10kV預(yù)裝式箱式變電站設(shè)計(jì)

摘 要： 箱式變電站是由高壓設(shè)備、變壓器、低壓設(shè)備、外殼通過電氣連接組合成的終端配電站，文章簡述了箱變高壓設(shè)備、低壓設(shè)備、變壓器及外殼的選型原則及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：箱變；高壓；低壓；變壓器

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

10kV箱式變電站可分為：歐式箱變、美式箱變、華式箱變。

美式箱變的主要特點(diǎn)是：高壓負(fù)荷開關(guān)和變壓器本體均油浸在油箱中。

華式箱變主要特點(diǎn)是：變壓器高、低壓接線端子在箱變外殼中，變壓器散熱部分裸露在外。

以下主要介紹歐式箱變即預(yù)裝式箱式變電站的設(shè)計(jì)。

10kV預(yù)裝式箱式變電站（以下簡稱箱變），是由高壓室、變壓器室、低壓室通過電氣連接組合在箱變外殼內(nèi)的戶外終端配電設(shè)備。因其具有組合靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，安裝施工周期短，能深入負(fù)荷中心，便于運(yùn)輸、遷移，運(yùn)行費(fèi)用低，無污染，免維護(hù)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工廠企業(yè)，住宅小區(qū)，城市公用，醫(yī)院，施工電源，公路隧道，鐵路沿線等。

自上世紀(jì)90年代后期，箱變逐漸成為替代常規(guī)土建變電站，配電站的理想終端配電設(shè)備。雖然習(xí)慣上把它分類：預(yù)裝式箱變、一體化箱變、緊湊式箱變、景觀式箱變、GRC箱變等，但其核心是由高壓室，變壓器室，低壓室，箱變外殼幾部分組成，文章對(duì)以上幾部分選型要點(diǎn)簡要介紹。

1 高壓室

高壓室一般由具有完備的“五防”聯(lián)鎖功能的10kV高壓設(shè)備組成。因箱變以緊湊小巧為特點(diǎn)，比較適合箱變的高壓設(shè)備為環(huán)網(wǎng)柜HXGN-10，XGN15-12，高壓設(shè)備內(nèi)一般裝配負(fù)荷開關(guān)+熔斷器組合，隔離開關(guān)+真空斷路器組合。

1.1 HXGN-12環(huán)網(wǎng)柜

負(fù)荷開關(guān)+熔斷器組合安裝在環(huán)網(wǎng)柜HXGN-10中，一般適用630kVA及以下容量的變壓器，負(fù)荷開關(guān)+熔斷器組合目前使用較多，它能滿足大部分終端客戶要求，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)廉物美，但它不能開斷短路電流。

負(fù)荷開關(guān)有：SF6負(fù)荷開關(guān)，壓氣式負(fù)荷開關(guān)，真空負(fù)荷開關(guān)。

當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，熔斷器可以在10ms內(nèi)動(dòng)作，切除短路故障，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大[ 1 ]。熔斷器選型見表1。

1.2 XGN15-12環(huán)網(wǎng)柜

隔離開關(guān)+真空斷路器組合一般安裝在環(huán)網(wǎng)柜XGN15-12中，適用800kVA-1600 kVA容量的變壓器。國內(nèi)10kV斷路器型號(hào)眾多，常規(guī)的為ZN28-12，ZN63-12，VS1-12，還有固封極柱式的，另外，國內(nèi)有些開關(guān)廠家，開發(fā)的一種集隔離開關(guān)、真空斷路器、接地開關(guān)為一體的組合電器也特別適合安裝在環(huán)網(wǎng)柜中。斷路器不僅能開斷、關(guān)合負(fù)荷電流，還能在微機(jī)保護(hù)控制下，切斷故障后的短路電流。微機(jī)保護(hù)可以通過接入的電壓互感器、電流互感器等測量元件的參數(shù)信號(hào)，對(duì)回路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，控制以及保護(hù)。比如速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、電壓保護(hù)，瓦斯、溫度保護(hù)等。

1.3 避雷器

目前多選用金屬氧化物避雷器，HY5WS-17/50，HY5WZ-17/45，前者適用于線路保護(hù)，后者適用變電站。它具有吸收各種雷電過電壓、工頻暫態(tài)過電壓、操作過電壓的能力，同時(shí)還可以吸收開關(guān)開合閘的浪涌電流，良好的密封性能、解污穢性能、機(jī)械性能和高可靠性能。

1.4 高壓計(jì)量

安裝在箱變內(nèi)的高壓計(jì)量柜，一般是對(duì)額定容量315 kVA及以上變壓器。計(jì)量電流互感器一般選用LZZBJ9-10，變比參見表1，精度等級(jí)為0.5/0.2S，計(jì)量電壓互感器一般選用JDZ10-10 10/0.1 kV，精度：0.2級(jí)，容量：30VA。計(jì)量電流互感器，電壓互感器由供電公司效驗(yàn)后，才能投運(yùn)，所以，它們應(yīng)方便拆卸和安裝。高壓計(jì)量柜表箱一般不得小于：600X500X150mm，并加鉛封鎖。

1.5 配網(wǎng)自動(dòng)化

箱變作為配電的終端設(shè)備，將逐步實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化，智能化。目前國網(wǎng)招標(biāo)的箱變就要求預(yù)留FTU、TTU安裝位置。它利用現(xiàn)代電子、通訊、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與配電設(shè)備結(jié)合，將配電正常運(yùn)行和事故突發(fā)情況下的參數(shù)檢測、設(shè)備保護(hù)、控制、計(jì)量以及供電公司的企業(yè)管理結(jié)合在一起，保證用戶用電質(zhì)量，協(xié)調(diào)用戶關(guān)系，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 變壓器室

2.1 變壓器選擇

箱變內(nèi)的變壓器一般選用配電變壓器。配電變壓器的長期工作負(fù)載率不宜大于85%；設(shè)置在民用建筑中的變壓器，應(yīng)選用干式或非可燃液體絕緣變壓器；預(yù)裝式變電站變壓器，單臺(tái)容量不宜大于800kVA[ 2 ]；箱變內(nèi)盡量選用D，yn11接線組別的三相配電變壓器[ 3 ]。油浸式變壓器有硅鋼片疊鐵芯：S11-M、S13-M，有硅鋼片卷鐵芯：S11-R、S13-R，有非晶合金：SH15-M。800 kVA及以上油浸變壓器都裝設(shè)氣體繼電器，它可以反映油箱內(nèi)的一切故障，包括：油箱內(nèi)三相短路、繞組匝間短路、繞組與鐵心或與外殼短路、鐵心故障、油面下降或漏油等。干式式變壓器有硅鋼片環(huán)氧樹脂澆注：SCB10、SCB11、SCB13，有非晶合金環(huán)氧樹脂澆注：SCBH15。選擇變壓器時(shí)，除滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，還應(yīng)綜合考慮節(jié)能和價(jià)格因素，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效果。

2.2 變壓器接線方式選擇

配電變壓器的連接組別主要有兩種D，yn11、Y，yn0。常用的是D，yn11[ 3 ]，它不僅有很好的防雷效果，還有效解決了中性點(diǎn)漂移問題，最主要的是能抑制3次諧波。

諧波對(duì)電網(wǎng)以及配電設(shè)備有很大的破壞性，其中3次諧波特別明顯、突出，它會(huì)對(duì)電子、通訊一類的弱電元器件以及弱電線路形成干擾，也會(huì)降低配電變壓器的工作效率，降低變壓器和配電設(shè)備的使用壽命，甚至降低供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

因原邊繞組為“D”形連接，勵(lì)磁電流中的3次諧波分量，可在原邊繞組三相線圈中產(chǎn)生環(huán)流。每一相繞組中的勵(lì)磁電流相互疊加后，呈現(xiàn)尖頂波形，鐵芯中的磁通因鐵芯飽和呈現(xiàn)正弦波形，感應(yīng)相電勢在原邊、副邊繞組中保持正弦波形，3次諧波分量被大量消除，有效抑制了3次諧波。D，yn11接線方式在抑制諧波方面比 Y，yn0接線具有很大優(yōu)勢。

2.3 負(fù)荷諧波

有些工業(yè)用戶，負(fù)荷中有中頻爐、高頻爐、鹽浴爐、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐、各種電力變流設(shè)備（整流器、逆變器、變頻器）調(diào)壓裝置、大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等產(chǎn)生諧波的設(shè)備時(shí)，最好選用過載能力強(qiáng)、諧波電流小、冷卻效果好的整流變壓器。如果使用普通的電力變壓器，因諧波造成的過電流、過電壓，會(huì)使變壓器內(nèi)部絕緣遭到破壞，使用壽命將大大縮短。曾有用戶負(fù)荷有諧波，變壓器使用不到三年就壞了，需、供雙方還打起官司。

2.4 并列運(yùn)行

按照《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求，單臺(tái)箱變變壓器容量不宜大于800kVA[ 2 ]，而有些配電工程所需容量比較大，可以采用2臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。2臺(tái)變壓器并列運(yùn)行要求變壓器的電壓等級(jí)、變比、額定容量、接線方式、阻抗均相同。

2.5 變壓器與隔板距離

變壓器與箱變隔板距離越大散熱效果越好。有實(shí)驗(yàn)表明：變壓器與箱變隔板距離為300mm時(shí)，散熱效果較好，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用。所以，變壓器與與箱變隔板距離一般設(shè)計(jì)為300mm左右，如果距離太大，箱變外殼也就大，不經(jīng)濟(jì)；太小，達(dá)不到散熱效果[ 4 ]。

3 低壓室

3.1 低壓開關(guān)柜

低壓室配置的低壓開關(guān)柜，主要是改進(jìn)型GGD，把標(biāo)準(zhǔn)高度2200mm改為1900mm，寬度和深度一般為1200（1000、800、600）X800（600）mm。也可以用標(biāo)準(zhǔn)的MNS、GCK、GCS低壓抽出式開關(guān)柜，它們的高度均為：2200 mm，箱變高度相應(yīng)增加；但是，箱變高度應(yīng)控制在2500 mm以下，否則，汽車運(yùn)輸時(shí)可能會(huì)超高。低壓開關(guān)柜一般由進(jìn)線柜，出線柜，電容補(bǔ)償柜組成，為了使箱變更緊湊，還可以把進(jìn)線柜和出線柜合并，設(shè)計(jì)成進(jìn)出線柜。為了使低壓開關(guān)柜操作方便、安全，應(yīng)避免在箱變中設(shè)計(jì)操作走廊，盡量在箱變外部操作。有操作走廊的箱變一般寬度會(huì)超過2500mm，運(yùn)輸時(shí)超寬。

3.2 低壓斷路器

低壓斷路器的選用，應(yīng)根據(jù)具體使用條件選擇使用類別，選擇額定工作電壓、額定電流、脫扣器（熱磁、電子）整定電流和分勵(lì)、欠壓脫扣器的電壓、電流等參數(shù)。

低壓總斷路器額定電流選擇見表1，可選擇ME（DW17）、DW15框架斷路器，DW45、□W□等智能框架斷路器。ME、DW45、□W□選用電動(dòng)抽出式，均有明顯的斷開點(diǎn)，目前使用較多；DW15要與隔離開關(guān)配合，占用空間較大，目前使用較少。

低壓出線斷路器按照配電用、照明用、保護(hù)電動(dòng)機(jī)用以及漏電保護(hù)用等不同選擇；根據(jù)控制、保護(hù)對(duì)象的相數(shù)，選擇單極、二極、三極、四極低壓斷路器。低壓出線斷路器一般連接出線電纜，出線電纜應(yīng)預(yù)固定，避免電纜重量直接讓斷路器承受，使斷路器開關(guān)出現(xiàn)分、合閘不靈活或其他故障[ 5 ]。

3.3 低壓計(jì)量

變壓器額定容量小于315kVA的變壓器才會(huì)采用低壓總計(jì)量。低壓計(jì)量電流互感器變比參見表1，一般精度等級(jí)為：0.2S、0.5S，一般用防盜箱封在變壓器低壓端子上。低壓計(jì)量表計(jì)有單相表，有三相表，均應(yīng)鉛封在不小于尺寸：600X500X150mm的表箱內(nèi)，防止竊電。

3.4 電容補(bǔ)償柜

常規(guī)補(bǔ)償一般按照變壓器額定容量的20-30%，工礦企業(yè)等特殊場合可補(bǔ)償40-50%。普通電容補(bǔ)償，一般選用隔離開關(guān)，熔斷器，接觸器CJ19，熱繼電器JR36，電容器BSMJ；如果考慮一般諧波因素，可以串聯(lián)電抗器CKSG。

電抗器會(huì)抬高電容器端電壓，其計(jì)算公式：

Un（串電抗器后的電容器電壓）=U（系統(tǒng)電壓）/1-K（電抗率）。

例：串6%電抗率的電容器，線路電壓400V，Un=400V/1-0.06=425.5V，宜選450V電容器。

因選用的電容器額定電壓升高，其實(shí)際電容補(bǔ)償量會(huì)有所降低，Q=（400/450）2×Qn=0.79Qn，實(shí)際容量只有標(biāo)稱容量的79%。

舉例：額定容量20 kvar，標(biāo)稱電壓450V的電容器，其額定電流：

I=Qc/（1.732*Ue）=20/（1.732*0.45）=25.66A，

熔斷器電流按照電容器額定電流的1.43倍選取：

1.43*25.66=36.69A，可以選用RT18-40A；

接觸器電流按照電容器額定電流的1.3倍選?。?/p>

1.3*25.66=33.358A，可以選用CJ19-43A；

熱繼電器電流按照電容器額定電流的1.15倍選?。?/p>

1.15*25.66=29.51A，可以選用JR36-60（22-45）A，

電抗器選用CKSG-1.2/0.45-6即可。

電容器回路中的合閘涌流以及諧波電流，可以通過串接電抗器在電容器回路中加以抑制。電抗器自身的感抗與電容器的容抗部分抵消。反方向電壓降抬高了電容器的端電壓，而降低了電容器的實(shí)際有效補(bǔ)償量。

因此，在進(jìn)行補(bǔ)償量的計(jì)算時(shí)，要綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行線電壓、電抗率的大小和電容器的額定電壓，詳細(xì)計(jì)算，加以修正，得出正確的補(bǔ)償容量。假設(shè)上例共10路，其標(biāo)稱總補(bǔ)償容量為200 kvar，實(shí)際電容補(bǔ)償量為0.79*200=158 kvar。

智能電力電容器是由智能測控單元、快速同期過零投切開關(guān)電路、線路保護(hù)單元、兩臺(tái)（△型）或一臺(tái)（Y型）低壓電力電容器組成。結(jié)構(gòu)緊湊，接線、安裝方便快捷，已逐漸被用戶所接受。因其把元器件組裝在一起，按照產(chǎn)品說明書選型即可。

3.5 CCC認(rèn)證資質(zhì)

箱式變電站屬于10kV產(chǎn)品，不屬于中國質(zhì)量認(rèn)證中心的強(qiáng)制認(rèn)證產(chǎn)品。個(gè)別地方質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局對(duì)這個(gè)理解有異議，會(huì)對(duì)箱變內(nèi)低壓柜檢查CCC標(biāo)志。

中國國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)的回復(fù)是：箱變內(nèi)裝配的低壓開關(guān)柜如果是自己公司生產(chǎn)的，可以不具備CCC認(rèn)證資質(zhì)，如果是外購的，則需要具備CCC認(rèn)證資質(zhì)[ 6 ]。

4 外殼

4.1 箱變外殼材質(zhì)

箱變外殼材質(zhì)一般分為：非金屬外殼、金屬外殼。非金屬外殼以玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）外殼用量較大。墻板、頂蓋、門都用GRC材質(zhì)的是壓鑄成型的，澆注成型的墻板、頂蓋，大門一般使用復(fù)合夾芯板材料，用鋁合金包邊。

金屬外殼一般有：不銹鋼、覆鋁鋅板、鋼板。201不銹鋼在室外，會(huì)生銹，304不銹鋼防腐效果就好些，也最常用，海邊鹽霧比較大的惡劣環(huán)境，需要用316不銹鋼。覆鋁鋅板具有優(yōu)良的耐腐蝕性和耐熱性，良好的導(dǎo)電性和加工性，鍍層與漆膜的附著力好，使用壽命可達(dá)25年。特別要注意斷口處的防腐處理。當(dāng)使用鋼板時(shí)，表面應(yīng)進(jìn)行噴砂處理，并噴涂優(yōu)質(zhì)防腐涂料；還可以熱噴鋅或達(dá)克羅處理，保證箱變外殼20年不銹蝕。

4.2 其它要求

箱變由高壓室、變壓器室、低壓室三個(gè)獨(dú)立小室組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可按品字形或目字型布置。箱變可采用自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)兩種方式，在自然通風(fēng)條件下，額定負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的變壓器溫升，應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，達(dá)不到要求溫控儀可啟動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)，強(qiáng)制排風(fēng)。

箱變內(nèi)部宜采取除濕、防爆和防凝露措施，并具有照明功能。箱體整體防護(hù)等級(jí)不低于IP33D，除變壓器室外的其他隔室對(duì)外界的防護(hù)等級(jí)不得低于IP43D。各隔室之間的防護(hù)等級(jí)不得低于IP3X。頂蓋盡量采用雙層、斜頂結(jié)構(gòu)，有隔熱作用，減少日照引起的變電站室內(nèi)溫度升高，并確保站頂不滲水、滴漏。箱變大門鎖盒宜采用戶外鋁合金鎖盒，所有的大門應(yīng)向外開，開啟角度應(yīng)大于90°，并設(shè)定位裝置。

箱變外側(cè)立面除明確標(biāo)示“高壓室”、“變壓器室”、“低壓室”字樣外，還應(yīng)設(shè)置明顯的安全警告標(biāo)識(shí)和標(biāo)志，如“有電危險(xiǎn)”、“禁止攀登”，閃電符號(hào)。箱變外形寬度尺寸不宜超過2200mm，高度尺寸不宜超過2500mm。

5 結(jié)論

箱變高壓側(cè)設(shè)備采用負(fù)荷開關(guān)+熔斷器組合，能夠滿足大多數(shù)用戶使用要求，箱變實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化、智能化是今后的發(fā)展方向。箱變內(nèi)宜選用Dyn11連接方式的變壓器。箱變低壓側(cè)設(shè)備宜選用改進(jìn)型GGD開關(guān)柜。設(shè)計(jì)箱變時(shí)，特別要注意用戶負(fù)荷有無諧波，正確計(jì)算修正補(bǔ)償容量。正常情況下，箱變不宜超寬，超高。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

王慶保（1964-），男，工程師，從事電氣成套設(shè)計(jì)工作20年，研發(fā)中心主任，擁有實(shí)用新型國家專利4項(xiàng)，發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查1項(xiàng)，已受理發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型2項(xiàng)。

1）專利號(hào)：ZL 201520126576.2

一種吊裝開關(guān)柜移動(dòng)用的起吊架

王慶保

2）專利號(hào)：ZL 201520126559.9

一種風(fēng)電場箱式變電站防風(fēng)沙密封散熱裝置

王慶保

3）專利號(hào)：ZL 201520166883.3

一種箱式變電站底部穿引電纜用密封固定裝置

姜明珠 王慶保 彭成強(qiáng) 郭敬然

4）專利號(hào)：ZL 201521140456.4

一種變壓器模擬運(yùn)輸試驗(yàn)臺(tái)

王慶保 丁保江 賈天具