新能源電站用美式箱變的應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

／西安天虹電氣有限公司 鄭紹忠 丁雪豐／

新能源電站用美式箱變的應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

／西安天虹電氣有限公司 鄭紹忠 丁雪豐／

給出了新能源電站用美式箱式變電站的組成及工作原理，從運(yùn)行環(huán)境及組件的選用等方面介紹了該美式箱變的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，針對實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，提出了設(shè)計(jì)及使用中具體的注意事項(xiàng)。

新能源電站；美式箱變；應(yīng)用；設(shè)計(jì)

0 引言

太陽能和風(fēng)能在能源領(lǐng)域中得到世界各國的高度重視。我國風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電近年來發(fā)展迅速，截至2015年底，我國風(fēng)電裝機(jī)容量12934萬kW，光伏裝機(jī)4318萬kW。與其配套使用的箱式變電站絕大多數(shù)為美式箱式變電站，美式箱式變電站經(jīng)過多年發(fā)展，技術(shù)可靠，價格低廉，在新能源領(lǐng)域有著其他型式變電站無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1 組成及原理

美式箱式變電站簡稱美式箱變，是一種集成了變電、高低壓保護(hù)的預(yù)裝式箱式變電站。風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者光伏逆變器所送出的低電壓經(jīng)美式箱變升壓至35kV再匯集外送。美式箱變由升壓變壓器、站用變壓器、高壓負(fù)荷開關(guān)熔斷器組、低壓斷路器、避雷器及其他保護(hù)測量設(shè)備組合而成。高壓負(fù)荷開關(guān)、高壓熔斷器、變壓器均置于油箱內(nèi)，整體外形尺寸比歐式箱變小巧，成本也更加低廉。右圖為美式箱變的設(shè)計(jì)原理圖。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)

我國新能源電站多集中在陜北、寧夏、甘肅、新疆等地區(qū)的戈壁、荒漠地區(qū)。位置偏遠(yuǎn)，運(yùn)輸不便，因此新能源電站設(shè)備的運(yùn)輸及耐候性便是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中要考慮的首要問題。尤其要注意在運(yùn)輸過程中顛簸導(dǎo)致的變壓器滲油問題。

圖 美式箱變的設(shè)計(jì)原理圖

美式箱變在新能源電站中常年處于低負(fù)荷的使用狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電受季節(jié)影響大，光伏受晝夜影響大。美式箱變的年負(fù)載率約在35%左右，夜間幾乎全部處于空載狀態(tài)，設(shè)計(jì)中應(yīng)降低空載損耗。根據(jù)設(shè)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)及光伏逆變器或者美式箱變本身可以在過載或者低載時自動控制或停止運(yùn)行，加之風(fēng)機(jī)與光伏組件的裝機(jī)容量都是峰值容量，在正常運(yùn)行時很少達(dá)到，所以一般不會造成變壓器長時間過載運(yùn)行。另外考慮到一般變壓器都具有一定的過負(fù)荷能力，因此設(shè)計(jì)時無需考慮美式箱變的長時間超負(fù)載運(yùn)行。

3 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題

3.1 共箱干擾

大部分美式箱變在設(shè)計(jì)時都把所有高壓電器元件和變壓器共同放置在一個殼體內(nèi)，采用變壓器油作為主要絕緣、散熱和滅弧介質(zhì)。負(fù)荷開關(guān)熔斷器組合電器作為主要的保護(hù)電器動作時由于大電流會產(chǎn)生電弧，使變壓器絕緣油變質(zhì)，進(jìn)而污染整個油箱，降低油的絕緣性能和變壓器壽命。美式箱變是油絕緣、全封閉的變電設(shè)備，在一定時期內(nèi)必須保證變壓器油不受污染，其絕緣性能不至降低到標(biāo)準(zhǔn)要求以下。

負(fù)荷開關(guān)及插入式熔斷器在空載下操作時幾乎不會引起油的炭化現(xiàn)象，但是在負(fù)載或者故障動作時，電弧將使得變壓器油迅速炭化變黑。多次重復(fù)后，變壓器油的絕緣性能將明顯下降，特殊情況下將造成由絕緣引起的爆箱。另外，變壓器損耗產(chǎn)生的高油溫，也會使其他同室設(shè)備的運(yùn)行溫度升高，加快絕緣件老化，降低設(shè)備壽命和運(yùn)行可靠性。

3.2 漏油問題

箱變漏油主要有焊接問題、設(shè)計(jì)時未考慮運(yùn)輸狀況、密封件質(zhì)量不佳、螺栓松動等幾種原因。新能源發(fā)電站往往位于荒無人煙的戈壁等地區(qū)，對設(shè)備運(yùn)輸和設(shè)計(jì)無形中提出了更高的要求，2015年某光伏電站發(fā)生一起箱變爆炸事故，集電線路保護(hù)跳閘，箱體被脹成圓形。分析原因?yàn)橄渥兟┯停鹩臀唤档停邏贺?fù)荷開關(guān)使用環(huán)境為油絕緣，暴露在空中后相間絕緣距離不足，發(fā)生相間短路引起事故。

3.3 油色譜試驗(yàn)不合格

主要問題是箱變密封不嚴(yán)，油中進(jìn)入水氣，引起氫氣和總烴含量超標(biāo)，還有的會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。新能源電站因?yàn)檎嫉孛娣e大，運(yùn)維人員相當(dāng)不足，水平較高的人員更少，加之箱變電壓等級不高、在占地較大的廠站里分布也很分散，美式箱變的油色譜分析試驗(yàn)容易被業(yè)主和運(yùn)維方忽視。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

作者結(jié)合多年的新能源電站運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，針對美式箱變在應(yīng)用中出現(xiàn)的上述問題，對該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)做簡單介紹，并提出一些注意事項(xiàng)。

4.1 布局

高壓負(fù)荷開關(guān)和熔斷器組合電器的選用，使箱變中的變壓器本體與常規(guī)產(chǎn)品相比有了很大的不同。高壓插入式熔斷器、高壓負(fù)荷開關(guān)要浸入油箱內(nèi)，面板儀表觀測、高壓負(fù)荷開關(guān)操作、低壓配電保護(hù)設(shè)備觀測等工作需要在設(shè)備帶電的情況下進(jìn)行，故負(fù)荷開關(guān)熔斷器組、分接開關(guān)、插入式保護(hù)熔斷器、低壓監(jiān)測保護(hù)設(shè)備及各類面板儀表等應(yīng)與高壓設(shè)備分開放置。一方面要考慮實(shí)用性，另一方面也要考慮經(jīng)濟(jì)性，這就要求美式箱變在高壓、低壓和變壓器各方面有一個合理的綜合規(guī)劃布局。

近幾年西安天虹電氣有限公司為國內(nèi)外多個新能源電站設(shè)計(jì)制造的美式箱變經(jīng)過更新和優(yōu)化，認(rèn)為“H+1”型 ，即高、低壓室分別位于變壓器主體兩側(cè)，負(fù)荷開關(guān)和熔斷器組位于箱變側(cè)面的總體布局較為合理。

4.2 組件選用

1）變壓器。變壓器根據(jù)設(shè)計(jì)匹配，可以選用普通升壓變壓器或者低壓雙分裂變壓器。一般采用Dyn接線方式，在設(shè)計(jì)中采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片，此種變壓器具有體積小、空負(fù)載損耗小、輸出電能質(zhì)量高、中性點(diǎn)不漂移、過電壓性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2）高壓負(fù)荷開關(guān)。采用油浸式負(fù)荷開關(guān)，浸于變壓器油箱內(nèi)，一般與熔斷器配合使用為箱變提供保護(hù)。同時也為線路提供了開斷能力及防止故障對電網(wǎng)造成沖擊。

3）高壓插入式全范圍保護(hù)熔斷器。與負(fù)荷開關(guān)配合作為美式箱變的保護(hù)設(shè)備，對美式箱變提供短路保護(hù)和過流保護(hù)。

4）無勵磁分接開關(guān)。為了適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動以滿足電能質(zhì)量的需求，無勵磁分接開關(guān)是必備器件，通常選用±2×2.5%分接，根據(jù)電網(wǎng)環(huán)境也可以選用更多的分接。但一般不需要選用有載調(diào)壓開關(guān)。

5）高壓避雷器。設(shè)備在運(yùn)行中有時會出現(xiàn)操作過電壓及感應(yīng)過電壓等，該電壓會對變壓器及其他相鄰元件產(chǎn)生不利影響甚至損壞設(shè)備。因此，在美式箱變需要安裝氧化鋅避雷器來做過電壓防護(hù)。

6）高壓電磁鎖及帶電顯示裝置。高壓室內(nèi)有危險(xiǎn)電壓，為了防止發(fā)生意外，高壓室需要設(shè)置網(wǎng)門以起到防止誤入帶電間隔的作用，其上裝設(shè)高壓電磁鎖及帶電顯示裝置。

7）低壓斷路器。低壓斷路器可在美式箱變就地進(jìn)行分、合閘操作，可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、電流速斷保護(hù)、接地故障保護(hù)及缺相保護(hù)等功能。

8）低壓配電屏。美式箱變一般需配置溫度計(jì)、加熱器、電流表、電壓表、浪涌保護(hù)器、電壓電流互感器等組件。現(xiàn)在智能變電站還需要安裝遠(yuǎn)傳設(shè)備，對美式箱變的大部分設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行遙測、遙信、遙控，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維管理；為方便安裝使用及接線操作，配電盤也會引入低壓配電室。

4.3 鐵心及繞組

新能源電站用美式箱變由于空載時間長，要求空載損耗相應(yīng)要低。為降低空載損耗，應(yīng)采用高導(dǎo)磁低損耗冷軋硅鋼片，設(shè)計(jì)時把磁密控制在1.5T以下，并通過對硅鋼片剪切及疊裝工序的嚴(yán)格控制來最大限度地減小渦流損耗和磁滯損耗，對于常用的1000kVA變壓器，推薦使用長圓形結(jié)構(gòu)。

美式箱變的高壓繞組宜采用分段的圓筒式結(jié)構(gòu)，圓筒式繞組能較好地抵抗短路沖擊，其繞組電場分布均勻，可以最大限度地消除和抑制電壓振蕩。從而降低層間電壓，減少層間絕緣厚度，提高繞組的占空比。

4.4 引線部分

引線是變壓器器身的重要組成部分，各接點(diǎn)的機(jī)械及電氣連接是否完好是變壓器運(yùn)行可靠性的主要表征點(diǎn)。由于新能源電站一般在偏遠(yuǎn)地區(qū)，道路條件較差，在運(yùn)輸過程中的的顛簸和震動都會引起引線連接的松動和虛接，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)生引線斷裂。因此繞組出頭引出位置在固定前應(yīng)采用絕緣護(hù)套加強(qiáng)，引線各個連接處也應(yīng)根據(jù)具體情況采用防松措施，引出線長度也必須留有余量或者采用軟連接。對于長度較長的高壓插入式全范圍保護(hù)熔斷器，油箱內(nèi)部要事先設(shè)計(jì)支架，防止絕緣部分在運(yùn)輸過程中損壞甚至斷裂。

4.5 殼體

美式箱變由于用途和成本的關(guān)系一般設(shè)計(jì)為不帶儲油柜的全密封結(jié)構(gòu)，油箱上層設(shè)計(jì)20cm左右的氣隙，根據(jù)溫度計(jì)算在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)靠氣隙調(diào)解油受熱遇冷引起的體積變化。在殼體的生產(chǎn)制造過程中，油箱要進(jìn)行氣壓試漏和變壓器整體的帶油充氣試漏，以保證變壓器殼體整體的密封性。為了強(qiáng)化美式箱變在戈壁等惡劣條件下的正常運(yùn)行，還需考慮美式箱變殼體的耐候性，要具備抗曝曬、抗風(fēng)沙、擴(kuò)腐蝕等特點(diǎn)。第一，新能源電站由于環(huán)境原因，殼體整體密封性要求極為嚴(yán)格，全封閉、取消百葉窗、所有門柜加裝密封膠條是常規(guī)配置，以防止風(fēng)沙雨水侵蝕柜體內(nèi)部。門需要有接地裝置和定位鉸鏈，防止殼體變形影響整體密封性。外殼噴塑，并在生產(chǎn)時從工藝上嚴(yán)格要求以保證其附著力。另外，新能源電站美式箱變都要求采用防盜結(jié)構(gòu)，可拆除元器件的螺栓不允許外露。為了避免設(shè)備安裝后被盜，也應(yīng)選用固定的片式散熱器而不選擇可拆卸結(jié)構(gòu)，這樣也可以減小設(shè)備寬度，減小占地面積。如果現(xiàn)場不具備條件要整體帶油運(yùn)輸，散熱器部分要進(jìn)行特殊加固處理，或者在下方墊置木塊以防止顛簸產(chǎn)生開焊。

5 結(jié)束語

新能源電站裝機(jī)容量大，一般整個電站的箱變設(shè)備都從一個廠家采購?fù)划a(chǎn)品，數(shù)量少則十幾臺，多則上百臺。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性緊密關(guān)系到生產(chǎn)廠家及電站業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益。文中提出的要點(diǎn)可在一定程度上避免設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。

[1] 路長柏，朱英浩. 電力變壓器計(jì)算[M]. 哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1982.

[2] 崔立君. 特種變壓器理論與計(jì)算[M]. 沈陽：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1995.

[3] 陳亮. 箱式變電站設(shè)計(jì)選型、加工工程安裝標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)實(shí)用手冊[M].天津：天津電子出版社，2005.