／西安天虹電氣有限公司 鄭紹忠 丁雪豐／

新能源電站用美式箱變的應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

／西安天虹電氣有限公司 鄭紹忠 丁雪豐／

給出了新能源電站用美式箱式變電站的組成及工作原理，從運(yùn)行環(huán)境及組件的選用等方面介紹了該美式箱變的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了設(shè)計(jì)及使用中具體的注意事項(xiàng)。

新能源電站；美式箱變；應(yīng)用；設(shè)計(jì)

0 引言

太陽(yáng)能和風(fēng)能在能源領(lǐng)域中得到世界各國(guó)的高度重視。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電近年來(lái)發(fā)展迅速，截至2015年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量12934萬(wàn)kW，光伏裝機(jī)4318萬(wàn)kW。與其配套使用的箱式變電站絕大多數(shù)為美式箱式變電站，美式箱式變電站經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，技術(shù)可靠，價(jià)格低廉，在新能源領(lǐng)域有著其他型式變電站無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1 組成及原理

美式箱式變電站簡(jiǎn)稱美式箱變，是一種集成了變電、高低壓保護(hù)的預(yù)裝式箱式變電站。風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者光伏逆變器所送出的低電壓經(jīng)美式箱變升壓至35kV再匯集外送。美式箱變由升壓變壓器、站用變壓器、高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組、低壓斷路器、避雷器及其他保護(hù)測(cè)量設(shè)備組合而成。高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)、高壓熔斷器、變壓器均置于油箱內(nèi)，整體外形尺寸比歐式箱變小巧，成本也更加低廉。右圖為美式箱變的設(shè)計(jì)原理圖。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)

我國(guó)新能源電站多集中在陜北、寧夏、甘肅、新疆等地區(qū)的戈壁、荒漠地區(qū)。位置偏遠(yuǎn)，運(yùn)輸不便，因此新能源電站設(shè)備的運(yùn)輸及耐候性便是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中要考慮的首要問(wèn)題。尤其要注意在運(yùn)輸過(guò)程中顛簸導(dǎo)致的變壓器滲油問(wèn)題。

圖 美式箱變的設(shè)計(jì)原理圖

美式箱變?cè)谛履茉措娬局谐Ｄ晏幱诘拓?fù)荷的使用狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電受季節(jié)影響大，光伏受晝夜影響大。美式箱變的年負(fù)載率約在35%左右，夜間幾乎全部處于空載狀態(tài)，設(shè)計(jì)中應(yīng)降低空載損耗。根據(jù)設(shè)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)及光伏逆變器或者美式箱變本身可以在過(guò)載或者低載時(shí)自動(dòng)控制或停止運(yùn)行，加之風(fēng)機(jī)與光伏組件的裝機(jī)容量都是峰值容量，在正常運(yùn)行時(shí)很少達(dá)到，所以一般不會(huì)造成變壓器長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行。另外考慮到一般變壓器都具有一定的過(guò)負(fù)荷能力，因此設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮美式箱變的長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)載運(yùn)行。

3 應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1 共箱干擾

大部分美式箱變?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)都把所有高壓電器元件和變壓器共同放置在一個(gè)殼體內(nèi)，采用變壓器油作為主要絕緣、散熱和滅弧介質(zhì)。負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組合電器作為主要的保護(hù)電器動(dòng)作時(shí)由于大電流會(huì)產(chǎn)生電弧，使變壓器絕緣油變質(zhì)，進(jìn)而污染整個(gè)油箱，降低油的絕緣性能和變壓器壽命。美式箱變是油絕緣、全封閉的變電設(shè)備，在一定時(shí)期內(nèi)必須保證變壓器油不受污染，其絕緣性能不至降低到標(biāo)準(zhǔn)要求以下。

負(fù)荷開(kāi)關(guān)及插入式熔斷器在空載下操作時(shí)幾乎不會(huì)引起油的炭化現(xiàn)象，但是在負(fù)載或者故障動(dòng)作時(shí)，電弧將使得變壓器油迅速炭化變黑。多次重復(fù)后，變壓器油的絕緣性能將明顯下降，特殊情況下將造成由絕緣引起的爆箱。另外，變壓器損耗產(chǎn)生的高油溫，也會(huì)使其他同室設(shè)備的運(yùn)行溫度升高，加快絕緣件老化，降低設(shè)備壽命和運(yùn)行可靠性。

3.2 漏油問(wèn)題

箱變漏油主要有焊接問(wèn)題、設(shè)計(jì)時(shí)未考慮運(yùn)輸狀況、密封件質(zhì)量不佳、螺栓松動(dòng)等幾種原因。新能源發(fā)電站往往位于荒無(wú)人煙的戈壁等地區(qū)，對(duì)設(shè)備運(yùn)輸和設(shè)計(jì)無(wú)形中提出了更高的要求，2015年某光伏電站發(fā)生一起箱變爆炸事故，集電線路保護(hù)跳閘，箱體被脹成圓形。分析原因?yàn)橄渥兟┯?，引起油位降低，高壓?fù)荷開(kāi)關(guān)使用環(huán)境為油絕緣，暴露在空中后相間絕緣距離不足，發(fā)生相間短路引起事故。

3.3 油色譜試驗(yàn)不合格

主要問(wèn)題是箱變密封不嚴(yán)，油中進(jìn)入水氣，引起氫氣和總烴含量超標(biāo)，還有的會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。新能源電站因?yàn)檎嫉孛娣e大，運(yùn)維人員相當(dāng)不足，水平較高的人員更少，加之箱變電壓等級(jí)不高、在占地較大的廠站里分布也很分散，美式箱變的油色譜分析試驗(yàn)容易被業(yè)主和運(yùn)維方忽視。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

作者結(jié)合多年的新能源電站運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)美式箱變?cè)趹?yīng)用中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，對(duì)該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)單介紹，并提出一些注意事項(xiàng)。

4.1 布局

高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)和熔斷器組合電器的選用，使箱變中的變壓器本體與常規(guī)產(chǎn)品相比有了很大的不同。高壓插入式熔斷器、高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)要浸入油箱內(nèi)，面板儀表觀測(cè)、高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)操作、低壓配電保護(hù)設(shè)備觀測(cè)等工作需要在設(shè)備帶電的情況下進(jìn)行，故負(fù)荷開(kāi)關(guān)熔斷器組、分接開(kāi)關(guān)、插入式保護(hù)熔斷器、低壓監(jiān)測(cè)保護(hù)設(shè)備及各類面板儀表等應(yīng)與高壓設(shè)備分開(kāi)放置。一方面要考慮實(shí)用性，另一方面也要考慮經(jīng)濟(jì)性，這就要求美式箱變?cè)诟邏?、低壓和變壓器各方面有一個(gè)合理的綜合規(guī)劃布局。

近幾年西安天虹電氣有限公司為國(guó)內(nèi)外多個(gè)新能源電站設(shè)計(jì)制造的美式箱變經(jīng)過(guò)更新和優(yōu)化，認(rèn)為“H+1”型 ，即高、低壓室分別位于變壓器主體兩側(cè)，負(fù)荷開(kāi)關(guān)和熔斷器組位于箱變側(cè)面的總體布局較為合理。

4.2 組件選用

1）變壓器。變壓器根據(jù)設(shè)計(jì)匹配，可以選用普通升壓變壓器或者低壓雙分裂變壓器。一般采用Dyn接線方式，在設(shè)計(jì)中采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片，此種變壓器具有體積小、空負(fù)載損耗小、輸出電能質(zhì)量高、中性點(diǎn)不漂移、過(guò)電壓性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2）高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)。采用油浸式負(fù)荷開(kāi)關(guān)，浸于變壓器油箱內(nèi)，一般與熔斷器配合使用為箱變提供保護(hù)。同時(shí)也為線路提供了開(kāi)斷能力及防止故障對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。

3）高壓插入式全范圍保護(hù)熔斷器。與負(fù)荷開(kāi)關(guān)配合作為美式箱變的保護(hù)設(shè)備，對(duì)美式箱變提供短路保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。

4）無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)。為了適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)以滿足電能質(zhì)量的需求，無(wú)勵(lì)磁分接開(kāi)關(guān)是必備器件，通常選用±2×2.5%分接，根據(jù)電網(wǎng)環(huán)境也可以選用更多的分接。但一般不需要選用有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)。

5）高壓避雷器。設(shè)備在運(yùn)行中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)操作過(guò)電壓及感應(yīng)過(guò)電壓等，該電壓會(huì)對(duì)變壓器及其他相鄰元件產(chǎn)生不利影響甚至損壞設(shè)備。因此，在美式箱變需要安裝氧化鋅避雷器來(lái)做過(guò)電壓防護(hù)。

6）高壓電磁鎖及帶電顯示裝置。高壓室內(nèi)有危險(xiǎn)電壓，為了防止發(fā)生意外，高壓室需要設(shè)置網(wǎng)門以起到防止誤入帶電間隔的作用，其上裝設(shè)高壓電磁鎖及帶電顯示裝置。

7）低壓斷路器。低壓斷路器可在美式箱變就地進(jìn)行分、合閘操作，可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、電流速斷保護(hù)、接地故障保護(hù)及缺相保護(hù)等功能。

8）低壓配電屏。美式箱變一般需配置溫度計(jì)、加熱器、電流表、電壓表、浪涌保護(hù)器、電壓電流互感器等組件?，F(xiàn)在智能變電站還需要安裝遠(yuǎn)傳設(shè)備，對(duì)美式箱變的大部分設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行遙測(cè)、遙信、遙控，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維管理；為方便安裝使用及接線操作，配電盤也會(huì)引入低壓配電室。

4.3 鐵心及繞組

新能源電站用美式箱變由于空載時(shí)間長(zhǎng)，要求空載損耗相應(yīng)要低。為降低空載損耗，應(yīng)采用高導(dǎo)磁低損耗冷軋硅鋼片，設(shè)計(jì)時(shí)把磁密控制在1.5T以下，并通過(guò)對(duì)硅鋼片剪切及疊裝工序的嚴(yán)格控制來(lái)最大限度地減小渦流損耗和磁滯損耗，對(duì)于常用的1000kVA變壓器，推薦使用長(zhǎng)圓形結(jié)構(gòu)。

美式箱變的高壓繞組宜采用分段的圓筒式結(jié)構(gòu)，圓筒式繞組能較好地抵抗短路沖擊，其繞組電場(chǎng)分布均勻，可以最大限度地消除和抑制電壓振蕩。從而降低層間電壓，減少層間絕緣厚度，提高繞組的占空比。

4.4 引線部分

引線是變壓器器身的重要組成部分，各接點(diǎn)的機(jī)械及電氣連接是否完好是變壓器運(yùn)行可靠性的主要表征點(diǎn)。由于新能源電站一般在偏遠(yuǎn)地區(qū)，道路條件較差，在運(yùn)輸過(guò)程中的的顛簸和震動(dòng)都會(huì)引起引線連接的松動(dòng)和虛接，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)生引線斷裂。因此繞組出頭引出位置在固定前應(yīng)采用絕緣護(hù)套加強(qiáng)，引線各個(gè)連接處也應(yīng)根據(jù)具體情況采用防松措施，引出線長(zhǎng)度也必須留有余量或者采用軟連接。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的高壓插入式全范圍保護(hù)熔斷器，油箱內(nèi)部要事先設(shè)計(jì)支架，防止絕緣部分在運(yùn)輸過(guò)程中損壞甚至斷裂。

4.5 殼體

美式箱變由于用途和成本的關(guān)系一般設(shè)計(jì)為不帶儲(chǔ)油柜的全密封結(jié)構(gòu)，油箱上層設(shè)計(jì)20cm左右的氣隙，根據(jù)溫度計(jì)算在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)靠氣隙調(diào)解油受熱遇冷引起的體積變化。在殼體的生產(chǎn)制造過(guò)程中，油箱要進(jìn)行氣壓試漏和變壓器整體的帶油充氣試漏，以保證變壓器殼體整體的密封性。為了強(qiáng)化美式箱變?cè)诟瓯诘葠毫訔l件下的正常運(yùn)行，還需考慮美式箱變殼體的耐候性，要具備抗曝曬、抗風(fēng)沙、擴(kuò)腐蝕等特點(diǎn)。第一，新能源電站由于環(huán)境原因，殼體整體密封性要求極為嚴(yán)格，全封閉、取消百葉窗、所有門柜加裝密封膠條是常規(guī)配置，以防止風(fēng)沙雨水侵蝕柜體內(nèi)部。門需要有接地裝置和定位鉸鏈，防止殼體變形影響整體密封性。外殼噴塑，并在生產(chǎn)時(shí)從工藝上嚴(yán)格要求以保證其附著力。另外，新能源電站美式箱變都要求采用防盜結(jié)構(gòu)，可拆除元器件的螺栓不允許外露。為了避免設(shè)備安裝后被盜，也應(yīng)選用固定的片式散熱器而不選擇可拆卸結(jié)構(gòu)，這樣也可以減小設(shè)備寬度，減小占地面積。如果現(xiàn)場(chǎng)不具備條件要整體帶油運(yùn)輸，散熱器部分要進(jìn)行特殊加固處理，或者在下方墊置木塊以防止顛簸產(chǎn)生開(kāi)焊。

5 結(jié)束語(yǔ)

新能源電站裝機(jī)容量大，一般整個(gè)電站的箱變?cè)O(shè)備都從一個(gè)廠家采購(gòu)?fù)划a(chǎn)品，數(shù)量少則十幾臺(tái)，多則上百臺(tái)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性緊密關(guān)系到生產(chǎn)廠家及電站業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益。文中提出的要點(diǎn)可在一定程度上避免設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。

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