箱式变电站设备的选型设计.docx
《箱式变电站设备的选型设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《箱式变电站设备的选型设计.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
箱式变电站设备的选型设计
1引言
随着城市现代化建设的飞速发展，上海大屯能源股份有限公司供电网络（配电网）不断更新改造,高压直接进入负荷中心，形成高压受电———变压器降压———低压配电的供电格局。
箱式变电站正是这种集成化程度高，工厂预安装、节能、节地的发展中设备，因而在供电网络中得到广泛应用。
至2002年前，上海大屯能源股份有限公司供电网络三十年来一直使用70年代的产品，设备容量小，不同程度老化，事故发生率高，每年事故抢修需耗费大量的人力、资金、物力，2002年公司对电力设备进行大幅改造，引入箱式变电站，从2002年引进第一台箱式变电站到目前6年时间箱式变电站数量已达28台，分别装设在生产、生活用电负荷较大、人口密集区域，供电可靠性高。
先后投运了630kVA的箱变六座：
一座10kV电源环网式、五座终端式，而且还计划连同线路配网自动化工程一起实现调度自动化。
箱变投入后，已初步收到良好效果，事故率明显降低。
生活用电负荷较大、人口密集区域，供电可靠性高。
先后投运了630kVA的箱变六座：
一座10kV电源环网式、五座终端式，而且还计划连同线路配网自动化工程一起实现调度自动化。
箱变投入后，已初步收到良好效果，事故率明显降低。
从箱式变电站试验验收检查和运行中我们发现，箱式变电站有很多优点，但其结构中还存在很多不足，有的问题在各箱式变电站中重复出现，如设备与箱体间间距不够等，为了箱式变电站的发展，有必要将遇到的问题提出，以便于诸多厂家设计人员在今后的箱式变电站发展应用中不断改进。
国家经济不断发展，人民生活水平明显提高，家用电器如空调、微波炉、电磁炉等用电设备已逐步在普通家庭中普及使用。
居民用电负荷剧增，投用多年的配电站设备已不能满足日益增长的用电负荷的需要，反映在如下几方面：
（1）、配电站内的变压器容量普遍偏小，原设计容量仅满足居民照明，生活用电需要，所以急待增容。
（2）、投用多年的变配电站设备已老化，线路绝缘材料出现破损，线径细，容量小，站内设备技术性能、工艺水平落后，操作手续繁琐，故障率高，每年夏季均会发生多起设备烧毁，居民小区停电等事故，急需改造。
（3）、配电室面积普遍偏小，不能满足设备增容及扩建改造的需要。
（4）、随着公司的扩建，各式酒店、旅社、居民生活小区不断建设，急
需增设变配电站
（5）、随着近几年的公司建设发展，公司空地越来越少，地价越来越高，人们对环境美化的要求不断提高，希望变配电站占地面积小、美观，原来变配电室的布设位置、式样很多已经影响城市的市容及城市规划建设，需要拆除。
（6）、建造一所普通变配电站从土建到设备投运需要数月到一年，耗时长、费用高，对居民的日常生活影响较大，已不适合城市高效快速发展的要求。
因此，以结构紧凑、占地面积小、布置灵活、噪音小，现场安装工作量少、安装周期短、投资少等诸多优势占领欧美市场的箱式变电站于2002年引进大屯能源股份有限公司。
2箱式变电站简介
2.1概念
箱式变电站简称箱站，又称户外成套变电站，又称高压/低压预装式变
电站，又称组合式变电站，它是集高压开关柜、变压器、低压开关柜于一体，并在制造厂内装配完成的变电站。
它起源于20世纪60年代，于欧美等西方发达国家普遍使用的一种户外成套变电站，由于它具有组合灵活，便于运输、迁移、安装方便，施工周期短、运行费用低、无污染、免维护等优点，很快在很多国家应用。
进入20世纪80年代初期，我国开始出现简易欧式箱式变电站，电力部也相应制定了部颁标准，但应用并不广泛，到90年代末期，城网扩建加快，特别是农网改造工程的启动，箱式变电站以其凸显的优势得以迅速研发、生产，制造技术及制造规模等都进入了高速发展的快车道，箱式变电站被广泛应用于商务中心、居民住宅小区、车站、港口、机场、仓库、公园、油田、工厂、矿山、市政工程、临时性施工工地等，布置方式灵活多样。
经过十几年的发展，我国箱式变电站的生产厂已达数百家，全国年产量达数万台。
国内箱式变电站的电压等级已达到35kV，箱式变电站已成为我国城市电网建设和农网改造的重要电力装备。
2.2箱式变电站的结构箱式变电站从来源和产品结构分为：
欧式和美式两种。
欧式箱站的最大特点是“组合”，又称组合式箱站。
组合式箱站一般由变压器室、高压室、低压室组成，高压室有高压配电装置——高压真空负荷开关、高压熔断器和氧化锌避雷器、电压互感器、电流互感器、支持绝缘子、母线等组成，可以进行停送电操作并且有短路保护。
低压室有低压配电装置——低压空气开关、支持绝缘子、母线、电力电容器、低压电流互感器、电流表、电压表及电度计量装置等组成的。
组合式箱站是将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置用3个不同的隔室隔开，通过电缆或母线来实现的电气连接，一个箱站内可放置1台或2台变压器，我公司低压出线回路最多的达9条，箱站尺寸变化较大，可对变压器、高压开关、低压开关、柜型自由选择，所用高低压配电装置及变压器均为常规产品，容易购买更换。
变压器一般采用S9或S11或干式变压器等。
高压室、变压器室和低压室设备布置有目字型或品字型2种布局方式，目字型布局与品字型布局相比，目字型接线较为方便，我公司箱站目字型布局与品字型布局都有，大多采用目字型，
2.3
图2.2-1目字型布局
图2.2-2品字型布局
由于总体设计是按照免维护型考虑的，目字型布局箱站内操作走廊很小。
欧式箱变表面处里的方法较多，采用传统的喷漆、烤漆、喷塑等方法进行处理，还有水泥板结构的壳体外贴上彩色瓷砖，或贴贴面等方法进行表面处理，特别是置于住宅小区的箱变外观，与当地建筑物的风格协调统一。
美式箱站就是所谓的一体式箱站，它是以变压器为主体，把高压熔断器及负荷开关装在变压器油箱内，构成一体式布置。
这种型式的箱站体积更小，其体积近似于同容量的普通型油浸变压器，仅为同容量组合式箱站体积的1/3左右，美式箱站用在中性点直接接地系统。
在美国，箱站的使用量已达配电变电站的90%在美国箱站符合“美国电力制造商协会（NEMA”，和“美国国家标准局（ANSI）”所颁布的最新标准，美式箱变的主要特点：
（1）、过载能力强，允许过载2倍2个小时，过载1.6倍7个小时而不影响箱变寿命。
（2）、采用肘式插接头，可以十分方便高压进线电缆的连接，并可在紧急情况下作为负荷开关使用，即可带电拔插。
（3）、采用双熔断器保护，插入式熔断器为双敏熔丝（温度、电流）保护箱变二次侧发生的短路故障，后备限流保护熔断器保护箱变内部发生的故
障，用于保护高压侧。
（4）、变压器一般采用高燃点油（R—TEMP）
2.3美式箱变的高压负荷开关
美式箱变的负荷开关是放入到变压器油箱内。
采用二位置油浸式负荷开关（T型）和四位置油浸式负荷开关（V型），是美式箱变的专用开关，油二位置为终端式、四位置为环网式。
2.4关于美式箱变的缺陷两种位置开关都具有三相联动的旋转式机构，能在额定电流下进行切换，但不能用来开断故障电流。
T型四位置开关可允许在变压器不励磁的情况下保持环网连通。
四位置开关需要使用专用的绝缘操作杆进行操作，可按任一个方向旋转360o,以选择供电方式。
四位置开关转动机构中装有加速弹簧，以确保快速开断或接通开关，减少供电中断时间。
在操作前先将开关位置指示牌调整到原位置和新位置之间。
操作时要干脆利落,不要在转动中途松开或停止,否则会产生有害电弧,也不能中途停顿后再反方向转换。
操作到新位置时应略转过指示开关,待听到“喀嗒”声,表示开关已进入位置,这时才可松开操作杆,并将操作杆返回到正常位置。
由于此负荷开关是放在变压器油箱中,其关合位置只能根据外部操作面板的指示来判断,而且其操作要通过专用的绝缘操作杆来进行,所以其操作较比复杂。
从这一点来看,其操作很不方便。
此外,由于看不见负荷开关的开断触头（即明显断开点）,所以在开断后,给人们一种不放心的感觉。
此外,其负荷开关一旦发生故障,更换、维修都将是十分困难。
美式箱变在油箱中填充的油一般为F—TEMP油，其燃点可达312C，并且具有优良的电热特性、绝缘强度高、润滑性好、熄弧能力强、无毒、可以进行生物分解，因此最大程度地减少了对环境和健康的危害。
F—TEMF油不
象传统矿物油那样会形成沉淀物，而国产美式箱变绝大部分填充的都是25#普通矿物油。
此外，一般情况下美式箱变的油箱上部都充有惰性气体，以防止空气中的水份交换到油中去。
而国产的美式箱变可能还没有企业进行此项工作，由于负荷开关，熔断器与变压器铁心、线圈均在一个箱体内，以变压器油作为它们的共同绝缘和冷却介质，而负荷开关的开断、熔断器遇短路电流而熔断的过程，将不可避免的产生电弧，使变压器油碳化、游离，导致变压器油加速老化，油的性能就要降低，加之其密封性能达不到要求，所以必须定期换油。
其次，美式箱变由于其结构特点，也使输出路数的增加，受到一定程度的限制。
美式箱站箱体采用防腐设计和特殊喷漆处理，适用于各种恶劣环境，如多暴风雨和高污染地区。
其箱体在喷漆前经过八道预处理工序，然后进行七道喷漆和烘烤工序才算完成。
而国内生产的美式箱变壳体几乎没有进行特殊处理，采用酸洗后，静电喷涂处理，甚至有的企业连酸洗处理都不进行，更有甚者，在外表面上只进行喷漆处理，可想而知，其外壳的防腐能力如何。
即便是静电喷涂处理，由于底表面进行处理时往往会出现一些死角，而静电喷涂在这些没有处理好的部位上很难喷涂上粉末，所以必然留下锈蚀的隐患。
由于箱变要长年累月的在风吹、雨淋、日晒的户外环境中工作，如果表面处理不好，锈蚀将十分严重。
美式箱站执行的是ANSI美国标准免维护20年。
而我国生产的美式箱站，执行是GB/T17467-1999《高压/预装式变电站》一一国内标准，不同标准下的箱站在要求、设备材料、设备制造技术、工艺、间距要求、变压器材料等方面都存在很大差别，设计人员完全套仿国外产品，质量无法保证，比如：
公司发电厂供电部近期购进某大变压器厂生产的一台美式箱站，变压器ZGS11-Z-630/10,△/Yn。
型，负荷闸刀在箱体内一体式，箱站设计人员在箱站安装时到施工现场，当我们问及箱站有关问题时，箱站设计人员竟连安装在箱站测面的压力表是监测什么压力？
如何观测？
何种情况指示安全压力位置？
什么情况指示危险压力？
压力阀在什么情况下动作，释放压力？
一概不知，这样的设计人员设计产品的科学依据是什么？
这样的产品质量能有保证吗？
该箱站在交接试验时发现如下问题：
1）、变压器低压侧零线拆除后，摇测变压器低压出线绝缘电阻仍然为零并且伴有放电声；2）、380V控制开关
下侧查出两处错误接地，我们把箱站低压侧所有接地点拆开查找接地点，箱站空间距离小，拆装均不方便，箱站出厂检查不到位给现场带来很多麻烦；3）、低压侧连接导线均为普通绝缘线，不阻燃；4）、低压开关间距离太近，
低压开关壳体互相挤压。
本来为免维护产品，可在新装检查就发现问题，质量可想而知。
另一台在铁路投用4年的美式箱站已经出现变压器分接开关渗油问题，该分接开关安装在箱体侧面，分接开关密封垫质量出现问题，出现渗油，无法处理。
大屯能源股份有限公司供电网络范围28台箱站中仅有2台美式箱站，目前2台都存在问题。
电力设备用电一般都不太均衡，而且负荷侧短路故障也是十分突出。
一旦二次侧短路故障达到一定数量级时，完全有可能造成插入式熔断器熔断而导致两相运行，如果不能及时发现，就会诱发更大故障。
因此此种保护不太理想。
由于用电负荷侧的故障是随机的且不可预料，加之我们很多制造厂对低压侧的配电开关选择不是很合理，所以很容易导致插入式熔断器的某相熔断之现象。
对于美式箱变的后备保护熔断器，主要作用是保护变压器一次侧绕组发生的短路故障，换句话说，变压器的一次绕组短路造成限流熔断器熔断后，这台箱变基本上就不可能再维修了，只能返厂。
因此，此熔断器熔断，一次侧短路都会给美式箱变带来无法修复的后果。
整个箱站就不能在短时间内恢复送电，影响正常供电。
从目前两台美式箱站使用情况看，国产美式箱站仿制美国的产品，很多技术要求不清楚，在选材上就会有很大的出入，质量达不到免维护20年的要求，设备都在箱体内又不能按常规检修，由于以上种种原因，目前在选购箱站时我建议尽量选用欧式箱站或进口美式箱站，待以后国产美式箱站质量提高或另一组熔丝改造可更换后再大批购置。
下文提出的有关箱站建议均为欧式箱站内容。
美式箱变依靠插入式熔断器来进行油温保护，用一个温度计来显示油温，当油温太高时，插入式熔断器保护，一个压力释放阀，用来释放油箱内太大的压力。
因此，应该经常检查在此两种情况下熔断器是否正常运行，巡视检查运行检视仪表：
压力计，压力释放阀、油位计、油温表位置及外壳是否发生渗漏油现象。
2.5箱站容量选择选择箱变容量，以居民小区现有的负荷为依据，适当考虑负荷发展，选择箱变容量按照5年电力发展计划确定。
箱壳高、低压室和变压器室应设有自动照明装置，有防尘、防凝露措施，变压器室通风良好，装置高压配电装置具有防误分、误合断路器；防止带负荷分合隔离开关；防止带电挂（合）接地线（接地开关）；防止带接地（开关）合闸；防止误入带电间隔等“五防”功能。
箱站外壳大多采用铝合金钢板或不锈钢体或聚苯乙烯复合板,材料可以是金属、非金属或者两者结合，要求耐受一定的机械力的作用和具有足够的机械强度，应能承受因内部故障电弧而引起的冲击力,壳顶一般都采用隔层结构，箱体采用双层密封，双层铁板间充入高强度聚胺脂的隔热材料，具有隔温、防潮等特点。
底盘钢架金属喷锌,有良好的防腐性能。
在外形设计时要尽量考虑与外界环境协调。
箱式变电站一般用于户外，因此在结构上必须采取一系列措施，要防止凝露，否则会引起闪络放电；要防发热，否则轻则引起设备功率下降，重则烧毁设备；要防腐蚀，因为外壳在户外风吹雨淋之下很容易受到腐蚀；要防水，否则雨水进入箱式变电站后，会影响设备正常工作；要防爆炸，主要是从人身安全方面考虑。
由于箱式变电站经常用在生活小区等场所，还要考虑它的外观，增加美学特点，甚至还要进行人性化设计，如不能太高，以免影响人们的视线，也不能太低，以免有人爬到变电站顶上，造成危险。
箱站中的电器设备元件，要求选用优质产品，元器件的技术性能均应满足相应的标准规范要求。
为了可靠实现五防要求，各电器元件之间采用机械联锁。
另外箱式变电站还具有电能检测、显示、计量的功能，并能实现相应的保护，还设有专用的接地导件，并有明显的接地标志，箱体所有大门及配电屏门均要接地，采用软铜带，联接可靠。
柜内所有电器元件均应选用具有生产许可证并满足电力部门要求的正规厂家产品。
柜内的绝缘件应采用耐电弧、高绝缘材料，以保证设备的绝缘水平和当一段故障时不至于延伸到其他间隔。
箱站的配置应满足图纸设计要求。
3箱式变电站相关设备的选择
3.1电气设备的选择
箱站系统额定电压为10kV，额定电流不小于配变10kV侧额定电流的2倍。
10kV电源从进线柜用高压电缆引入。
柜内装有电缆头和HY5W-12.7/50
金属氧化物避雷器，配变控制柜内，装有带接地连锁的10kV隔离开关，它
作为配变检修时与电源有明显断开点并安全接地。
配变高压侧选用FZRN25-12D/T200-31.5型户内交流高压负荷开关一熔断器组合电器。
开关为弹簧储能机构，可手动或电动跳、合闸，作为配变投、切使用。
熔断器的熔丝额定电流按配变高压侧额定电流的1.5倍选择，作为配变高压侧过负荷保护。
变压器室内，安装S9型、S11型或干式10/0.4kV低损耗变压器1〜2台。
变压器额定容量Se可按供电半径500m内供电台区内的最大负荷Pmax和经济负载系数B计算：
UJU。
”。
®
经计算大屯煤电公司一般选用250〜630kVA为宜。
选择两台配变时，应满足一台配变检修或事故时，另一台能保证对用户正常供电。
箱变容量的选择对综合投资效益有很大影响。
变压器容量选得过大，不仅一次性投资大，空载损耗也大。
变压器容量选得过小，变压器负载损耗增大，一方面变压器的最佳负载率（即效率最高时的负载率），不是在额定状态下，而是在40%〜70%之间，负载率过高，损耗明显增大；另一方面，由于变压器容量裕度小，负荷稍有增加，便需更换大容量箱变，频繁增容势必会增加投资，影响供电。
配变容量确定：
当5年内电力发展明确，变动不大且当年负荷不低于变压器容量的30%寸：
SN=KSEPH/cos©-n
式中:
SN--箱变在5年内所需配置容量；
kVA刀PH--5年内的有功负荷；
kWKS--同时率，一般为0.7〜0.8;
cos©--功率因数，一般为0.8〜0.85;
n--变压器效率，一般为0.8〜0.9;
（根据公式一般把KS=0.75,cos©=0.8,n=0.8）
SN=0.75刀PH/0.8X0.8=1.2刀PH
通过对箱式变技术经济分析比较，选择了技术经济性能最佳的产品。
3.2配变型号选择
3.2.1配变
配变选择的一个重要原则是运行损耗要小，目前，同容量的各种型号配变的铜损基本上是一样的，铁损相差较多，如S11配变比S9配变的铁损要减少30%而非晶合金铁芯变压器SH11铁损仅为S9型变铁损的1/4。
但S11的价格比S9的要贵，而非晶合金变压器价格更贵，因此，在配变型号的选择中，应认真分析其运行成本和初期成本，经科学分析，确定配变型号的选择。
配变损耗率计算公式为A%=[（Pn*（S/Sn）2+P0）/（S*COS9）]*100，对于
315KVA容量的S9S11、SH11型配变，在功率因素为0.9的情况下，其损耗率如图所示。
图3-1S9型与S11型配变损耗率对照曲线
从图中可以看出，三种型号的配变均有比较宽广的低损率区，且在负荷率较大时，其损耗率基本一致，当负荷率小于30%且负荷率越小时，SH11S11、S9型配变三者之间的损耗率差别越明显。
其负荷率相对较高，此时，对于SH11S11和S9配变而言，损耗率基本一致，因此选择S9型配变有价格优势。
从图中可以看到，只要平均负荷率达到20%，则对于S11型配变其损耗率仅为1.09%，且在负荷率为20%~70%范围内，损耗率基本上保持不变；而对于SH11变压器而言，只要负荷率达到7%其损耗率就小于1%,且在负荷率为7%-75%的范畴内，损耗率均小于1%。
因此，从这个意义上来说，只要选择同规格变压器中铁损较小的变压器，并不会由于负荷率较低而出现损耗率增大的现象，因此，配变容量一次性到位、而不是逐步增大是可行的。
不过，由于价格上的原因，对于新建住宅小区，在进行负荷、投资、损耗综合考虑的基础上，合理选择变压器型号，在箱式变中，变压器价格占整个箱变的比例20%~40%，因此必须按整座箱变的价格/性能比、而不是单纯的配变价格/性能比进行投资与回报的校验。
变压器容量，即是指额定容量，也是铭牌上标注的容量。
它是由在分接开关位于主分接时，由额定空载电压与额定电流之乘积所决定的。
这一容量是在正常使用时，变压器能连续输出的最大容量，某变压器的实际输出容量，则由其负载时的电压和电流所决定。
自然空气冷却（AN时，正常使用条件下，变压器可连续输出100％的额定容量。
干式变压器具有较强的超铭牌运行能力。
在应急情况下，变压器的实际负载能力可超过额定容量。
SC（B）10系列产品，当环境温度20C时，可长期过载1.16倍。
若需过载1.5倍，其过载时间必须限定在30〜60分钟以内，或投入风机，使变压器在强迫风冷状态下运行，可持续1.5倍过载运行。
3.2.2.变压器联结方式
通常采用常规的、联结组为Yyn-12的油浸式或干式变压器。
近年来，根据市场的需求，逐渐采用Dyn-11联结方式，为什么配电变压器宜选用Dyn11联结呢？
因Dyn11结线方式的变压器，对中性线电流没有限制，可达变压器低压侧之线（相）电流，从而能充分利用变压器的容量、发挥其设备能力，尤其适宜以单相负荷为主而出现三相不平衡的配电变压器，
（1）、带三相不对称负荷能力强，不会因三相负载不对称造成中性点电压偏移，负载电压质量可得到保证，
（2）、有利于抑制高次谐波电流。
三次及以上高次谐波激磁电流在原边接成△形条件下，可在原边形成环流，有利于抑制高次谐波电流，保证供电波形的质量；（3）、有利于单位相接地短路故障的切除。
因D,yn11结线比Y,ynO结线的零序阻抗小得多，使变压器配电系统的单相短路电流扩大3倍以上，故有利于单相接地短路故障的切除；因此,新系列配电变压器
应优先选用Dyn11联结组别。
我公司欧式箱站基本上都是选用丫，ynO结线组别的变压器，其原因是选择时不清楚D，yn11结线的优点。
在GB50052－95《供配电系统设计规范》中第6.0.7条规定：
“在TN及TT系统接地型式的低压电网中，宜选D，yn11结线组别的三相变压器作为配电变压器”。
大屯煤电公司箱站中用的变压器为降压变压器，一般将10kV电压降至380V/220V,公司变压器常用的容量为250〜630kVA由于价格因素，大多采用油浸变压器。
在防火要求严格的场合，采用干式变压器。
欧式箱变一般将变压器放在封闭的箱体内，变压器运行时，将在箱变中产生大量的热量向变压器室内散发，使变压器室的温度不断升高，特别是环境温度高时，温度升高更快，欧式箱变设计中，除变压器容量较小的箱变采用自然通风外，一般都设计了测温保护，装设监测变压器上层油温和启动通风冷却装置的电接点温度计。
用强制排风措施加以解决。
该系统主要由测量装置，测变压器室温、油温均可。
然后通过手动和自动控制电路，投入排风扇，温度的整定值按允许温度的80%〜90%设定范围进行设置。
室内正常温度下，靠自然通风来散热。
为了通风，变压器室的箱体上一般设置了百叶窗。
S9、S11型系列变压器和SH非晶态系列变压器是最新节能变压器，S9变压器与现行国家标准GB/T6451-1995的规定值相比，总损耗（主要是空载损耗）下降了15%〜25%而国产SH非晶态合金变压器的空载损耗仅为S9
型同容量变压器的20%比现行国标GB/T10228-1997规定数值降低3/4。
因为居民小区利用小时较少，即轻载运行时间长，年空载损耗占变压器总损耗比重较大，所以SH型非晶态合金变压器适合居民小区的用电特点，节能效用显著。
变压器油箱内顶层的允许最高温度，按国标《GB1094.1-5-8》和《变压器运行规程》规定，不超过95?
C度；干式变压器线圈表面温度不超过80?
C度的规定限值，为排风扇投入运行温度的最高设定上限。
组合式变电站有许多种高压接线方式，常用的高压接线方案有：
终端、双电源、环网等接线方式。
3.3额定容量及负载能力
变电站至配变处采用电缆连接，实际设计中，向变电站设计人员了解变电站10kV母线的短路电流，就可以算出d2,d3点的短路电流。
下面进行短路电流计算：
其10kV母线的稳态短路电流是25.1kA，变电站至配变处是采用电缆，长度1km10kV变压器的型号是：
S9-M—800kVA/10.5,10.5/0.4kV，D,Yn11,Uk=4.5%。
10kV母线的阻抗标么值X1=5.5/25.仁0.2191电缆线路的阻抗标么值X2=0.
升级会员 