高壓/低壓預裝式變電站節能影響因素的研究

王建全，劉琦，孔繁婷，陳健，付寶鑫

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300000）

高壓/低壓預裝式變電站（簡稱“箱變”或“箱式變電站”）廣泛應用于城鄉配電網，如城市高層建筑、居民小區、市政設施、工廠、礦山、油田等場所，屬于持續消耗電能的設備，箱式變電站是一種將高壓開關設備、配電變壓器和低壓開關設備、低壓補償按一定接線方式組成一體的配電終端設備。它將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電補償等功能有機地組合在一起。隨著電力需求的不斷增加以及電網的擴容建設，它的裝機容量也在不斷地增加。兩會政府工作報告中，碳達峰、碳中和兩個概念首次進入大眾的視野。報告中指出，2030年前我國力爭實現碳達峰，2060年前實現碳中和，這是黨中央經過深思熟慮后作出的重大戰略決策。由此可見，國家對節能減排的重視，未來配電產品做節能認證是大勢所趨，箱式變電站作為城市配電系統的終端，對它節能性研究應運而生。通過對節能性研究進而分析其影響節能性的各種因素，才能更好地對箱變進行改進，更好地優化電網。

1 范圍

箱式變電站，從結構上可為歐式箱變、美式箱變、國產箱變?，F在比較常見的箱式變電站就是歐式箱變。

電壓等級：3.6kV～40.5kV（常用的等級6kV、10kV、24kV、35kV）頻率：50Hz及以下額定容量：箱變的容量通常根據變壓器的容量而定，當額定電壓比為10、6/0.4kV時，可從幾十kVA～幾千kVA；當額定電壓比為35/10、6、0.4kV時，可從幾百kVA～上萬kVA。不同容量的箱變損耗值相差很大，因此在同等電壓等級及相同容量的箱變之間做節能性的研究才有意義。

2 影響因素

2.1 變壓器選型

2020年12 月，工業和信息化部、市場監管總局、國家能源局聯合制定了《變壓器能效提升計劃》，就是為了加快高效節能變壓器推廣應用。由于變壓器是箱式變電站內，乃至電網的主要耗能設備的主要損耗設備，因此在經濟條件允許下，選用空載損耗更低的變壓器，能夠有效地減少電能損耗。大量的工廠調研及數據顯示，空載損耗的降低主要是生產材質的改進發展，目前，非晶、超微晶軟磁合成材料已制成各種磁性器件代替硅鋼、鐵氧化提等，下面比較箱變中常用的各類油浸式變壓器的損耗，如表1。

表1 變壓器損耗比對表

表1中羅列的是現在天津國網公司箱變中選用的比較常見的變壓器型號及容量。首先，表1中可以清晰地看到，采用SBH15型即非晶合金變壓器的空載損耗更低，可以有效地降低總損耗；其次，630kVA和400kVA的變壓器相比，即使容量更大的非晶合金變壓器的空載損耗增長很小。空載損耗的降低確實可以一定程度上降低總損耗，所以在變壓器選型階段在經濟允許的情況下，選擇SBH15型非晶合金的變壓器是可以有效地減低損耗的。最后，箱變容量的大小對損耗的影響是不容忽視的，因此在箱變裝機前，準確計算出裝機區域的容量需求是非常必要的，除了降低損耗還可以避免裝機容量過大而產生的成本浪費。

2.2 溫度控制

上面我們探討了變壓器選型有效的降低空載損耗的問題，通過表1不難看出，即使降低了空載損耗，而負載損耗值依舊很大。負載損耗主要來自線圈電阻的損耗，而電阻損耗會隨著溫度的增加而增加。因此為降低變壓器損耗，變壓器室的溫度控制需要給予考慮。箱式變電站其他功能室（高壓室、低壓室）的損耗都是由器件產生的，箱變內的空間狹小，且整體為封閉型結構，這必然會造成箱體內的溫度偏高，導致器件損耗增加。不僅如此，過高的溫度會導致低壓室的補償回路電容器自動退出運行，導致無功補償不足，影響電能質量。因此，其他功能室內的溫度控制也需要考慮。

箱式變電站的各類器件全部在箱體內部，而變壓器是箱式變電站中的主體散熱設備，為保證正常工作，需要通過自然通風及機械通風的方式將變壓器產生的大量熱量排出室外。風機的加入雖然會提高輔助回路的損耗，但合理的風機設計及運行方案，再結合通風口分布設計，不但可以降低變壓器的損耗，延長變壓器壽命，還能降低低壓側器件損耗，延長器件使用壽命，使電能質量得到一定程度的保證。

2.3 補償回路

無功補償技術在電力系統中起到了提高電網功率因數、降低電網損耗、提高供電效率等作用，因此合理的應用無功補償技術能夠很好地提高電能質量。箱式變電站中加入了補償回路的設計，雖然為電網的電能質量做出了貢獻，與此同時，也增加了自身的損耗。因此補償回路的容量、元器件的選擇都需要做出合理的設計，希望可以到達利益最大化?，F階段，大量的箱式變電站在補償回路中采用智能電容器作為補償裝置。這樣的設計具有以下優點：第一，結構方面，智能電容模塊化、體積小、集成度高，大大簡化了普通補償回路的線路，在降低線損上貢獻了力量。第二，控制方面，首先完美實現了過零投切，無過壓、無火花更加的安全。其次智能電容器根據負荷無功功率的大小自動投切，動態補償無功功率，改善電能質量，合理投入電容器容量，避免無謂損耗。第三，保護方面，智能電容器具有停電保護、短路保護、電壓缺相保護、電容器過溫保護等功能，有效保障電容器安全，延長設備壽命。

2.4 智能系統的優化運行

日益進步的自動化水平也推動著箱式變電站的智能系統不斷發展，它主要由智能型元器件、通訊設備、監控系統組成，具備“四遙”的智能化功能，即遙測、遙信、遙控、遙調，每個單元均具有獨立運行功能，也能夠反映系統的運行狀態，通過實時檢測的數值與最佳運行標準值相比，自動做出最佳運行調整方案，如變壓器的最佳負荷率調整、補償回路的無功補償方案等。良好的智能系統可以做到無人值守、安全、經濟的運行。復雜嚴密的智能系統必然會提高箱式變電站自身損耗，但最佳的運行狀態不但能避免不必要的運行浪費，更能延長各類器件的使用壽命，兩相相比，智能系統下箱變的優化運行更加節能環保。

2.5 其他

箱式變電站作為電網的中堅力量，對于它的研究及升級改造從未停止過。特別是能源問題日益突顯的今天，對于它的節能研究更是意義深遠。低壓側常采用GGD、MNS、GCS等進行配電。近幾年，國家電網關于箱式變電站的技術要求做出了改變，匯流排采用工字異型母排，這樣雖然成本有所提高，但是減少了母排之間的搭接，減低了線路損耗。去掉了低壓柜的外殼，將低壓側的元器件直接安裝在隔板上，增大了通風空間，降低了低壓側元器件運行發熱而帶來的損耗。地埋式箱變以較小的占地面積、靈活的安裝位置、較高的安全性能等優點，迅速搶占了市場，裝機容量與日俱增。從節能性的角度，地埋式箱變由于占地面積小，可以比較靠近負荷中心進行安裝，減少了電纜的長距離敷設，使得在應用中更加節省了線路上的損耗。

3 結語

箱變從生產安裝到元器件選型，再到結構的設計改善，每個環節都會對箱變的節能性產生影響。從上述的原因分析中抓到主要矛盾，其一容量的選擇，小容量的箱變損耗必然小，所以裝機時容量的選擇很重要。其二變壓器的選型，節能型的變壓器，損耗一定低于普通型變壓器。次要矛盾就是溫度控制、智能系統、補償回路、結構改變等。但無論是主要矛盾還是次要矛盾，要想達到節能的效果，必然會帶來一些經濟上的付出，所以平衡節能效果與經濟支出，得到最優方案，才能做到利益最大化。