智能化小型化箱變的難點分析

蔡冰華

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430060）

由于我國經濟的迅速發展，城市與鄉村之間的電網建設蓬勃發展。針對城鄉之間的電網構建，國家要求必須以高壓的電流直接接入其負荷中心區域，這樣就會造成高壓受變降壓。所以，供電中需要有方向有目的地進行調整，比如需要節省電源，研發小型化智能化設備。因為城鄉居民需要比較便利的電力供應，所以箱變應用更加廣泛且較安全，除此以外，還需要具有智能化的效果。但目前智能化的技術設備很多，分析起來比較困難，本文對此進行了探討。縱觀國內外，制造箱式變電站的企業有很多，不過制造小型箱式變電站的極少，但是它們在市場上的需求卻日趨旺盛，小型化智能箱變具有很大的優勢特點。例如：它們具有比較先進的技術支持；從箱體的材料來看，其選用的是鍍鋁鋅鋼板，其框架是運用極嚴格的工藝制造的，而且防銹防腐。占地面積比較小，這種箱變的體積僅僅是傳統箱變的32%，所以，在有需求的環境中大多數角落均可直接安裝。工廠化預定制：依據模塊化的設計以及制造的步驟，這些設備所在的車間都是一次性地進行安裝與調試，在安裝現場中，只需要很少的幾個步驟即可安裝完成，整個過程只需要一周時間即可。

箱式變電站分為美式箱式變電站和歐式箱式變電站。美式箱式變電站的開關、保險絲等部件放置在變壓器箱中，形成一個綜合設備。采用變壓器油作為帶電部件與地面之間的絕緣介質，使部件體積最小化，結構更加緊湊，安裝方便靈活。箱內裝有壓力表、油位表、油溫表等儀表及其他監控裝置。歐式箱式變電站在中國一般被稱為組合變電站。它們一般是將開關柜以及低壓配電裝置在三個不同的隔間之中布置，然后通過電纜等實現母線的相互連接。比較高的電壓一般是在3.6-40.5kV 范圍，其中間還有一個或者多個變壓器，便于調節其壓力。

最近幾年以來，我國對于智能化電網的規劃進行了相關的建設與創新，由于社會的不斷進步，智能化電網的發展步伐也比較迅速。各個企業商家之間的競爭法寶就是智能化的配電產品。因此智能化產品得到了很多廠家的大力研發和生產。先前比較古老的變電站無法滿足智能化的要求，這為智能化變電站的發展提供了發展空間。智能化變電站在以后的市場上會成為最受歡迎的產品。

1 智能化小型化箱變的研究現狀

1.1 國內智能化小型化箱變應用現狀

在上個世紀，簡單的箱式變電站開始問世，電力部門制定了相關的政策與指標，但是它的應用范圍并不寬泛。到上世紀末，箱式變電站在鄉村電網改革的基礎上大力發展起來，得到了廣泛的應用。電網改造的目的在于對城鄉建設和改造的變電站進行工廠化和移動化運行，因為智能化小型化箱變對于負荷中心的深入比較方便，加之會很容易減小供電的半徑，因此非常適合對于鄉村電網進行改造。由于智能電網發展比較迅速，國家越來越注重環保問題，因此，其現在已經朝著一個更加環保、清潔的方向進行發展。箱式變電站的發展目標逐漸向模塊化、智能化的方向進行發展，這樣比較方便操作，而且還有利于環保，所消耗的成本也比較低。

模塊化的結構被智能化箱變所應用。依據高壓開關與電網連接可以將其分為：環網式、雙電源式或終端式。按設備布局位置可將其分為：目字型和品字型。相反，智能變電站有這些相反的優勢。因此，在全球，箱式的變電站被大力推廣且得到了有效的應用，并且市場越來越大。因此，對智能變電站的研究具有一定的價值。

依據我國地形的分布以及各地的經濟發展水平，對于我國的電網分布進行了一定的劃分，這樣的劃分比較符合我國以后的發展。我國能源消耗大，大部分采用風力和太陽能進行發電，這樣可以使得資源得到持續使用。目前中國的智能電網建設已經上升到國家戰略的高度。智能變電站也會成為我國電網的主要平臺，它的應用一定會有廣大的發展空間。

這表明智能變電站有一個光明的未來。依據我國的十二五規劃：截至2015 年，我國共構建了大約5182 座智能化的變電站，其中500kV 以內的變電站約兩百多座，330kV 以下的約五千多座，110（66）千伏的變電站630 座。在“十二五”期間，新構建的智能化變電站大約投資五百多億元，其中對其進行投資建造裝修大約需要不到一百億元。按照智能化改造環比20%的節約份額計算，智能化改造投資達到3200億元左右。

1.2 國外智能化小型化箱變應用現狀

箱式變電站是歐美發達國家在上世紀六七十年代推出的一整套戶外變電站設備。本產品采用預裝式設計，即箱內所有設備均在工廠內安裝檢查，并運至現場連接進出線電纜。

目前，美國電力公司已經開發出一套非常緊湊的箱式自動控制系統，這個系統具有多種功能，比如能夠對系統進行良好的保護以及進行數據之間的統計與歸納，并且操控部位比較少，所需成本低。智能變電站在發達國家配電領域發揮了非常重要的作用，這個是截至目前為止，在變電站中實施的最大變革。

2 當前市場常規箱存在的問題

由于箱體體積大，運輸不便，且散熱設計不完善，所以夏季用電高峰期會出現故障，運行的安全性和穩定性不夠好。另外，采用常規變壓器，耗電量比較大，能耗也比較高。針對上述問題，目前研究人員對其進行了大量的研究和技術創新，極大地提高了設備的運行性能，有效地解決了相關問題。

2.1 箱體結構的改進

箱體采用雙層幕墻和金屬雕刻復合板，美觀大方，而且隔熱板重量輕。因為它可以長久地在室外進行應用，使用時間長，最重要的是比較方便在各種場合下進行安裝。箱體的底部以及側面和頂部都是大面積的設置，這樣可以有利于增強空氣流通和散熱，可以增強設備運行的可靠性。

2.2 對高壓電源的技術革新

2.2.1 可靠永磁機構真空斷路器

斷路器操動機構使用的是永磁機構，并且其運行線圈不會進行充電，防止線圈遭到燒灼，一般情況下，傳動器的裝備都是比較簡單的，使用時間也比較長，應用起來也比較安全可靠。

2.2.2 全面智能精細保護

常規設備由于短路阻抗大、短路電流小、保護整定值步長大等原因，不能有效地保護終端故障，常常導致跳閘。作者公司箱變保護定值可連續調整，定值調整準確可靠地解決了跳閘問題。

2.3 對變壓器的技術革新

2.3.1 節能環保的卷鐵芯技術

損耗小：將磁芯片放在硅鋼片的部位然后進行繞圈，可以將硅鋼片的優勢充分地顯現出來，導致磁路的變形比較小，而且可以有效減小損耗以及電流。和其他的變壓器進行比較，空載的電流大概是80%，空載的消耗量大概是30%。

環保低噪聲：由于繞線式變壓器鐵芯的整體結構緊湊，而且聲音比較小，所以滿足環保要求。

設備防盜：繞線式鐵芯是一個整體部件，而且其里面的芯片不能松，不能將里面的線圈去掉。因硅鋼片屬于比較硬的材質，所以它具有很好的防盜功能。

2.3.2 有載節能技術

根據數據顯示，中國目前變壓器的總耗損率大約為10%，其中大約五分之三的電網屬于中低壓，而且其損耗占到了五分之二左右。如果將其損耗稍微降低一點，每一年可以節省電量高達數百億千瓦。因此對于配電變壓器的損耗降低的研究，刻不容緩。對于配電變壓器來說，在季節性和周期性用電低谷期間，變壓器的損耗一般比較低。一般情況下，在負荷比較輕的時候，其空載的損失會極大降低，并且體積比較小的空載其損耗能力比體積大的三分之一還要小，它的節能效果也比較好。

3 箱式變電站智能化系統研究

截至到目前，箱式變電站已經慢慢地作為我國低壓配變電站最核心的配電裝置。由于電力系統迅速的發展與創新，其配電的技術及創新能力也得到了很大的發展，因此智能化小型化箱變被逐漸研發并應用。在這一研究的過程之中，需要對相應地區用電的需求進行合理的估計，對其發生意外的可能性進行合理性的預測，爭取能夠迅速區將智能化箱式變電站發展起來，增加企業經濟效益，這對行業發展而言，具有舉足輕重的意義。

一般情況下，智能化小型化箱變的實施方案主要是高低壓系統。各個設備相對而言比較獨立，可以完成各類數據的相關采集以及歸納，可以根據數據對于功能進行保護與運行。還可以使用相關的軟件如Alpine進行很多事情的處理，并且能夠發現一些由于局部問題造成的全面坍塌，確保盡快找出問題的根源進行維修，確保各個模塊能夠正常穩定地進行工作。因為箱式變電站需要對其進行一個統一的管理，所以各個模塊還具備管理以及通信性能。一般其結構為CPU 協同工作模式，在每個智能化的末端，都會配置監控設備，實現各模塊之間的相互通信。

3.1 DTU 監控模塊

DTU 監控模塊不僅是箱式變電站地區的數據傳輸設備，也是箱式變電站地區配電網的重要遠程終端。主要完成數據傳輸、通信參數設置和通信協議驗證，并通過局域網can/DeviceNet 對箱式變電站所有機柜進行管理，DTU 監控模塊還可以進行人和機器協同工作，使得很多工作可以通過人為的操作來完成。

3.2 高壓側

壓力比較高的情況下，箱式變電站應用方面比較智能化。截至目前，環網柜還不具備比較高效的監控功能。因為滿足自動化設備的需求，需要建立三遙系統。由于我國城市化電網的改造以及配電自動化系統的迅速發展，因此很有必要研發一種以環網柜為基礎的監控設備，這樣可以使得環網柜的終端以及全部過程得到實時的監控與監測，能夠對其有一定的保護作用。

3.3 變壓器室

變壓器室的功能是對于工作的各個設備進行實時在線的監控。在整個系統之中，變壓器室主要是將高壓轉換為低壓，為低壓用戶提供便利的電力設備。它的數據是整個系統最為重要的部分，比如功率、頻率等，數據是決定了配電變壓器是否能正常運行的關鍵。所以，需要對變壓室的各個參數進行系統的整理以及分析，從而可以預測其是否可以正常穩定的運行。

4 結束語

由于我國小型化箱式變壓器的發展才剛剛起步，理論還不夠成熟，國內配套設備也不完善。但隨著相關配套部件的開發和引進，箱式變壓器的小型化設計將進一步完善。這一產品的質量比較輕，而且成本比較低，維修比較便利。其損耗量比傳統箱式變壓器明顯要低得多，成本可降低25%左右。此外，箱變采用防盜結構，五防可靠，可深入負荷中心，顯著提高供電質量。縱觀以上特點，開發生產小型化箱式變壓器將帶來顯著的經濟效益。

隨著智能電網建設的加快，智能高山設備的需求將不斷增加，智能化、網絡化設備的需求也將不斷增加。因此，智能高山將成為一種發展趨勢。本篇文章盡管對于智能化小型化箱變做了系統的研究，但還是存在幾個問題：

（1）需要對于智能化的低壓斷路器進行系統詳盡的分析研究，使其能夠實現對于溫度的監測并能夠實現可以自動報警的功能。

（2）需設計一個視頻系統來實時監控箱變的里外構件。