对一体化箱式变电站的研究

对一体化箱式变电站的研究

洪寰

（贵阳供电局，贵州贵阳550002）

作者简介：洪寰，男，工程师，主要研究方向：电力工程技术。

摘要：文章结合城农网发展的实际情况，对一体化箱式变电站进行研究，探索其发展经历，阐述其适合国情的改造，详细描述其结构特点，组装单元，高科技新产品的运用。重点介绍了永磁操动机构，永磁机构较其它机构的最大优势是可靠性高，是实现断器免维护功能的技术途径之一。结构特小使减小箱体尺寸成为可能，研究新材料和新工艺，产生出目前比较科学化和人性化的箱体结构及外观。同时也做了不同箱体结构的比较，分析了一体化箱式变电站的经济效益，总结了其存在的不足。

关键词：一体化箱式变电站；非金属材料；内部环境；无人值守

目前，随着城农网改造向纵深方向的发展，各有关研究和生产部门积累了大量的经验，对适合城农网改造的设计方案及所采用的设备应具备的性能都有了较明确的认识。中压配电网应选用短路容量能满足较长期发展需要，可靠性高、体积小、维护工作量少和操作简单的新型设备。在“关于加快城市电力网改造的若干意见”中强调“设备的选择要注意小型化、无人化、自动化、免维护或少维修”，促进了一体化箱式变电站的发展及应用。

一体化箱式变电站又称户外成套变电站，也有称作组合式变电站，或者叫预装式箱式变电站，它是于20世纪90年代中期从欧美等西方发达国家引进中国.刚开始并没有被大量推广,只是个别地方局小规模试用.到90年代末期，特别是农网改造工程启动后，科研开发、制造技术及规模等都进入了高速发展。各个厂家也先后推出各自比较成熟的产品,箱内布局更加合理,箱体结构更加牢固,随着新型高压开关设备以及高科技自动化产品的出现,箱式变电站充分满足用户需求,在国内大量推广也成为可能。

1一体化箱式变电站的结构

具有代表性的做法有两种:

①一体化箱式变电站箱体大部分采用普通的彩钢板材料，骨架采用硬金属材料整体焊接工艺，外层用0.8～1.0mm的彩钢板，或者用镀锌钢板，或用钢板在金属底层经过热喷锌及表层喷塑处理，中间夹层采用聚胺脂材料、聚苯乙烯泡沫材料。这种方式存在抗曝晒、抗阳光幅射性差，隔热保温性能差，且容易产生凝露的缺陷。

②一种箱体外墙材料采用金邦板—它是以水泥、粉煤灰、硅粉、珍珠岩为主要原料，加入复合纤维增强，经真空高压挤出成型，并经高温高压蒸汽养护、精细加工与多层喷涂而成。它具有绿色环保、轻质高强、隔音隔热、耐水防火、耐候抗冻等方面的特点。整个箱体采用高强度型钢（工字钢）组成的骨架构成基本承重框架，以保证箱体具有出色的抗震、抗风性能。采用外保温方式，整个箱体的墙壁是由金邦板、通气层、防湿密封薄膜、欧松板、保温材料、钢结构（薄壁方管）、纸面石膏板等材料组成。因此它具有卓越的气密性和隔热性，能有效地防止室内产生结露现象的发生，更不用担心长期使用会导致箱体腐朽，同时具有防尘、防腐、防潮、防火性能。对环境有良好的协调性，能美化环境，可适应各种气候条件，外形美观,可与周围环境颜色相协调的。世界上很多国家，尤其是欧共体国家的箱式变电站、户外配电箱的箱体，几乎很少使用金属材料制作，而采用非金属材料，大多为玻纤特种水泥结构的箱体。提高其人性化的程度。

2一体化箱式变电站的内部环境

箱体内部环境应满足照明、通风、防沙、防火、防盗、防鼠、散热，应满足正常运行、维护要求，并应加装温度、湿度测量表计、凝露器、烟雾报警装置，并将温度、湿度、凝露、烟雾报警探头信号接入综合自动化系统，可考虑远程图像监控,同时还要考虑安装通讯设备的位置。

①照明回路应设置可控的事故照明，即无人值守站维修人员到场时再投入事故照明。避免耗费蓄电池能量，甚至影响保护设备的正常运行。

②可通过设计定时通风的通风系统，在不太损害室内温度的基础上，通过把多余的水蒸气排放到户外，起到改善箱体内部环境的作用。

③有火患时只需通过烟雾报警将信号远传同时启动音响告警即可，值班人员即可做出相应的处理。

④维护环境要合理,更趋人性化.观察走廊至少大于900mm,柜后维修通道不小于500mm,最好是能够做到在箱内维护,不受恶劣天气影响。应设置必要的安全护栏及标志。

⑤预留必要的空间,为将来因科技的发展而出现的新设备预留一定的空间.防止出现无处安装新设备的现象。

⑥要有可靠的接地环境,避免因接地不可靠而造成设备或人身损害，观察走廊和维修通道应铺设绝缘胶皮。

⑦箱体内安装空调、除湿装置及必要的自动加热设备,这样设备运行不受自然气候环境及外界污染影响，可保证在-45℃～+70℃的恶劣环境下正常运行。

3一体化箱式变电站的高压一次设备

主变压器采用自然冷却、低噪音。断路器可选用真空断路器，电流、电压互感器、站用变压器选用干式设备，10kV进线采用电缆连接，35kV及10kV母线上分别装设避雷器各一组。开关柜主要是中置柜和固定柜,真空断路器取代了早期的多油或少油断路器，无爆炸火灾的危害，免维护和检验周期长，操作寿命及开断次数达到万次，是常规设备的50～100倍。在10kV电压等级主要是弹簧机构以及永磁操作机构。

①户外设备主要是主变压器,电容器,通常这两种设备由用户自行提供.因其裸露部分比较多,易燃易爆系数比较高,所以置于箱体外是比较科学的做法。但也有厂家应用户要求把电容器置于箱体内,为符合国家相关规定,箱体无形中就扩大了许多,致使投资成本增加,运输困难加大。

②开关柜采用固定柜或中置柜,配置弹簧机构几乎已经成为一种模式。但因其柜体宽大(单柜：800/1000*1200/1500mm),机构复杂，造成箱体庞大,因此只能把柜体的维护置于箱体外,即在箱体上开若干对应的维护门,其结果是箱体大,维护环境差,受气候影响比较大,开门过多造成箱体密封性不好,加大内部环境的不易控制。

③随着科技的发展,目前开关柜采用真空断路器,配永磁机构也成为一种潮流。该产品具有开断性能好、可靠性高、机械和电气寿命长、免维护等优点；

具有代表性的ZN78型永磁操动机构的真空断路器,是我国引进国外先进技术设计并合作生产的一种新型的真空断路器，这种设计可以使真空断路器的电气特性更优良、机械结构更简单，可以大大提高机械可靠性，使断路器可达到少维护或免维护。

ZN78型真空断路器的永磁操动机构与常规的操作机构结构有着根本的不同。其主要不同点在于动铁心与真空灭弧室上下直接连接。这种结构形式有助于简化断路器的机械结构，取消拐臂、转轴和轴承。

它是一种采用电磁合闸、永磁保持及弹簧分闸的操动机构。大大减少运动和传动部件，分合闸时只需要较少的中间转换连接机构，减少了操作时电能的大量消耗，且只有几个运动部件，可以大大提高机械可靠性。

柜体结构设计：采用断路器纵向布置、直动式隔离开关、新型防误操作闭锁等先进的技术，因此体积(350*550)比传统产品大大缩小；断路器采用固定式安装，移动抽出式结构，便于现场的维护。

4一体化箱式变电站的自动化设备

为适应无人值守和调度自动化的需要，在电气二次部分，采用微机保护和综合自动化系统，实时监控，保障电网安全。融监控、保护、远动、通信等功能为一体的综合自动化系统。在中低压变电站实现全分散监控。系统分为变电站层和间隔层，层间用通信网相接，极大减化变电站的二次接线，取消常规的中央信号屏,马赛克模拟屏的设备,缩小了二次控制室面积，节省了综合造价，也提高了整个综合自动化系统运行可靠性和实用性。

①综合自动化系统与县调主站之间的通讯规约可采用CDT、101等规约，CDT、101规约为调度端和站端之间的信息传输制定了标准，建议今后变电站自动化设备的远方调度传输协议上应采用101规约。通讯通道可采用模拟载波、数字载波、无线电台、光纤网、微波、扩频、电话专线等,其中光纤网、载波投资比较大,电话专线比较经济.

②站内值班室可设置后台监控,完成本地的"四遥"功能,即遥测、遥信、遥控、遥调。通过通讯管理单元可以完成远方的"四遥"功能。可对运行参数进行远方设置，对箱体内湿度、温度进行控制和远方烟雾报警，满足无人值班的要求，有条件的话还可以装设图像远程监控实现"遥视"功能。

③直流屏采用全封闭铅酸免维护蓄电池，具有与综合自动化的通讯接口(485或232方式)，为站内各类继电保护、通讯和直流操作机构提供可靠的直流电源。

④五防闭锁装置：微机监控装置与微机五防闭锁装置应有机结合，达到采样信息共享、直观、对应、简单易行。

⑤继电保护及自动装置：主变保护装置：纵差保护，35kV侧复合电压闭锁过电流保护、35kV侧过负荷保护、重瓦斯保护、轻瓦斯告警、温度保护等。

10kV出线保护：速断保护、过流保护、三相一次重合闸、低频减载、接地选检等。

10kV电容器保护：过电流保护、过电压保护、欠电压保护、不平衡保护等。

5一体化箱式变电站的占地面积

节约土地、少占耕地是我国土地政策的需求，城区建设土地日益紧张,因此电网能源建设应本着节约土地的基本原则。以4000kVA单主变规模变电所为例，建设一座常规35kV变电所，大约需占地3000㎡左右，而且需要进行大规模的土建工程；而选用箱式变电站，35kV箱和10kV开关箱两箱体占地面积最小可至100㎡，包括35kV其他设备总占地面积最大为300㎡，仅为同规模变电所占地面积的1/10，可充分利用街心、广场及工厂角隅即可安装投产，符合国家节约土地的政策。

6一体化箱式变电站的经济效益

①投资省。箱式变电站较同规模常规变电所减少投资40%～50%，以35kV单主变4000kVA规模变电所计算，土建工程(包括征地费用)箱式变电站要比常规变电所节约100余万元.

②建设工期短。常规变电所因土建一般需要半年到一年，建设工程占有较长时间，而建设箱式变电站只需100天，因而能尽快发挥变电所的效益。

③运行管理及费用低。单从竣工投产角度分析，保守估计按每站提前2个月投运计算，若平均负荷2000kW，售电利润0.10元/kWh，二个月可增加净利润30余万元；从运行角度分析，在箱式变电站中，由于先进设备的选用，变电站可实行状态检修，减少维护工作量，整体经济效益十分可观。

④供电可靠性。能在不新增投资的条件下多供电。一方面，快速、可靠、准确的微机保护及自动化配合新一代的永磁机构真空开关使用，使得误动和拒动的事故率可降到零。另一方面,"四遥"的实现使调度员能直接对变电所各出线的负荷进行实时监测和控制，能进一步加强负荷管理，提高负荷率。此外，自动化程度提高后，维修停电和事故处理等时间大大缩短。供电质量得到进一步提高，通过遥调电压能维持在较为理想的水平，电压合格率在常规变电所的基础上至少提高5%。

7一体化箱式变电站的设计灵活

箱式变电站由于结构比较紧凑，每个箱均构成一个独立系统，这就使得组合方式灵活多变，一方面，我们可以全部采用箱式，也就是说，35kV及10kV设备全部箱内安装，组成全箱式变电站；也可以仅用10kV开关箱，35kV设备室外安装，10kV设备及控保系统箱内安装，对于这种组合方式，特别适用于农网改造中的旧站改造，即原有35kV设备不动，仅安装一个10kV开关箱即可达到无人值守的要求。箱内布置可采用“一”型,或者“品”字型。当母线只有一段,并且出线回路不多时应选用“一”型,箱体宽度和长度比较适中.当母线为两段时应采用“品”字型。箱式变电站没有固定的组合模式，使用单位也可根据实际情况自由组合一些模式，只要满足安全运行的需要即可。

8一体化箱式变电站的应用展望

近年来箱式变电站，是当前农网改造和今后变电站建设的主要方向，但就某些方面虽然还存在着一些不足，但是通过对箱式变电站的经济分析比较，科技技术研究，美观实用性类比，居民用电可靠性要求越来越高，以及参照变电所“密布点，短半径”的原则。箱式变体积小、占地面积少、布置灵活、安装方便、节能环保、噪音小，有利于改善和美化环境。可以看到它必将随着国民经济的发展和人民生活水平的提高而大量运用于住宅小区的建设上，获得大规模的发展，使电网运行水平再上一个新台阶。

参考文献：

［1］周冰.10kV箱式变电站的运行与维护[J].广西质量监督导报,2008,(12).

［2］陈玲艳.10KV箱式变电站的结构及应用要点[J].科技资讯,2008,(5).