對一體化箱式變電站的研究

摘要:文章結(jié)合城農(nóng)網(wǎng)發(fā)展的實際情況，對一體化箱式變電站進行研究，探索其發(fā)展經(jīng)歷，闡述其適合國情的改造，詳細描述其結(jié)構(gòu)特點，組裝單元，高科技新產(chǎn)品的運用。重點介紹了永磁操動機構(gòu)，永磁機構(gòu)較其它機構(gòu)的最大優(yōu)勢是可靠性高，是實現(xiàn)斷器免維護功能的技術(shù)途徑之一。結(jié)構(gòu)特小使減小箱體尺寸成為可能，研究新材料和新工藝，產(chǎn)生出目前比較科學(xué)化和人性化的箱體結(jié)構(gòu)及外觀。同時也做了不同箱體結(jié)構(gòu)的比較，分析了一體化箱式變電站的經(jīng)濟效益，總結(jié)了其存在的不足。

關(guān)鍵詞:一體化箱式變電站;非金屬材料;內(nèi)部環(huán)境;無人值守

中圖分類號:TM63 文獻標識碼:A 文章編號:1006-8937(2009)12-0118-02

目前，隨著城農(nóng)網(wǎng)改造向縱深方向的發(fā)展，各有關(guān)研究和生產(chǎn)部門積累了大量的經(jīng)驗，對適合城農(nóng)網(wǎng)改造的設(shè)計方案及所采用的設(shè)備應(yīng)具備的性能都有了較明確的認識。中壓配電網(wǎng)應(yīng)選用短路容量能滿足較長期發(fā)展需要，可靠性高、體積小、維護工作量少和操作簡單的新型設(shè)備。在 “關(guān)于加快城市電力網(wǎng)改造的若干意見”中強調(diào)“設(shè)備的選擇要注意小型化、無人化、自動化、免維護或少維修”，促進了一體化箱式變電站的發(fā)展及應(yīng)用。

一體化箱式變電站又稱戶外成套變電站，也有稱作組合式變電站，或者叫預(yù)裝式箱式變電站，它是于20世紀90年代中期從歐美等西方發(fā)達國家引進中國。剛開始并沒有被大量推廣，只是個別地方局小規(guī)模試用。到90年代末期，特別是農(nóng)網(wǎng)改造工程啟動后，科研開發(fā)、制造技術(shù)及規(guī)模等都進入了高速發(fā)展。各個廠家也先后推出各自比較成熟的產(chǎn)品，箱內(nèi)布局更加合理，箱體結(jié)構(gòu)更加牢固，隨著新型高壓開關(guān)設(shè)備以及高科技自動化產(chǎn)品的出現(xiàn)，箱式變電站充分滿足用戶需求，在國內(nèi)大量推廣也成為可能。

1一體化箱式變電站的結(jié)構(gòu)

具有代表性的做法有兩種:

①一體化箱式變電站箱體大部分采用普通的彩鋼板材料，骨架采用硬金屬材料整體焊接工藝，外層用0.8～1.0 mm的彩鋼板，或者用鍍鋅鋼板，或用鋼板在金屬底層經(jīng)過熱噴鋅及表層噴塑處理，中間夾層采用聚胺脂材料、聚苯乙烯泡沫材料。這種方式存在抗曝曬、抗陽光幅射性差，隔熱保溫性能差，且容易產(chǎn)生凝露的缺陷。

②一種箱體外墻材料采用金邦板—它是以水泥、粉煤灰、硅粉、珍珠巖為主要原料，加入復(fù)合纖維增強，經(jīng)真空高壓擠出成型，并經(jīng)高溫高壓蒸汽養(yǎng)護、精細加工與多層噴涂而成。它具有綠色環(huán)保、輕質(zhì)高強、隔音隔熱、耐水防火、耐候抗凍等方面的特點。整個箱體采用高強度型鋼(工字鋼)組成的骨架構(gòu)成基本承重框架，以保證箱體具有出色的抗震、抗風性能。采用外保溫方式，整個箱體的墻壁是由金邦板、通氣層、防濕密封薄膜、歐松板、保溫材料、鋼結(jié)構(gòu)(薄壁方管)、紙面石膏板等材料組成。因此它具有卓越的氣密性和隔熱性，能有效地防止室內(nèi)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生，更不用擔心長期使用會導(dǎo)致箱體腐朽，同時具有防塵、防腐、防潮、防火性能。對環(huán)境有良好的協(xié)調(diào)性，能美化環(huán)境，可適應(yīng)各種氣候條件，外形美觀，可與周圍環(huán)境顏色相協(xié)調(diào)的。世界上很多國家，尤其是歐共體國家的箱式變電站、戶外配電箱的箱體，幾乎很少使用金屬材料制作，而采用非金屬材料，大多為玻纖特種水泥結(jié)構(gòu)的箱體。提高其人性化的程度。

2一體化箱式變電站的內(nèi)部環(huán)境

箱體內(nèi)部環(huán)境應(yīng)滿足照明、通風、防沙、防火、防盜、防鼠、散熱，應(yīng)滿足正常運行、維護要求，并應(yīng)加裝溫度、濕度測量表計、凝露器、煙霧報警裝置，并將溫度、濕度、凝露、煙霧報警探頭信號接入綜合自動化系統(tǒng)，可考慮遠程圖像監(jiān)控，同時還要考慮安裝通訊設(shè)備的位置。

①照明回路應(yīng)設(shè)置可控的事故照明，即無人值守站維修人員到場時再投入事故照明。避免耗費蓄電池能量，甚至影響保護設(shè)備的正常運行。

②可通過設(shè)計定時通風的通風系統(tǒng)，在不太損害室內(nèi)溫度的基礎(chǔ)上，通過把多余的水蒸氣排放到戶外，起到改善箱體內(nèi)部環(huán)境的作用。

③有火患時只需通過煙霧報警將信號遠傳同時啟動音響告警即可，值班人員即可做出相應(yīng)的處理。

④維護環(huán)境要合理，更趨人性化，觀察走廊至少大于900 mm，柜后維修通道不小于500 mm，最好是能夠做到在箱內(nèi)維護，不受惡劣天氣影響。應(yīng)設(shè)置必要的安全護欄及標志。

⑤預(yù)留必要的空間，為將來因科技的發(fā)展而出現(xiàn)的新設(shè)備預(yù)留一定的空間，防止出現(xiàn)無處安裝新設(shè)備的現(xiàn)象。

⑥要有可靠的接地環(huán)境，避免因接地不可靠而造成設(shè)備或人身損害，觀察走廊和維修通道應(yīng)鋪設(shè)絕緣膠皮。

⑦箱體內(nèi)安裝空調(diào)、除濕裝置及必要的自動加熱設(shè)備，這樣設(shè)備運行不受自然氣候環(huán)境及外界污染影響，可保證在-45℃～70℃的惡劣環(huán)境下正常運行。

3一體化箱式變電站的高壓一次設(shè)備

主變壓器采用自然冷卻、低噪音。斷路器可選用真空斷路器，電流、電壓互感器、站用變壓器選用干式設(shè)備，10 kV進線采用電纜連接，35 kV及10 kV母線上分別裝設(shè)避雷器各一組。開關(guān)柜主要是中置柜和固定柜，真空斷路器取代了早期的多油或少油斷路器，無爆炸火災(zāi)的危害，免維護和檢驗周期長，操作壽命及開斷次數(shù)達到萬次，是常規(guī)設(shè)備的50～100倍。在10 kV電壓等級主要是彈簧機構(gòu)以及永磁操作機構(gòu)。

①戶外設(shè)備主要是主變壓器，電容器，通常這兩種設(shè)備由用戶自行提供.因其裸露部分比較多，易燃易爆系數(shù)比較高，所以置于箱體外是比較科學(xué)的做法。但也有廠家應(yīng)用戶要求把電容器置于箱體內(nèi)，為符合國家相關(guān)規(guī)定，箱體無形中就擴大了許多，致使投資成本增加，運輸困難加大。

②開關(guān)柜采用固定柜或中置柜，配置彈簧機構(gòu)幾乎已經(jīng)成為一種模式。但因其柜體寬大(單柜:800/1000*1200/1500 mm)，機構(gòu)復(fù)雜，造成箱體龐大，因此只能把柜體的維護置于箱體外，即在箱體上開若干對應(yīng)的維護門，其結(jié)果是箱體大，維護環(huán)境差，受氣候影響比較大，開門過多造成箱體密封性不好，加大內(nèi)部環(huán)境的不易控制。

③隨著科技的發(fā)展，目前開關(guān)柜采用真空斷路器，配永磁機構(gòu)也成為一種潮流。該產(chǎn)品具有開斷性能好、可靠性高、機械和電氣壽命長、免維護等優(yōu)點;

具有代表性的ZN78型永磁操動機構(gòu)的真空斷路器，是我國引進國外先進技術(shù)設(shè)計并合作生產(chǎn)的一種新型的真空斷路器，這種設(shè)計可以使真空斷路器的電氣特性更優(yōu)良、機械結(jié)構(gòu)更簡單，可以大大提高機械可靠性，使斷路器可達到少維護或免維護。

ZN78型真空斷路器的永磁操動機構(gòu)與常規(guī)的操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)有著根本的不同。其主要不同點在于動鐵心與真空滅弧室上下直接連接。這種結(jié)構(gòu)形式有助于簡化斷路器的機械結(jié)構(gòu)，取消拐臂、轉(zhuǎn)軸和軸承。

它是一種采用電磁合閘、永磁保持及彈簧分閘的操動機構(gòu)。大大減少運動和傳動部件，分合閘時只需要較少的中間轉(zhuǎn)換連接機構(gòu)，減少了操作時電能的大量消耗，且只有幾個運動部件，可以大大提高機械可靠性。

柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計:采用斷路器縱向布置、直動式隔離開關(guān)、新型防誤操作閉鎖等先進的技術(shù)，因此體積(350*550)比傳統(tǒng)產(chǎn)品大大縮小;斷路器采用固定式安裝，移動抽出式結(jié)構(gòu)，便于現(xiàn)場的維護。

4一體化箱式變電站的自動化設(shè)備

為適應(yīng)無人值守和調(diào)度自動化的需要，在電氣二次部分，采用微機保護和綜合自動化系統(tǒng)，實時監(jiān)控，保障電網(wǎng)安全。融監(jiān)控、保護、遠動、通信等功能為一體的綜合自動化系統(tǒng)。在中低壓變電站實現(xiàn)全分散監(jiān)控。系統(tǒng)分為變電站層和間隔層，層間用通信網(wǎng)相接，極大減化變電站的二次接線，取消常規(guī)的中央信號屏，馬賽克模擬屏的設(shè)備，縮小了二次控制室面積，節(jié)省了綜合造價，也提高了整個綜合自動化系統(tǒng)運行可靠性和實用性。

①綜合自動化系統(tǒng)與縣調(diào)主站之間的通訊規(guī)約可采用CDT、101等規(guī)約，CDT、101規(guī)約為調(diào)度端和站端之間的信息傳輸制定了標準，建議今后變電站自動化設(shè)備的遠方調(diào)度傳輸協(xié)議上應(yīng)采用101規(guī)約。通訊通道可采用模擬載波、數(shù)字載波、無線電臺、光纖網(wǎng)、微波、擴頻、電話專線等，其中光纖網(wǎng)、載波投資比較大，電話專線比較經(jīng)濟。

②站內(nèi)值班室可設(shè)置后臺監(jiān)控，完成本地的“四遙”功能，即遙測、遙信、遙控、遙調(diào)。通過通訊管理單元可以完成遠方的“四遙”功能。可對運行參數(shù)進行遠方設(shè)置，對箱體內(nèi)濕度、溫度進行控制和遠方煙霧報警，滿足無人值班的要求，有條件的話還可以裝設(shè)圖像遠程監(jiān)控實現(xiàn)“遙視”功能。

③直流屏采用全封閉鉛酸免維護蓄電池，具有與綜合自動化的通訊接口(485或232方式)，為站內(nèi)各類繼電保護、通訊和直流操作機構(gòu)提供可靠的直流電源。

④五防閉鎖裝置:微機監(jiān)控裝置與微機五防閉鎖裝置應(yīng)有機結(jié)合，達到采樣信息共享、直觀、對應(yīng)、簡單易行。

⑤繼電保護及自動裝置:主變保護裝置:縱差保護，35kV側(cè)復(fù)合電壓閉鎖過電流保護、35kV側(cè)過負荷保護、重瓦斯保護、輕瓦斯告警、溫度保護等。

10 kV出線保護:速斷保護、過流保護、三相一次重合閘、低頻減載、接地選檢等。

10 kV電容器保護:過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護、不平衡保護等。

5一體化箱式變電站的占地面積

節(jié)約土地、少占耕地是我國土地政策的需求，城區(qū)建設(shè)土地日益緊張，因此電網(wǎng)能源建設(shè)應(yīng)本著節(jié)約土地的基本原則。以4 000 kV·A單主變規(guī)模變電所為例，建設(shè)一座常規(guī)35kV變電所，大約需占地3 000 m2左右，而且需要進行大規(guī)模的土建工程;而選用箱式變電站，35kV箱和10 kV開關(guān)箱兩箱體占地面積最小可至100 m2，包括35 kV其他設(shè)備總占地面積最大為300 m2，僅為同規(guī)模變電所占地面積的1/10，可充分利用街心、廣場及工廠角隅即可安裝投產(chǎn)，符合國家節(jié)約土地的政策。

6一體化箱式變電站的經(jīng)濟效益

① 投資省。箱式變電站較同規(guī)模常規(guī)變電所減少投資40%～50%，以35 kV單主變4 000 kVA規(guī)模變電所計算，土建工程(包括征地費用)箱式變電站要比常規(guī)變電所節(jié)約100余萬元.

②建設(shè)工期短。常規(guī)變電所因土建一般需要半年到一年，建設(shè)工程占有較長時間，而建設(shè)箱式變電站只需100天，因而能盡快發(fā)揮變電所的效益。

③運行管理及費用低。單從竣工投產(chǎn)角度分析，保守估計按每站提前2個月投運計算，若平均負荷2 000 kW，售電利潤0.10元/kW·h，2個月可增加凈利潤30余萬元;從運行角度分析，在箱式變電站中，由于先進設(shè)備的選用，變電站可實行狀態(tài)檢修，減少維護工作量，整體經(jīng)濟效益十分可觀。

④ 供電可靠性。能在不新增投資的條件下多供電。一方面，快速、可靠、準確的微機保護及自動化配合新一代的永磁機構(gòu)真空開關(guān)使用，使得誤動和拒動的事故率可降到零。另一方面， “四遙”的實現(xiàn)使調(diào)度員能直接對變電所各出線的負荷進行實時監(jiān)測和控制，能進一步加強負荷管理，提高負荷率。此外，自動化程度提高后，維修停電和事故處理等時間大大縮短。供電質(zhì)量得到進一步提高，通過遙調(diào)電壓能維持在較為理想的水平，電壓合格率在常規(guī)變電所的基礎(chǔ)上至少提高5%。

7一體化箱式變電站的設(shè)計靈活

箱式變電站由于結(jié)構(gòu)比較緊湊，每個箱均構(gòu)成一個獨立系統(tǒng)，這就使得組合方式靈活多變，一方面，我們可以全部采用箱式，也就是說，35 kV及10 kV設(shè)備全部箱內(nèi)安裝，組成全箱式變電站;也可以僅用10 kV開關(guān)箱，35 kV設(shè)備室外安裝，10 kV設(shè)備及控保系統(tǒng)箱內(nèi)安裝，對于這種組合方式，特別適用于農(nóng)網(wǎng)改造中的舊站改造，即原有35 kV設(shè)備不動，僅安裝一個10 kV開關(guān)箱即可達到無人值守的要求。箱內(nèi)布置可采用“一”型，或者“品”字型。當母線只有一段，并且出線回路不多時應(yīng)選用“一”型，箱體寬度和長度比較適中.當母線為兩段時應(yīng)采用“品”字型。箱式變電站沒有固定的組合模式，使用單位也可根據(jù)實際情況自由組合一些模式，只要滿足安全運行的需要即可。

8一體化箱式變電站的應(yīng)用展望

近年來箱式變電站，是當前農(nóng)網(wǎng)改造和今后變電站建設(shè)的主要方向，但就某些方面雖然還存在著一些不足，但是通過對箱式變電站的經(jīng)濟分析比較，科技技術(shù)研究，美觀實用性類比，居民用電可靠性要求越來越高，以及參照變電所“密布點，短半徑”的原則。箱式變體積小、占地面積少、布置靈活、安裝方便、節(jié)能環(huán)保、噪音小，有利于改善和美化環(huán)境。可以看到它必將隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高而大量運用于住宅小區(qū)的建設(shè)上，獲得大規(guī)模的發(fā)展，使電網(wǎng)運行水平再上一個新臺階。

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