淺談高壓/低壓預裝式變電站

海南金盤電氣有限公司 王富成

淺談高壓/低壓預裝式變電站

海南金盤電氣有限公司 王富成

1 概述

由高壓配電裝置、電力變壓器、低壓配電裝置等組合在一個或幾個箱體內而構成的緊湊型成套配電裝置稱之為高壓/低壓預裝式變電站，又稱歐式箱變，簡稱箱變。箱變將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電等功能有機地組合在一起，具有成套性強、體積小、占地少、能伸入負荷中心、提高供電質量、減少損耗、送電周期短、選址靈活、對環境適應性強、安裝使用方便、運行安全可靠及投資少見效快等一系列優點，適用于工廠、油田、港口、機場、施工工地、道路、城市公共設施、住宅區、風力發電場等場所在戶外或戶內使用。國外在20世紀60年代和70年代大量生產和使用箱變，目前技術已經成熟，在歐洲箱變已占配電變壓器的70%左右，在美國箱變產量占配電變壓器產量的90%以上。我國自20世紀70年代后期引進歐式箱變，90年代引進美式箱變（又稱組合式變壓器）,盡管經過最近幾年的快速發展，箱變所占比例仍遠低于工業發達國家水平，因此箱變的發展空間很大。

2 高壓配電裝置

由高壓開關設備、熔斷器、聯接母線、套管、避雷器、無功補償裝置、控制或測量裝置及保護裝置等組成的高壓受電設備稱之為高壓配電裝置。高壓配電裝置有多種接線方式，常用的高壓接線方式有：終端型、環網型和雙電源型。終端型即“一進一出”，一路電源進線，一路出線到本箱變的變壓器；環網型即“一進二出”，一路電源進線，一路出線到本箱變的變壓器，另一路出線到另一臺變壓器或其他用電設備；雙電源型即“兩進一出”，兩路電源進線，一路出線到本箱變的變壓器，雙電源的兩路電源進線一般采用電氣和機械聯鎖實現“一用一備” ，當主電源發生故障時，由備用電源供電。如下圖1：

目前歐式箱變高壓側常用柜型為環網柜，國產為HXGN、XGN等，進口柜型多為SF6全密封全絕緣環網柜，如施耐德電氣的SM6和RM6、ABB公司的SafeRing和SafePlus、西門子公司的8DJ和8DH、F&G公司的GA和GAE等。環網柜所采用的高壓開關為負荷開關，負荷開關按其滅弧原理主要有壓氣式、六氟化硫、真空三大類，其開斷轉移電流的能力依次增強，價格也相應逐步增高。根據所能開斷的轉移電流大小，一般變壓器容量在800kVA及以下采用壓氣式負荷開關，變壓器容量在800kVA以上采用六氟化硫或真空負荷開關。負荷開關額定電流值的選擇是根據系統通過的電流值來確定的，而不是由變壓器高壓側的額定電流來確定的。負荷開關的短時耐受電流根據箱變安裝位置的短路容量來確定，同時要校驗其動穩定性。一般負荷開關的短時耐受電流和峰值耐受電流都能達到20kA和50kA，都能滿足常規配電系統的要求。

環網柜做為高壓受電設備和歐式箱變變壓器的保護裝置，其結構簡單、體積小，既經濟又適用。高壓配電裝置采用環網柜的歐式箱變，其變壓器保護采用的是負荷開關和熔斷器組合電器。負荷開關和熔斷器組合電器是由負荷開關來承擔過載電流(在負荷開關額定開斷電流的范圍內)和正常工作電流的關合和開斷，同時負荷開關還要承擔轉移電流的開斷；而變壓器高壓側的短路保護和過載保護由高壓限流熔斷器來承擔。負荷開關和三個帶觸發器的熔斷器，只要任何一個觸發器動作，其聯動機構會使負荷開關三相同時自動分閘，兩者有機的結合起來，可滿足配電系統在正常和故障條件下對配電變壓器的保護。

負荷開關和熔斷器組合電器中的高壓限流熔斷器一種結構簡單，保護可靠，投資較省的保護電器。對于配電網絡中的變壓器保護，主要采用后備式熔斷器。高壓限流熔斷器根據其額定電壓、額定電流、切斷能力和保護的選擇性進行配置。對于一般的高壓熔斷器，其額定電壓應大于或等于電網的額定電壓；但對于填充石英沙的限流熔斷器則不能用于額定電壓高于或低于其本身額定電壓的電網中，只能用在與之額定電壓相等的電網中。熔斷器額定電流的選擇按變壓器回路最大工作電流的1.5～2.0倍來考慮，同時要使熔體通過變壓器勵磁涌流和保護范圍以外的短路及電動機自起動等沖擊電流時不誤動作；選擇時可參考熔斷器廠家給出的安秒特性曲線，一般廠家也都給出了常規容量變壓器相對應的熔斷器選用表。熔斷器的安裝也要考慮環境的影響，常見的一種安裝方式是把熔斷器安裝在一個三相封閉的箱體中,這時熔斷器額定電流必須減少15%使用；另一種安裝方式是把熔斷器單支的封閉在一個絕緣樹脂澆注的筒內，在這種情況下，熔斷器額定電流應降低25%使用才能保證不使熔斷器過熱而損壞。

部分地區供電公司要求箱變內的變壓器采用斷路器保護，其主要目的是為了防止故障進一步擴大到上一級，進而影響到整個供電系統。箱變內可采用的斷路器有真空斷路器和SF6斷路器，真空斷路器又有正裝式、側裝式和固定式、抽屜式等多種分類，SF6斷路器多為側裝式。體積小適合在箱變內使用的斷路器柜型為小型化XGN固定柜，這種柜型可在固定式斷路器上下裝配隔離開關，實現隔離開關和斷路器的機械聯鎖，滿足“五防”要求。采用斷路器保護變壓器可實現過流延時、短路速斷、溫度保護等功能，同時在保護元器件的選用上可采用常規繼電器或采用成熟的微機保護裝置。

圖1

在歐式箱變的實際設計、生產中，對于是采用負荷開關和熔斷器的組合電器還是采用真空斷路器來保護配電變壓器，有許多不同的看法。筆者認為，對于開關電器，合、分負荷電流是經常發生的，而開斷短路電流卻極少發生，斷路器參數的確定和結構的設計均按條件最苛刻但卻又極少發生的短路保護的要求進行，因而其結構復雜、選材嚴格、造價較高。而負荷開關和熔斷器的組合電器，把對電器要求不相同的操作與保護兩種功能分別由兩種簡單、便宜的元件來實現，即用負荷開關來完成大量發生的負荷電流的分、合操作，而用高壓限流熔斷器來發揮對極少發生的短路起保護作用，很好地解決了矛盾。這樣，既可省去對復雜、昂貴的斷路器的嚴格要求，又可滿足實際的需要。同時在開斷空載變壓器的性能方面，斷路器開斷空載變壓器可能產生較高的截流過電壓，而負荷開關不存在這個問題。另外，對于保護配電變壓器，采用負荷開關和熔斷器組合電器較斷路器更為有效。短路試驗證明，當油浸變壓器發生短路時，為使油箱不發生爆炸，必須在20ms內切除故障，限流熔斷器具有速斷功能，再加上其限流作用，可在10ms內切除故障并限制短路電流值，能夠有效地保護變壓器。而斷路器的全開斷時間由三部分組成，繼電保護動作時間+斷路器固有動作時間+燃弧時間，一般需要60ms，因而不能有效地保護變壓器。即使是干式變壓器，因熔斷器的保護動作快，也比采用斷路器好。

3 電力變壓器

電力變壓器是利用電磁感應原理，把一種電壓、電流的交流電能轉變為頻率相同的另一種電壓、電流的交流電能的電氣設備。電力變壓器按用途分為升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、聯絡變壓器和專用變壓器；按相數分為單相和三相變壓器；按冷卻介質分為油浸式、干式和充氣式變壓器；按調壓方式分為無勵磁調壓變壓器和有載調壓變壓器等；按繞組導體材質分為銅繞組和鋁繞組兩種；按冷卻方式又分為自冷式、風冷式和水冷式。

歐式箱變變壓器室內配裝的電力變壓器可選用干式變壓器，也可選用油浸式變壓器（多為全密封油浸式變壓器）。干式變壓器又分樹脂澆注式（SCB9或SCB10型）和非包封線圈式（SGB10或SGB11型），全密封油浸式變壓器（S9-M或S11-M型）又分普通型和卷鐵芯型。隨著技術的日益成熟和節能意識的逐步增強，歐式箱變內的變壓器也多選用低損耗、低噪音的高端產品。

歐式箱變變壓器室內配裝的電力變壓器鐵芯材料多采用高導磁晶粒取向硅鋼片，也可采用非晶合金；鐵芯結構多采用疊片式或卷鐵芯式，也可采用三維立體式卷鐵芯結構；高壓線圈材料可采用扁銅線或漆包線，低壓線圈材料多采用銅箔。常規采用的變壓器聯結組別宜用Dyn11，因為原邊為D聯結，零序電流及三次諧波可在D環內流通，不會引起輸出電壓的畸變以及由于三相負載不平衡而引起的中性點漂移。

4 低壓配電裝置

由低壓開關設備、熔斷器、低壓母線和分支母線、避雷器、無功補償裝置、絕緣支持件及控制、測量裝置等組成的低壓配電設備稱之為低壓配電裝置。低壓配電裝置內主要配裝低壓開關電器，低壓開關電器又分為配電電器和控制電器兩大類。低壓配電電器主要用于低壓配電電路，對電路和設備進行保護以及通斷、轉換電源或負載的電器；低壓控制電器主要用于低壓電力拖動系統中，對電動機的運行進行控制、調節與保護。低壓配電電器主要有自動開關（智能型萬能式框架斷路器和塑殼斷路器）、刀開關、接觸器、熔斷器等。當配電電路正常工作時，它們起通斷和轉換電源或負載的作用。當配電系統故障（如過載、短路、欠壓、失壓、斷相等）時，配電電器應起保護作用。當支路設備需要檢修時，配電電器應起隔離作用，使該支路脫離電源，作檢修隔離的開關電器應有肉眼可見的明顯斷口以可靠地保證安全。低壓配電裝置配置開關電器的原則是：在每一條支路的電源側配置一組開關電器，這組開關電器應具備正常時可分合操作、事故時自動切斷電路、檢修隔離這三種功能。

變壓器低壓側主斷路器一般選用智能型萬能式框架斷路器，出線開關一般選用塑殼斷路器。智能型萬能式斷路器可以實現過載、欠壓、短路短延時、短路瞬時、接地等多種故障保護。智能型萬能式斷路器額定電流值是根據變壓器低壓側的額定電流來選取的。出線開關的額定電流和出線回路數是根據用戶負載情況而定，一般出線回路數為4～8路。如下圖：QF應選擇智能型萬能式框架斷路器，可實現長延時、短延時、瞬時三段保護，如果需要可增加接地故障保護。QF額定電流選擇略大于變壓器低壓側額定電流即可。QF1、QF2、QF3、QF4為出線回路，選用塑殼斷路器，電流為200～630A（根據實際用電負荷情況而定）。QS、QS1、QS2為隔離開關，主要起隔離檢修時提供明顯斷口的作用。如果在TA4下方出現短路故障，只有靠近它的QF4塑殼斷路器動作，而QF不會動作，保證了QF1、QF2、QF3正常供電，這就是斷路器的選擇性保護。

低壓配電裝置包括低壓無功功率補償裝置。無功功率補償裝置在供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境，所以無功功率補償裝置在供電系統中非常重要。電網功率因數低是由于大量使用感性負載造成的，提高功率因數的方法是：在用戶進線處或用戶負載處并聯電容器集中就地補償，補償的容量是變壓器容量的10%～30%。 無功功率補償裝置根據補償方式分為靜態補償和動態補償。靜態補償方式依靠傳統的接觸器的動作來投切電容器，用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制涌流作用，如CJ19、CJX等，接觸器采用延時投切，其目的在于防止接觸器過于頻繁的動作時，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導致供電系統振蕩。動態補償方式采作晶閘管投切電容器，晶閘管采用瞬時投切方式，可實現電壓過零觸發，投入無浪涌電流，分斷時不產生高電壓，無觸點、無火花、無諧波干擾。兩種投切方式各有優點，可根據實際情況選擇，靜態補償價格便宜、安裝方便、性能較差；動態補償無觸點投切性能好，但價格較貴。

5 箱殼

歐式箱變殼體的材料可以是金屬、非金屬或者兩者的結合，并能耐受一定的機械力的作用。非金屬外殼應選用耐老化阻燃材料，金屬外殼的金屬材料應經過防腐處理，表面覆蓋層應有牢固的附著力，并應均勻一致。目前市場上較多采用的箱殼材料有：鋼板、雙面彩鋼夾芯復合板（復合板）、非金屬玻纖水泥。復合板是在兩層彩鋼板之間夾有阻燃自熄聚苯乙烯泡沫，這種結構能有效阻止室外熱量進入，且有較好的吸音效果；室內溫度受室外大氣溫度影響小，室內溫度驟變小，不易產生凝露，具有輕質、隔熱、保溫、隔音、防水、防火性能。非金屬外殼采用增強玻纖和特種水泥預制合成作為殼體材料，具有機械強度高、耐沖擊性能好、不易導熱、防火阻燃、防腐蝕、造型美觀和使用壽命長等特性。

6 結語

隨著高低壓開關技術的不斷更新，新材料、新技術的不斷應用和成本的不斷降低，歐式箱變將朝著更加小型化、美觀化、智能化方向發展。同時，隨著我國城市現代化建設的飛速發展，城市配電網的不斷更新改造，歐式箱變將得到更大的發展和更廣泛的應用。