變電站。它具有吸收各種雷電過電壓、工頻暫態過電壓、操作過電壓的能力，同時還可以吸收開關開合閘的浪涌電流，良好的密封性能、解污穢性能、機械性能和高可靠性能。

1.4 高壓計量

安裝在箱變內的高壓計量柜，一般是對額定容量315 kVA及以上變壓器。計量電流互感器一般選用LZZBJ9-10，變比參見表1，精度等級為0.5/0.2S，計量電壓互感器一般選用JDZ10-10 10/0.1 kV，精度：0.2級，容量：30VA。計量電流互感器，電壓互感器由供電公司效驗后，才能投運，所以，它們應方便拆卸和安裝。高壓計量柜表箱一般不得小于：600X500X150mm，并加鉛封鎖。

1.5 配網自動化

箱變作為配電的終端設備，將逐步實現配網自動化，智能化。目前國網招標的箱變就要求預留FTU、TTU安裝位置。它利用現代電子、通訊、網絡、計算機技術與配電設備結合，將配電正常運行和事故突發情況下的參數檢測、設備保護、控制、計量以及供電公司的企業管理結合在一起，保證用戶用電質量，協調用戶關系，達到最佳經濟效益和社會效益。

2 變壓器室

2.1 變壓器選擇

箱變內的變壓器一般選用配電變壓器。配電變壓器的長期工作負載率不宜大于85%；設置在民用建筑中的變壓器，應選用干式或非可燃液體絕緣變壓器；預裝式變電站變壓器，單臺容量不宜大于800kVA[ 2 ]；箱變內盡量選用D，yn11接線組別的三相配電變壓器[ 3 ]。油浸式變壓器有硅鋼片疊鐵芯：S11-M、S13-M，有硅鋼片卷鐵芯：S11-R、S13-R，有非晶合金：SH15-M。800 kVA及以上油浸變壓器都裝設氣體繼電器，它可以反映油箱內的一切故障，包括：油箱內三相短路、繞組匝間短路、繞組與鐵心或與外殼短路、鐵心故障、油面下降或漏油等。干式式變壓器有硅鋼片環氧樹脂澆注：SCB10、SCB11、SCB13，有非晶合金環氧樹脂澆注：SCBH15。選擇變壓器時，除滿足國家標準和規范要求，還應綜合考慮節能和價格因素，達到最佳經濟效果。

2.2 變壓器接線方式選擇

配電變壓器的連接組別主要有兩種D，yn11、Y，yn0。常用的是D，yn11[ 3 ]，它不僅有很好的防雷效果，還有效解決了中性點漂移問題，最主要的是能抑制3次諧波。

諧波對電網以及配電設備有很大的破壞性，其中3次諧波特別明顯、突出，它會對電子、通訊一類的弱電元器件以及弱電線路形成干擾，也會降低配電變壓器的工作效率，降低變壓器和配電設備的使用壽命，甚至降低供電系統的運行效率和質量。

因原邊繞組為“D”形連接，勵磁電流中的3次諧波分量，可在原邊繞組三相線圈中產生環流。每一相繞組中的勵磁電流相互疊加后，呈現尖頂波形，鐵芯中的磁通因鐵芯飽和呈現正弦波形，感應相電勢在原邊、副邊繞組中保持正弦波形，3次諧波分量被大量消除，有效抑制了3次諧波。D，yn11接線方式在抑制諧波方面比 Y，yn0接線具有很大優勢。

2.3 負荷諧波

有些工業用戶，負荷中有中頻爐、高頻爐、鹽浴爐、交流弧焊機、煉鋼電弧爐、各種電力變流設備（整流器、逆變器、變頻器）調壓裝置、大容量的電力晶閘管可控開關設備等產生諧波的設備時，最好選用過載能力強、諧波電流小、冷卻效果好的整流變壓器。如果使用普通的電力變壓器，因諧波造成的過電流、過電壓，會使變壓器內部絕緣遭到破壞，使用壽命將大大縮短。曾有用戶負荷有諧波，變壓器使用不到三年就壞了，需、供雙方還打起官司。

2.4 并列運行

按照《民用建筑電氣設計規范》的設計要求，單臺箱變變壓器容量不宜大于800kVA[ 2 ]，而有些配電工程所需容量比較大，可以采用2臺變壓器并列運行。2臺變壓器并列運行要求變壓器的電壓等級、變比、額定容量、接線方式、阻抗均相同。

2.5 變壓器與隔板距離

變壓器與箱變隔板距離越大散熱效果越好。有實驗表明：變壓器與箱變隔板距離為300mm時，散熱效果較好，比較經濟實用。所以，變壓器與與箱變隔板距離一般設計為300mm左右，如果距離太大，箱變外殼也就大，不經濟；太小，達不到散熱效果[ 4 ]。

3 低壓室

3.1 低壓開關柜

低壓室配置的低壓開關柜，主要是改進型GGD，把標準高度2200mm改為1900mm，寬度和深度一般為1200（1000、800、600）X800（600）mm。也可以用標準的MNS、GCK、GCS低壓抽出式開關柜，它們的高度均為：2200 mm，箱變高度相應增加；但是，箱變高度應控制在2500 mm以下，否則，汽車運輸時可能會超高。低壓開關柜一般由進線柜，出線柜，電容補償柜組成，為了使箱變更緊湊，還可以把進線柜和出線柜合并，設計成進出線柜。為了使低壓開關柜操作方便、安全，應避免在箱變中設計操作走廊，盡量在箱變外部操作。有操作走廊的箱變一般寬度會超過2500mm，運輸時超寬。

3.2 低壓斷路器

低壓斷路器的選用，應根據具體使用條件選擇使用類別，選擇額定工作電壓、額定電流、脫扣器（熱磁、電子）整定電流和分勵、欠壓脫扣器的電壓、電流等參數。

低壓總斷路器額定電流選擇見表1，可選擇ME（DW17）、DW15框架斷路器，DW45、□W□等智能框架斷路器。ME、DW45、□W□選用電動抽出式，均有明顯的斷開點，目前使用較多；DW15要與隔離開關配合，占用空間較大，目前使用較少。

低壓出線斷路器按照配電用、照明用、保護電動機用以及漏電保護用等不同選擇；根據控制、保護對象的相數，選擇單極、二極、三極、四極低壓斷路器。低壓出線斷路器一般連接出線電纜，出線電纜應預固定，避免電纜重量直接讓斷路器承受，使斷路器開關出現分、合閘不靈活或其他故障[ 5 ]。

3.3 低壓計量

變壓器額定容量小于315kVA的變壓器才會采用低壓總計量。低壓計量電流互感器變比參見表1，一般精度等級為：0.2S、0.5S，一般用防盜箱封在變壓器低壓端子上。低壓計量表計有單相表，有三相表，均應鉛封在不小于尺寸：600X500X150mm的表箱內，防止竊電。

3.4 電容補償柜

常規補償一般按照變壓器額定容量的20-30%，工礦企業等特殊場合可補償40-50%。普通電容補償，一般選用隔離開關，熔斷器，接觸器CJ19，熱繼電器JR36，電容器BSMJ；如果考慮一般諧波因素，可以串聯電抗器CKSG。

電抗器會抬高電容器端電壓，其計算公式：

Un（串電抗器后的電容器電壓）=U（系統電壓）/1-K（電抗率）。

例：串6%電抗率的電容器，線路電壓400V，Un=400V/1-0.06=425.5V，宜選450V電容器。

因選用的電容器額定電壓升高，其實際電容補償量會有所降低，Q=（400/450）2×Qn=0.79Qn，實際容量只有標稱容量的79%。

舉例：額定容量20 kvar，標稱電壓450V的電容器，其額定電流：

I=Qc/（1.732*Ue）=20/（1.732*0.45）=25.66A，

熔斷器電流按照電容器額定電流的1.43倍選取：

1.43*25.66=36.69A，可以選用RT18-40A；

接觸器電流按照電容器額定電流的1.3倍選取：

1.3*25.66=33.358A，可以選用CJ19-43A；

熱繼電器電流按照電容器額定電流的1.15倍選取：

1.15*25.66=29.51A，可以選用JR36-60（22-45）A，

電抗器選用CKSG-1.2/0.45-6即可。

電容器回路中的合閘涌流以及諧波電流，可以通過串接電抗器在電容器回路中加以抑制。電抗器自身的感抗與電容器的容抗部分抵消。反方向電壓降抬高了電容器的端電壓，而降低了電容器的實際有效補償量。

因此，在進行補償量的計算時，要綜合考慮系統運行線電壓、電抗率的大小和電容器的額定電壓，詳細計算，加以修正，得出正確的補償容量。假設上例共10路，其標稱總補償容量為200 kvar，實際電容補償量為0.79*200=158 kvar。

智能電力電容器是由智能測控單元、快速同期過零投切開關電路、線路保護單元、兩臺（△型）或一臺（Y型）低壓電力電容器組成。結構緊湊，接線、安裝方便快捷，已逐漸被用戶所接受。因其把元器件組裝在一起，按照產品說明書選型即可。

3.5 CCC認證資質

箱式變電站屬于10kV產品，不屬于中國質量認證中心的強制認證產品。個別地方質量技術監督局對這個理解有異議，會對箱變內低壓柜檢查CCC標志。

中國國家認證認可監督管理委員會的回復是：箱變內裝配的低壓開關柜如果是自己公司生產的，可以不具備CCC認證資質，如果是外購的，則需要具備CCC認證資質[ 6 ]。

4 外殼

4.1 箱變外殼材質

箱變外殼材質一般分為：非金屬外殼、金屬外殼。非金屬外殼以玻璃纖維增強水泥（GRC）外殼用量較大。墻板、頂蓋、門都用GRC材質的是壓鑄成型的，澆注成型的墻板、頂蓋，大門一般使用復合夾芯板材料，用鋁合金包邊。

金屬外殼一般有：不銹鋼、覆鋁鋅板、鋼板。201不銹鋼在室外，會生銹，304不銹鋼防腐效果就好些，也最常用，海邊鹽霧比較大的惡劣環境，需要用316不銹鋼。覆鋁鋅板具有優良的耐腐蝕性和耐熱性，良好的導電性和加工性，鍍層與漆膜的附著力好，使用壽命可達25年。特別要注意斷口處的防腐處理。當使用鋼板時，表面應進行噴砂處理，并噴涂優質防腐涂料；還可以熱噴鋅或達克羅處理，保證箱變外殼20年不銹蝕。

4.2 其它要求

箱變由高壓室、變壓器室、低壓室三個獨立小室組成。其內部結構可按品字形或目字型布置。箱變可采用自然通風和強制通風兩種方式，在自然通風條件下，額定負荷運行狀態下的變壓器溫升，應符合國家標準規定，達不到要求溫控儀可啟動軸流風機，強制排風。

箱變內部宜采取除濕、防爆和防凝露措施，并具有照明功能。箱體整體防護等級不低于IP33D，除變壓器室外的其他隔室對外界的防護等級不得低于IP43D。各隔室之間的防護等級不得低于IP3X。頂蓋盡量采用雙層、斜頂結構，有隔熱作用，減少日照引起的變電站室內溫度升高，并確保站頂不滲水、滴漏。箱變大門鎖盒宜采用戶外鋁合金鎖盒，所有的大門應向外開，開啟角度應大于90°，并設定位裝置。

箱變外側立面除明確標示“高壓室”、“變壓器室”、“低壓室”字樣外，還應設置明顯的安全警告標識和標志，如“有電危險”、“禁止攀登”，閃電符號。箱變外形寬度尺寸不宜超過2200mm，高度尺寸不宜超過2500mm。

5 結論

箱變高壓側設備采用負荷開關+熔斷器組合，能夠滿足大多數用戶使用要求，箱變實現配網自動化、智能化是今后的發展方向。箱變內宜選用Dyn11連接方式的變壓器。箱變低壓側設備宜選用改進型GGD開關柜。設計箱變時，特別要注意用戶負荷有無諧波，正確計算修正補償容量。正常情況下，箱變不宜超寬，超高。

參考文獻：

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[3] 中國機械工業聯合會，GB50052-2009，供配電系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[4] 張耀華，李汛.地下箱式變電站內通風換熱的模擬計算[J].科學技術與工程，2006，6（19）：24-25.

[5] 姜明珠，王慶保，彭成強，郭敬然.一種箱式變電站底部穿引電纜用密封固定裝置[P].中國專利：201520166883.3，2015，07，22.

[6] CNCA- C03-01：2014，強制性產品認證實施規則 低壓成套開關設備[S].2014.

作者簡介：

王慶保（1964-），男，工程師，從事電氣成套設計工作20年，研發中心主任，擁有實用新型國家專利4項，發明專利實質審查1項，已受理發明專利1項，實用新型2項。

1）專利號：ZL 201520126576.2

一種吊裝開關柜移動用的起吊架

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2）專利號：ZL 201520126559.9

一種風電場箱式變電站防風沙密封散熱裝置

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3）專利號：ZL 201520166883.3

一種箱式變電站底部穿引電纜用密封固定裝置

姜明珠 王慶保 彭成強 郭敬然

4）專利號：ZL 201521140456.4

一種變壓器模擬運輸試驗臺

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