一種雙層雙變壓器箱式變電站的設計及應用

劉建光，張小明

（1.廣東電網公司仁化供電局，廣東 仁化 512300；2.海鴻電氣有限公司，廣東 開平 529339）

節能減排是世界性的共同話題，2020年中國提出“碳達峰碳中和”的發展戰略目標，綠色低碳發展已成為全球發展的重要方向。電力行業的碳達峰、碳中和進展將直接影響“雙碳”目標的實施進程。加快數字配電網建設、打造更加靈活高效的能源資源優化配置平臺、大力提升新能源消納和儲存能力等是推動構建以新能源為主體的新型電力系統的重要手段；與此同時，降低電力的能耗，也是有助于電力行業實現碳達峰、碳中和目標的措施之一。箱式變電站具有數量多、分布廣等特點，降低箱式變電站本體能耗，能有效解決電力能耗問題。

1 箱式變電站設計方案

箱式變電站集成了變壓器、高壓柜、低壓柜的多功能需求，所以傳統箱式變電站體積較大，在生產制造中須要用到大量的金屬或非金屬材料，在運行過程損耗大，在建設中須要占用較多的土地資源，所以傳統箱式變電站不符合綠色低碳發展的要求。本文提出了兩種箱式變電站的技術方案。第一種是箱式變電站的節能技術：通過降低箱式變電站中變壓器設備的空載損耗和負載損耗，同時在箱式變電站中加裝光伏新能源，從而有效降低箱式變電站能耗，達到節能的效果。第二種是箱式變電站的小型化設計：通過緊湊式設計方案[1]，減小箱式變電站的尺寸，減少生產制造過程中的材料用量，在建設過程中減少土地資源的占用。

1.1 箱式變電站設計方案

為了減少箱式變電站本體的損耗，達到箱式變電站容量大，損耗低的目的，方案可以從以下兩個方面入手：研究節能型變壓器[2]和在箱式變電站中加入光伏發電系統。

1.1.1 節能型變壓器設計

變壓器在傳輸功率的過程中其自身要產生有功功率的損耗（即空載損耗與負載損耗的總和）。也就是說如果要讓變壓器節能，即減少變壓器的空載損耗和負載損耗。

變壓器鐵芯設計：變壓器的空載損耗俗稱“鐵損”，由變壓器鐵芯決定，為了從源頭解決變壓器空載損耗高的問題，本文對比了現有的疊片鐵芯和立體卷鐵芯兩種結構的設計[3]，如圖1所示，兩者的重量對比如表1 所示。從表1 中可以看出，立體卷鐵芯比疊片鐵芯重量平均下降18%，由于疊片鐵芯在生產過程中須要沖掉上下鐵軛及芯柱部分的三角形廢料，約占疊鐵芯總重的5%，綜合起來，立體卷鐵芯結構比疊片鐵芯結構重量平均降低了23%，空載損耗下降18%～28%。立體卷鐵芯橫截面是接近圓形的準多邊形，其填充系數比疊片鐵芯高4%～6%。綜合利用立體卷鐵芯變壓器空載損耗低、填充率高的優點，其銅材用量比疊片鐵芯變壓器下降24%以上，鐵芯用量可下降26%以上。

表1 兩種容量變壓器立體卷鐵芯結構與疊片卷鐵芯結構的對比

圖1 立體卷鐵芯與疊片鐵芯

變壓器線圈設計：在以往的干式變壓器中，通常將線圈設計為多餅結構以降低餅間電壓，且通過分開餅間距離來滿足電強度的要求，但電壓越高，所需的線圈餅數越多，餅間距離的總和也越大，因此干式變壓器的線圈整體高度升高，體積增大[4]。為了設計小型變壓器，餅式線圈的內線圈與外線圈分離以形成空氣通道，并且兩個相鄰餅式線圈的內線圈由第二分離塊分離以形成空氣通道，兩個氣道配合，使餅卷再次工作時產生的熱量有效迅速地散失，與傳統干式變壓器線圈相比，餅間電壓大大降低，從而降低了干式變壓器的整體高度，達到了小型化的目的，如圖2 所示。綜合分析，立體卷鐵芯敞開式干式變壓器與疊鐵芯干式變壓器相比較，重量可以減少30% 以上，體積可以平均減少1 m3以上，對比表如表2所示。

圖2 變壓器餅式線圈

表2 立體卷鐵芯敞開式干式變壓器與疊鐵芯干式變壓器體積對比

變壓器年運行成本：變壓器的損耗只要變壓器在使用中就會產生，因此這里引入“變壓器全年運行成本”這個參數，可反映出變壓器運行一年所消耗的電費。對比兩臺容量800 kVA，短路阻抗6%的立體卷鐵芯敞開干變SGB-RL-NX2和疊鐵芯敞開干變SGB10，立體卷鐵芯敞開干變SGB-RL-NX2的年耗電量減少10463 kWh，年運行成本減少7638 元，對比如表3所示。

表3 立體卷鐵芯敞開干變SGB-RL-NX2 與疊鐵芯敞開干變SGB10對比

1.1.2 箱式變電站頂蓋光伏系統設計

箱式變電站長期處在戶外運行，為了更好地利用太陽能，本文設計一套箱式變電站頂蓋光伏系統，由于儲能設備造價昂貴，且儲能設備易發熱存在安全隱患，所以選擇了光伏并網方案。在發電材料選型方面，晶硅材料與CdTe（碲化鎘）材料這兩種發電材料，發電性能的對比如圖3所示，從圖3可已看出，相同輻照條件下CdTe電池的發電性能比晶硅電池要高，且弱光性好，所以選用CdTe電池的方案為優選方案。

圖3 不同輻照條件下發電性能對比

光伏組件的輸出電壓須要大于或等于逆變器的啟動電壓，小于或等于逆變器的最高電壓。光伏組件的輸出電壓在逆變器的滿載MPPT電壓范圍內時，效率較高。由于箱式變電站頂蓋面積較小，整體光伏容量小于6 kW，優先考慮采用單相逆變器，逆變器的輸入電壓為90～560 V，工作額定輸入電壓為360 V，滿載MPPT電壓范圍為315～480 V。配置功率為105 W、開路電壓59 V、最大工作點電流2.30 A，長寬高分別為1200 mm×300 mm×6.8 mm 的共計24塊，將24塊分成4組，每組6塊。將這6塊第一種規格光伏板串聯，串聯電壓相加，那么每組電壓為59 V，串聯總電壓為354 V，在單相逆變器的輸入額定電壓342 ～378 V的范圍，可以保證逆變器有較高的效率工作，若是多一塊或者少一塊光伏板都會對逆變器的工作效率有較大的影響。箱式變電站箱蓋上方的面積長寬分別為5500 mm、1900 mm，則箱蓋的面積為10.45 m2。單個光伏板上表面的面積為0.36 m2，共計24塊，占據的總面積為8.64 m2，那么鋪設完后還剩下1.81 m2的空間。而8塊光伏板共須要2.88 m2的空間，大于剩下的1.81 m2，可見剩余的面積不足以再安裝多塊光伏組件，且由于光伏組件形狀和剩余部分的面積限制，單個光伏板也無法安裝在箱蓋上，剩余的面積不用會浪費，因此采用安裝第二規格的光伏板來增加發電量：功率為25 W，開路電壓28.8V、最大工作點電流1.08A、長寬高分別為600 mm×300 mm×6.8 mm的光伏板共計6塊，總面積為1.08 m2，小于剩余部分的面積，可以成功安裝到箱蓋上。剩余部分的面積考慮安裝的間隙、誤差等因素，不能再繼續安裝多余的光伏組件。將6 塊第二種規格的光伏板分成2 組串聯，最后得到電壓86.4 V，得到的串聯總電壓不在315～480 V 的范圍，為了讓逆變器運行處在最優狀態，將24 塊第一規格和6 塊第二規格的光伏板分為4 組，并聯后輸入逆變器，所以對于逆變器的MPPT 來說，有1 組電壓為354 V，1 組電壓為440.4 V，均處在滿載MPPT 電壓范圍內（315～480 V），所以可以達到最大的發電效率，是最優的計算方案如圖4所示。

圖4 光伏板布置

1.2 雙層雙變壓器箱式變電站設計方案

1.2.1 雙層雙變壓器箱式變電站設計結構

為了實現箱式變電站的小型化設計，減小箱式變電站的尺寸，從而減少生產制造過程中的材料用量，本文設計了一種雙層雙變壓器結構的箱式變電站（變壓器容量2臺800 kVA，如圖5所示）[5]，將2臺變壓器布置在箱式變電站的第二層，高壓柜和低壓柜布置在箱式變電站的第一層。

圖5 雙層雙變壓器結構

通過表4 可以看出，與功能一致的配置兩臺普通的單層箱式變電站（歐變）相比，雙層雙變壓器結構的箱式變電站占地面積減少41%，減少42%土地占用資源，材料碳排放量減少33%。

表4 雙層雙變壓器箱式變電站與單層單變壓器機構箱式變電站對比表

1.2.2 雙層雙變壓器安裝穩固性評估

本文設計的雙層雙變壓器箱式變電站中雙變壓器采用立體卷鐵芯敞開干變SGB-RL-800 kVA，重量為2450 kg，使用16b 槽鋼比臺架式配電變壓器留有更大的裕度。所以可以看出雙變壓器的安裝穩固性是非常可靠的。

1.2.3 雙層雙變壓器箱式變電站的維護

雙層雙變壓器箱式變電站，分為上下兩層結構，上層為兩臺800 kVA敞開式立體卷鐵芯干式變壓器，下層配置4面高壓柜和9面低壓柜，在維護方面，布置在第二層的變壓器成為難點，在實際運行中，對于變壓器的維護包括2個方面的內容：第一是變壓器日常維護測溫，箱式變電站中設計測溫窗口，在箱式變電站第一層位置就可以實現變壓器日常測溫維護；第二是對變壓器的調檔維護，雖然在實際維護中，變壓器調節檔位的次數很少，如果須要調檔維護，其維護的流程和常規變壓器類似。步驟一：箱變停電處理，按照安全規定要求保證變壓器的高低壓側均不帶電。步驟二：通過變壓器自帶的檔位開關調節變壓器的電壓檔位，使其滿足運行電壓的要求，考慮到變壓器在第二層的位置，離地面約1.6 m的高度，對于部分維護人員來說，可以采用箱式變電站自帶的操作梯進行變壓器調節檔位的操作。綜上所述，雙層雙變壓器箱式變電站的維護與常規單層箱式變電站類似。

2 雙層雙變壓器箱式變電站應用案例

項目原方案：項目原計劃新建的雙層雙公變配電房，長10.88 m×寬4.13 m×高7.5 m，占地面積約44.93 m2，建成后會阻擋周邊居民樓陽臺、窗戶，遭到居民的強烈反對，項目建設難度大。

優化方案：采用雙層雙變壓器箱式變電站，總占地面積由44.93 m2下降為9 m2，減少35.93 m2；縱向高度由7.5 m下降為2.9 m，減少4.6 m；土建由雙層電房土建建筑，改為雙層箱式變電站基礎，減少90%土建投資。應用在城中村項目的雙層雙變壓器箱式變電站如圖6 所示，安裝過程克服城中村道路狹窄、運輸卸貨難、人流車流密集、管線多、安裝位置受限等重重困難，建成后有效滿足周邊400 多戶居民用電需求，且保證居民正常生活。

圖6 應用在城中村雙層雙變壓器箱式變電站

2.1 變壓器節能效益

從表3可以看出，對比兩臺容量800 kVA，短路阻抗6%的立體卷鐵芯敞開干變SGB-RL-NX2 和疊鐵芯敞開干變SGB10，本項目使用的立體卷鐵芯敞開干變SGB-RL-NX2 的年耗電量減少10463 kWh，年運行成本減少7638 元，按變壓器30年的使用壽命，可以減少229140元運行成本。

2.2 光伏效益

項目應用在廣州地區，裝機容量1350 Wp。

投資成本：共計5805元（其中CdTe（碲化鎘）光伏組件2.8元/W，逆變器0.3元/W，電纜費0.2元/W，并網設備0.5元/W，施工其他費用0.5元/W）。

光伏效益計算：居民用電電價0.9元/kWh；由于光伏裝機容量較小，所以消納比例100%；首年發電量1228.5 kWh，按系統效率0.8 計算，25年發電量27764.1 kWh；所以投資回收年限6年，25年總收益24987元，凈賺19182元。

綜上所述，雙層雙變壓器箱式變電站頂蓋光伏可以帶來19182元的收益。

3 結束語

本文提出了雙層雙變壓器箱式變電站設計方案，評估了變壓器在二層位置的安裝穩固性以及變壓器維護方便程度，方案的經濟效益明顯，與功能一致的配置兩臺普通的單層箱式變電站（歐變）相比，雙層雙變壓器結構的箱式變電站占地面積減少41%，減少42%土地占用資源，產品體積小，重量輕，減少50%安裝、運輸成本。同時，結合更高能效的變壓器設計及光伏安裝，帶來更多的經濟效益，為小型化箱式變電站的設計帶來了可借鑒的新思路。