屋頂分布式光伏電站開關柜與箱變設計

林明敬

（維電云電力技術（上海）有限公司，上海）

引言

我國太陽能資源較為豐富，多數地區年平均日輻射量在4 kWh/m2.d 以上，與同緯度其他國家相比，較歐洲、日本更為優越，因而具有廣泛建設光伏電站的優渥條件。但從光伏電站開發設計角度而言，保障開關柜與箱變設計合理性，確保其有效發揮作用，并最大限度保證安全，則是值得深入研究的課題。

1 項目概述

本文所述項目中，擬定光伏裝機容量為2 333.76 kW；采用10 kV 自發自用、余電上網的并網方式；光伏發電系統通過光伏接入柜接至用戶變電所內原單母線接線型式的10 kV 母線。設計規劃過程中，主要設備為6 臺10 kV KYN28 柜、2 套YMB-12 預裝式光伏箱式變電站；保護裝置采用ISA-392GA-MP 保測合一裝置；配套后臺監控設備：遠動通信屏、公用測控屏、監控主機屏、AGC 與AVC 服務屏、交流屏、直流屏等。

2 開關柜及光伏箱變設計

項目規劃設計過程中，擬定裝機容量為2.33376MWp，采用分塊發電、集中并網方案。為了切實達到預期目標，總體方案部署時，加強了技術實現、經濟性分析，在綜合對比下，決定選用660 Wp 單晶硅雙面雙玻電池組件，數量共計3 536 塊；選用110 kW 組串式逆變器18 臺；選用1 250 kVA/10.5 kV 箱式升壓變壓器2 臺。為確保開關柜及光伏箱變設計有效實現，對電池組安裝進行優化分析，基于2 座建筑工程特點，決定將電池組件采用順坡平鋪安裝方式；每20 塊電池組件為1 個光伏組串、每8-10 路光伏組串并聯匯入1 臺110 kW 組串逆變器，每9 臺逆變器匯入1 臺箱式升壓變壓器，繼而構成1 個光伏子方陣，在兩棟建筑屋頂共建設2 個光伏子方陣[1]。

2.1 電氣設計

電氣設計環節，主要涉及電氣一次、電氣二次的規劃。電氣一次設計主要是整體電路走向，即：2.33376MWp 光伏并網電站系統由2 個廠房屋面組成，光伏就地升壓至10 kV 后，以1 回10 kV 線路接至用戶變電所新增光伏開關站10 kV 母線上，然后以1 回10 kV 線路接入變電所內新增光伏接入柜，通過母線橋由接入柜并入用戶原10 kV 母線，見圖1。光伏電站為10 kV 電壓等級，1 回出線后就近接入用戶負荷，二次電氣線路設計以地方管理規范為基準，具體按照無人值守原則設計，電站運行以計算機控制系統為基礎。

圖1 光伏接入柜電氣平面布置示意

2.2 設計計算

在對現場實際情況深入了解后，發現A6 廠房與箱變所在位置較遠，電力傳輸過程中，可能產生較大壓降，當壓降過大時則不利于電力電壓的有效供應并對并網產生嚴重影響。對此，針對壓降問題進行詳細分析并給出優化措施。具體而言，對現場進行詳細勘察、采用紅外測距儀進行測定，結果表明A6 建筑房頂的逆變器與光伏箱之間約有2.1 km 距離，且基于原電纜型號為ZRC-YJLHV22-0.6/1kV-3*95 mm2鋁芯電纜，通過以下公式計算：

最終得出壓降為29.2 V，這已然超出規范規定的電壓值。為了有效解決該問題，加強了與業主的溝通，其希望制定多種技術方案綜合考量解決壓降問題。基于該訴求，最終制定箱變變更選址、特殊定制變壓器調壓分接頭、增加電纜截面等三方面解決方案。考慮到項目施工進度及方案經濟性、實效性，最終采用增加電纜截面，將電纜參數變更為ZRC-YJLHV22-0.6/1kV-3*120 mm2，變更后重新計算壓降值滿足并網電壓要求[2]。

2.3 開關柜設計

開關柜設計過程中，以實際需求為基準選擇了10 kV 開關柜，其額定技術參數見表1；該開關柜為金屬鎧裝移動柜，為了切實保障安全，增強了絕緣結構。

表1 10 kV 開關柜額定技術參數

開關內一次元件包括真空斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器、接地開關、零序電流互感器、帶電顯示器等。鑒于實際情況，變電站10 kV 系統短路電流的額定標準為25 kA，因此開關柜的短路電流同樣按照25 kA 配備。在對開關柜設計展開進一步分析時，針對光伏電站10 kV 系統三相短路電流進行分析，其電流為15.215 kA，故10 kV 側短路電流水平按25 kA 選擇設備。開關柜額定電流計算按照2.33376MW 計算：2333.76/（√3×10）=134.74 A。斷路器選用630 A、25 kA，光伏進、出線柜電流互感器推薦選用10 kV、200/5 A、25 kA 的設備，PT 柜電壓互感器選用。開關柜內避雷器推薦選用1 組10 kV 氧化鋅避雷器YH5WZ-17/45。

2.4 升壓箱變設計

2.4.1 箱變結構

箱變參數及結構組成見表2，變壓器內部硅鋼片采用優質、低損耗產品，具有結構緊湊、安全可靠等特征。外殼鋼板厚度2.0 mm、箱體骨架為焊接式，進出線均位于箱變底部，外箱體上預留安裝智能子陣控制器空間[3]。

表2 箱變參數及結構組成

另外，設計初期的光伏箱變，為三合一保護測控裝置，電源取自二次監控室的直流屏。然后在技術研討會議中，施工單位提出將測控裝置電源從監控室引至箱變中的建議，以便于施工作業。該方案涉及穿墻、預埋等，甚至會伴有積水問題，故決定對于原有計劃進行優化，即將測控裝置的電源直接取自箱變，同時考慮到直流電源的屬性、電源穩定性、可靠性等問題，給出了進一步的優化方案，在高壓AH1 柜裝設分布式直流電源HZ-DY220F 并配2 節20 AH 電池，保證孤島時主回路電源斷電情況下還能持續供電6 h，使后臺監控系統正常讀取測控裝置上傳信號，進而解決故障問題[4]。

2.4.2 通風設計

箱變內部結構設有自然通風口，并配備機械排風設施，保障相關電子元件在高溫環境下正常運行，將溫度控制在標準范圍內。但存在一個問題，箱變裝置常年曝曬，該情況下將導致箱體內部異常高溫的現象發生，既有排風設施可能無法滿足實際降溫需求，例如夏季高溫階段，箱變內部溫度可高達60 ℃左右，這將嚴重影響電氣設備的性能，甚至影響到有關電氣設備元件的使用壽命。對此，為了有效達到降溫效果，針對通風降溫給予了細化設計，加裝1 臺1.5 匹變頻空調，由HGWK-P-J 面板式溫度傳感器根據環境溫度自行啟閉及調節溫度；增加箱變各室外殼的通風柵及外殼加工成內外雙循環結構。

2.4.3 保護測控裝置

為保障箱變安全，在每臺箱變的低壓開關柜內均設置一臺箱變保護測控裝置，其工作條件見表3，可記錄箱變內各種電氣量參數、非電氣量參數，相關數據會被及時上傳，從而滿足自動化系統測控需要。該測控裝置具有非電量保護功能，包括高溫報警、超溫跳閘、溫控器故障等。

表3 保護測控裝置工作條件

2.4.4 高/低壓側元件

高壓側元件主要有負荷開關、熔斷器、避雷器等，其中高壓負荷開關必須具有手動、電動及遠程自動操作等功能，并與高壓接地開關連鎖，高壓負荷開關選用了國產優質產品，其電氣參數見表4。

表4 高壓負荷開關參數

高壓熔斷器選用優質產品，其電氣參數見表5。

表5 高壓熔斷器參數

低壓側元件主要有框架斷路器、塑殼斷路器、電流互感器、浪涌保護器、溫濕度控制器、UPS 電源等。其中，框架斷路器為固定式開關，其技術特性符合GB標準要求；浪涌保護器參數見表6；UPS 容量為2 kVA，維持時間為60 min。

表6 浪涌保護器參數

2.5 試驗分析

2.5.1 例行檢驗

例行性檢驗分析主要是對系統設備運行工況、電力資源運輸情況等進行檢測、測定，包括針對檢測問題進行調整、校正，對電氣柜通風性能、電阻、阻抗等檢查。進一步而言，對成套設備防護等級、電氣間隙和爬電距離、電擊防護和保護電路完整性等內容進行測定。其中，開關柜例行試驗主要內容見表7。

表7 開關柜例行試驗

2.5.2 型式檢驗

待例行檢測完成后，針對光伏電站的工作極限情況、溫度變化情況、絕緣性能、振動與沖擊影響、噪聲、氣候影響等進行檢測測定；其中，開關柜應按GB3906“3～35kV 交流金屬封閉開關設備”有關規定進行型式試驗。通過標準化的檢驗流程，以及基于重要設備元件的深度測評，最終完成了對光伏站開關柜及箱變的型式檢驗，結果表明滿足國家有關標準要求。

3 綜合效益分析

光伏電站正式投入使用后，可正常穩定輸送電力資源，平均每年可為電網提供225.585 萬kWh，與相同發電量的火電相比，相當于每年可節約標煤688.036 t（以平均標煤煤耗為305 g/kW·h 計），同時每年可減少多種大氣污染物的排放，其中減少二氧化硫（SO2）排放量約13.985 t，二氧化碳（CO2）約177.304 t，氮氧化物（NOX）4.739 t，還可節約大量淡水資源。由此表明，此項目是一個環保、低耗能、節約型的光伏發電項目，不僅具有極高的經濟效益，還有良好的社會效益，對于促進社會的和諧、穩定發展具有積極意義[5]。

結束語

此次屋頂分布式光伏電站設計時，先對電氣進行了設計規劃，并展開了相關計算分析工作；然后基于開關柜、升壓箱變特點進行了設計、選型，最后給予了例行測試、型式測試，成功實現該光伏電站的建設，對于推動社會可持續發展具有積極作用，希望能夠為有關從業人員提供幫助。