高壓/低壓預(yù)裝式變電站節(jié)能影響因素的研究

王建全，劉琦，孔繁婷，陳健，付寶鑫

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300000）

高壓/低壓預(yù)裝式變電站（簡(jiǎn)稱(chēng)“箱變”或“箱式變電站”）廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)配電網(wǎng)，如城市高層建筑、居民小區(qū)、市政設(shè)施、工廠、礦山、油田等場(chǎng)所，屬于持續(xù)消耗電能的設(shè)備，箱式變電站是一種將高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、低壓補(bǔ)償按一定接線方式組成一體的配電終端設(shè)備。它將高壓受電、變壓器降壓、低壓配電補(bǔ)償?shù)裙δ苡袡C(jī)地組合在一起。隨著電力需求的不斷增加以及電網(wǎng)的擴(kuò)容建設(shè)，它的裝機(jī)容量也在不斷地增加。兩會(huì)政府工作報(bào)告中，碳達(dá)峰、碳中和兩個(gè)概念首次進(jìn)入大眾的視野。報(bào)告中指出，2030年前我國(guó)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這是黨中央經(jīng)過(guò)深思熟慮后作出的重大戰(zhàn)略決策。由此可見(jiàn)，國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視，未來(lái)配電產(chǎn)品做節(jié)能認(rèn)證是大勢(shì)所趨，箱式變電站作為城市配電系統(tǒng)的終端，對(duì)它節(jié)能性研究應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)對(duì)節(jié)能性研究進(jìn)而分析其影響節(jié)能性的各種因素，才能更好地對(duì)箱變進(jìn)行改進(jìn)，更好地優(yōu)化電網(wǎng)。

1 范圍

箱式變電站，從結(jié)構(gòu)上可為歐式箱變、美式箱變、國(guó)產(chǎn)箱變。現(xiàn)在比較常見(jiàn)的箱式變電站就是歐式箱變。

電壓等級(jí)：3.6kV～40.5kV（常用的等級(jí)6kV、10kV、24kV、35kV）頻率：50Hz及以下額定容量：箱變的容量通常根據(jù)變壓器的容量而定，當(dāng)額定電壓比為10、6/0.4kV時(shí)，可從幾十kVA～幾千kVA；當(dāng)額定電壓比為35/10、6、0.4kV時(shí)，可從幾百kVA～上萬(wàn)kVA。不同容量的箱變損耗值相差很大，因此在同等電壓等級(jí)及相同容量的箱變之間做節(jié)能性的研究才有意義。

2 影響因素

2.1 變壓器選型

2020年12 月，工業(yè)和信息化部、市場(chǎng)監(jiān)管總局、國(guó)家能源局聯(lián)合制定了《變壓器能效提升計(jì)劃》，就是為了加快高效節(jié)能變壓器推廣應(yīng)用。由于變壓器是箱式變電站內(nèi)，乃至電網(wǎng)的主要耗能設(shè)備的主要損耗設(shè)備，因此在經(jīng)濟(jì)條件允許下，選用空載損耗更低的變壓器，能夠有效地減少電能損耗。大量的工廠調(diào)研及數(shù)據(jù)顯示，空載損耗的降低主要是生產(chǎn)材質(zhì)的改進(jìn)發(fā)展，目前，非晶、超微晶軟磁合成材料已制成各種磁性器件代替硅鋼、鐵氧化提等，下面比較箱變中常用的各類(lèi)油浸式變壓器的損耗，如表1。

表1 變壓器損耗比對(duì)表

表1中羅列的是現(xiàn)在天津國(guó)網(wǎng)公司箱變中選用的比較常見(jiàn)的變壓器型號(hào)及容量。首先，表1中可以清晰地看到，采用SBH15型即非晶合金變壓器的空載損耗更低，可以有效地降低總損耗；其次，630kVA和400kVA的變壓器相比，即使容量更大的非晶合金變壓器的空載損耗增長(zhǎng)很小?？蛰d損耗的降低確實(shí)可以一定程度上降低總損耗，所以在變壓器選型階段在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，選擇SBH15型非晶合金的變壓器是可以有效地減低損耗的。最后，箱變?nèi)萘康拇笮?duì)損耗的影響是不容忽視的，因此在箱變裝機(jī)前，準(zhǔn)確計(jì)算出裝機(jī)區(qū)域的容量需求是非常必要的，除了降低損耗還可以避免裝機(jī)容量過(guò)大而產(chǎn)生的成本浪費(fèi)。

2.2 溫度控制

上面我們探討了變壓器選型有效的降低空載損耗的問(wèn)題，通過(guò)表1不難看出，即使降低了空載損耗，而負(fù)載損耗值依舊很大。負(fù)載損耗主要來(lái)自線圈電阻的損耗，而電阻損耗會(huì)隨著溫度的增加而增加。因此為降低變壓器損耗，變壓器室的溫度控制需要給予考慮。箱式變電站其他功能室（高壓室、低壓室）的損耗都是由器件產(chǎn)生的，箱變內(nèi)的空間狹小，且整體為封閉型結(jié)構(gòu)，這必然會(huì)造成箱體內(nèi)的溫度偏高，導(dǎo)致器件損耗增加。不僅如此，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致低壓室的補(bǔ)償回路電容器自動(dòng)退出運(yùn)行，導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償不足，影響電能質(zhì)量。因此，其他功能室內(nèi)的溫度控制也需要考慮。

箱式變電站的各類(lèi)器件全部在箱體內(nèi)部，而變壓器是箱式變電站中的主體散熱設(shè)備，為保證正常工作，需要通過(guò)自然通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)的方式將變壓器產(chǎn)生的大量熱量排出室外。風(fēng)機(jī)的加入雖然會(huì)提高輔助回路的損耗，但合理的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行方案，再結(jié)合通風(fēng)口分布設(shè)計(jì)，不但可以降低變壓器的損耗，延長(zhǎng)變壓器壽命，還能降低低壓側(cè)器件損耗，延長(zhǎng)器件使用壽命，使電能質(zhì)量得到一定程度的保證。

2.3 補(bǔ)償回路

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電力系統(tǒng)中起到了提高電網(wǎng)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)損耗、提高供電效率等作用，因此合理的應(yīng)用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)能夠很好地提高電能質(zhì)量。箱式變電站中加入了補(bǔ)償回路的設(shè)計(jì)，雖然為電網(wǎng)的電能質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)，與此同時(shí)，也增加了自身的損耗。因此補(bǔ)償回路的容量、元器件的選擇都需要做出合理的設(shè)計(jì)，希望可以到達(dá)利益最大化?，F(xiàn)階段，大量的箱式變電站在補(bǔ)償回路中采用智能電容器作為補(bǔ)償裝置。這樣的設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，結(jié)構(gòu)方面，智能電容模塊化、體積小、集成度高，大大簡(jiǎn)化了普通補(bǔ)償回路的線路，在降低線損上貢獻(xiàn)了力量。第二，控制方面，首先完美實(shí)現(xiàn)了過(guò)零投切，無(wú)過(guò)壓、無(wú)火花更加的安全。其次智能電容器根據(jù)負(fù)荷無(wú)功功率的大小自動(dòng)投切，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率，改善電能質(zhì)量，合理投入電容器容量，避免無(wú)謂損耗。第三，保護(hù)方面，智能電容器具有停電保護(hù)、短路保護(hù)、電壓缺相保護(hù)、電容器過(guò)溫保護(hù)等功能，有效保障電容器安全，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

2.4 智能系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行

日益進(jìn)步的自動(dòng)化水平也推動(dòng)著箱式變電站的智能系統(tǒng)不斷發(fā)展，它主要由智能型元器件、通訊設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)組成，具備“四遙”的智能化功能，即遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)，每個(gè)單元均具有獨(dú)立運(yùn)行功能，也能夠反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)值與最佳運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)值相比，自動(dòng)做出最佳運(yùn)行調(diào)整方案，如變壓器的最佳負(fù)荷率調(diào)整、補(bǔ)償回路的無(wú)功補(bǔ)償方案等。良好的智能系統(tǒng)可以做到無(wú)人值守、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。復(fù)雜嚴(yán)密的智能系統(tǒng)必然會(huì)提高箱式變電站自身?yè)p耗，但最佳的運(yùn)行狀態(tài)不但能避免不必要的運(yùn)行浪費(fèi)，更能延長(zhǎng)各類(lèi)器件的使用壽命，兩相相比，智能系統(tǒng)下箱變的優(yōu)化運(yùn)行更加節(jié)能環(huán)保。

2.5 其他

箱式變電站作為電網(wǎng)的中堅(jiān)力量，對(duì)于它的研究及升級(jí)改造從未停止過(guò)。特別是能源問(wèn)題日益突顯的今天，對(duì)于它的節(jié)能研究更是意義深遠(yuǎn)。低壓側(cè)常采用GGD、MNS、GCS等進(jìn)行配電。近幾年，國(guó)家電網(wǎng)關(guān)于箱式變電站的技術(shù)要求做出了改變，匯流排采用工字異型母排，這樣雖然成本有所提高，但是減少了母排之間的搭接，減低了線路損耗。去掉了低壓柜的外殼，將低壓側(cè)的元器件直接安裝在隔板上，增大了通風(fēng)空間，降低了低壓側(cè)元器件運(yùn)行發(fā)熱而帶來(lái)的損耗。地埋式箱變以較小的占地面積、靈活的安裝位置、較高的安全性能等優(yōu)點(diǎn)，迅速搶占了市場(chǎng)，裝機(jī)容量與日俱增。從節(jié)能性的角度，地埋式箱變由于占地面積小，可以比較靠近負(fù)荷中心進(jìn)行安裝，減少了電纜的長(zhǎng)距離敷設(shè)，使得在應(yīng)用中更加節(jié)省了線路上的損耗。

3 結(jié)語(yǔ)

箱變從生產(chǎn)安裝到元器件選型，再到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改善，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)箱變的節(jié)能性產(chǎn)生影響。從上述的原因分析中抓到主要矛盾，其一容量的選擇，小容量的箱變損耗必然小，所以裝機(jī)時(shí)容量的選擇很重要。其二變壓器的選型，節(jié)能型的變壓器，損耗一定低于普通型變壓器。次要矛盾就是溫度控制、智能系統(tǒng)、補(bǔ)償回路、結(jié)構(gòu)改變等。但無(wú)論是主要矛盾還是次要矛盾，要想達(dá)到節(jié)能的效果，必然會(huì)帶來(lái)一些經(jīng)濟(jì)上的付出，所以平衡節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)支出，得到最優(yōu)方案，才能做到利益最大化。