10kV预装式箱式变电站设计

 10kV预装式箱式变电站(以下简称箱变),是由高压室、变压器室、低压室通过电气连接组合在箱变外壳内的户外终端配电设备。因其具有组合灵活,结构紧凑,占地面积小,安装施工周期短,能深入负荷中心,便于运输、迁移,运行费用低,无污染,免维护等特点,广泛应用于工厂企业,住宅小区,城市公用,医院,施工电源,公路隧道,铁路沿线等。
自上世纪90年代后期,箱变逐渐成为替代常规土建变电站,配电站的理想终端配电设备。虽然习惯上把它分类:预装式箱变、一体化箱变、紧凑式箱变、景观式箱变、GRC箱变等,但其核心是由高压室,变压器室,低压室,箱变外壳几部分组成,文章对以上几部分选型要点简要介绍。
1 高压室
高压室一般由具有完备的“五防”联锁功能的10kV高压设备组成。因箱变以紧凑小巧为特点,比较适合箱变的高压设备为环网柜HXGN-10,XGN15-12,高压设备内一般装配负荷开关+熔断器组合,隔离开关+真空断路器组合。
1.1 HXGN-12环网柜
负荷开关+熔断器组合安装在环网柜HXGN-10中,一般适用630kVA及以下容量的变压器,负荷开关+熔断器组合目前使用较多,它能满足大部分终端客户要求,结构简单,价廉物美,但它不能开断短路电流。
负荷开关有:SF6负荷开关,压气式负荷开关,真空负荷开关。
当变压器内部出现故障时,熔断器可以在10ms内动作,切除短路故障,避免故障进一步扩大[ 1 ]。熔断器选型见表1。
1.2 XGN15-12环网柜
隔离开关+真空断路器组合一般安装在环网柜XGN15-12中,适用800kVA-1600 kVA容量的变压器。国内10kV断路器型号众多,常规的为ZN28-12,ZN63-12,VS1-12,还有固封极柱式的,另外,国内有些开关厂家,开发的一种集隔离开关、真空断路器、接地开关为一体的组合电器也特别适合安装在环网柜中。断路器不仅能开断、关合负荷电流,还能在微机保护控制下,切断故障后的短路电流。微机保护可以通过接入的电压互感器、电流互感器等测量元件的参数信号,对回路的运行状态进行监视,控制以及保护。比如速断保护、过电流保护、电压保护,瓦斯、温度保护等。
1.3 避雷器
目前多选用金属氧化物避雷器,HY5WS-17/50,HY5WZ-17/45,前者适用于线路保护,后者适用变电站。它具有吸收各种雷电过电压、工频暂态过电压、操作过电压的能力,同时还可以吸收开关开合闸的浪涌电流,良好的密封性能、解污秽性能、机械性能和高可靠性能。
1.4 高压计量
安装在箱变内的高压计量柜,一般是对额定容量315 kVA及以上变压器。计量电流互感器一般选用LZZBJ9-10,变比参见表1,精度等级为0.5/0.2S,计量电压互感器一般选用JDZ10-10 10/0.1 kV,精度:0.2级,容量:30VA。计量电流互感器,电压互感器由供电公司效验后,才能投运,所以,它们应方便拆卸和安装。高压计量柜表箱一般不得小于:600X500X150mm,并加铅封锁。
1.5 配网自动化
箱变作为配电的终端设备,将逐步实现配网自动化,智能化。目前国网招标的箱变就要求预留FTU、TTU安装位置。它利用现代电子、通讯、网络、计算机技术与配电设备结合,将配电正常运行和事故突发情况下的参数检测、设备保护、控制、计量以及供电公司的企业管理结合在一起,保证用户用电质量,协调用户关系,达到最佳经济效益和社会效益。
2 变压器室
2.1 变压器选择
箱变内的变压器一般选用配电变压器。配电变压器的长期工作负载率不宜大于85%;设置在民用建筑中的变压器,应选用干式或非可燃液体绝缘变压器;预装式变电站变压器,单台容量不宜大于800kVA[ 2 ];箱变内尽量选用D,yn11接线组别的三相配电变压器[ 3 ]。油浸式变压器有硅钢片叠铁芯:S11-M、S13-M,有硅钢片卷铁芯:S11-R、S13-R,有非晶合金:SH15-M。800 kVA及以上油浸变压器都装设气体继电器,它可以反映油箱内的一切故障,包括:油箱内三相短路、绕组匝间短路、绕组与铁心或与外壳短路、铁心故障、油面下降或漏油等。干式式变压器有硅钢片环氧树脂浇注:SCB10、SCB11、SCB13,有非晶合金环氧树脂浇注:SCBH15。选择变压器时,除满足国家标准和规范要求,还应综合考虑节能和价格因素,达到最佳经济效果。
2.2 变压器接线方式选择
配电变压器的连接组别主要有两种D,yn11、Y,yn0。常用的是D,yn11[ 3 ],它不仅有很好的防雷效果,还有效解决了中性点漂移问题,最主要的是能抑制3次谐波。
谐波对电网以及配电设备有很大的破坏性,其中3次谐波特别明显、突出,它会对电子、通讯一类的弱电元器件以及弱电线路形成干扰,也会降低配电变压器的工作效率,降低变压器和配电设备的使用寿命,甚至降低供电系统的运行效率和质量。
因原边绕组为“D”形连接,励磁电流中的3次谐波分量,可在原边绕组三相线圈中产生环流。每一相绕组中的励磁电流相互叠加后,呈现尖顶波形,铁芯中的磁通因铁芯饱和呈现正弦波形,感应相电势在原边、副边绕组中保持正弦波形,3次谐波分量被大量消除,有效抑制了3次谐波。D,yn11接线方式在抑制谐波方面比 Y,yn0接线具有很大优势。
2.3 负荷谐波
有些工业用户,负荷中有中频炉、高频炉、盐浴炉、交流弧焊机、炼钢电弧炉、各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)调压装置、大容量的电力晶闸管可控开关设备等产生谐波的设备时,最好选用过载能力强、谐波电流小、冷却效果好的整流变压器。如果使用普通的电力变压器,因谐波造成的过电流、过电压,会使变压器内部绝缘遭到破坏,使用寿命将大大缩短。曾有用户负荷有谐波,变压器使用不到三年就坏了,需、供双方还打起官司。
2.4 并列运行
按照《民用建筑电气设计规范》的设计要求,单台箱变变压器容量不宜大于800kVA[ 2 ],而有些配电工程所需容量比较大,可以采用2台变压器并列运行。2台变压器并列运行要求变压器的电压等级、变比、额定容量、接线方式、阻抗均相同。
2.5 变压器与隔板距离
变压器与箱变隔板距离越大散热效果越好。有实验表明:变压器与箱变隔板距离为300mm时,散热效果较好,比较经济实用。所以,变压器与与箱变隔板距离一般设计为300mm左右,如果距离太大,箱变外壳也就大,不经济;太小,达不到散热效果[ 4 ]。
3 低压室
3.1 低压开关柜
低压室配置的低压开关柜,主要是改进型GGD,把标准高度2200mm改为1900mm,宽度和深度一般为1200(1000、800、600)X800(600)mm。也可以用标准的MNS、GCK、GCS低压抽出式开关柜,它们的高度均为:2200 mm,箱变高度相应增加;但是,箱变高度应控制在2500 mm以下,否则,汽车运输时可能会超高。低压开关柜一般由进线柜,出线柜,电容补偿柜组成,为了使箱变更紧凑,还可以把进线柜和出线柜合并,设计成进出线柜。为了使低压开关柜操作方便、安全,应避免在箱变中设计操作走廊,尽量在箱变外部操作。有操作走廊的箱变一般宽度会超过2500mm,运输时超宽。
3.2 低压断路器
低压断路器的选用,应根据具体使用条件选择使用类别,选择额定工作电压、额定电流、脱扣器(热磁、电子)整定电流和分励、欠压脱扣器的电压、电流等参数。
低压总断路器额定电流选择见表1,可选择ME(DW17)、DW15框架断路器,DW45、□W□等智能框架断路器。ME、DW45、□W□选用电动抽出式,均有明显的断开点,目前使用较多;DW15要与隔离开关配合,占用空间较大,目前使用较少。
低压出线断路器按照配电用、照明用、保护电动机用以及漏电保护用等不同选择;根据控制、保护对象的相数,选择单极、二极、三极、四极低压断路器。低压出线断路器一般连接出线电缆,出线电缆应预固定,避免电缆重量直接让断路器承受,使断路器开关出现分、合闸不灵活或其他故障[ 5 ]。
3.3 低压计量
变压器额定容量小于315kVA的变压器才会采用低压总计量。低压计量电流互感器变比参见表1,一般精度等级为:0.2S、0.5S,一般用防盗箱封在变压器低压端子上。低压计量表计有单相表,有三相表,均应铅封在不小于尺寸:600X500X150mm的表箱内,防止窃电。
3.4 电容补偿柜
常规补偿一般按照变压器额定容量的20-30%,工矿企业等特殊场合可补偿40-50%。普通电容补偿,一般选用隔离开关,熔断器,接触器CJ19,热继电器JR36,电容器BSMJ;如果考虑一般谐波因素,可以串联电抗器CKSG。
电抗器会抬高电容器端电压,其计算公式:
Un(串电抗器后的电容器电压)=U(系统电压)/1-K(电抗率)。
例:串6%电抗率的电容器,线路电压400V,Un=400V/1-0.06=425.5V,宜选450V电容器。
因选用的电容器额定电压升高,其实际电容补偿量会有所降低,Q=(400/450)2×Qn=0.79Qn,实际容量只有标称容量的79%。
举例:额定容量20 kvar,标称电压450V的电容器,其额定电流:
I=Qc/(1.732*Ue)=20/(1.732*0.45)=25.66A,
熔断器电流按照电容器额定电流的1.43倍选取:
1.43*25.66=36.69A,可以选用RT18-40A;
接触器电流按照电容器额定电流的1.3倍选取:
1.3*25.66=33.358A,可以选用CJ19-43A;
热继电器电流按照电容器额定电流的1.15倍选取:
1.15*25.66=29.51A,可以选用JR36-60(22-45)A,
电抗器选用CKSG-1.2/0.45-6即可。
电容器回路中的合闸涌流以及谐波电流,可以通过串接电抗器在电容器回路中加以抑制。电抗器自身的感抗与电容器的容抗部分抵消。反方向电压降抬高了电容器的端电压,而降低了电容器的实际有效补偿量。
因此,在进行补偿量的计算时,要综合考虑系统运行线电压、电抗率的大小和电容器的额定电压,详细计算,加以修正,得出正确的补偿容量。假设上例共10路,其标称总补偿容量为200 kvar,实际电容补偿量为0.79*200=158 kvar。
智能电力电容器是由智能测控单元、快速同期过零投切开关电路、线路保护单元、两台(△型)或一台(Y型)低压电力电容器组成。结构紧凑,接线、安装方便快捷,已逐渐被用户所接受。因其把元器件组装在一起,按照产品说明书选型即可。
3.5 CCC认证资质
箱式变电站属于10kV产品,不属于中国质量认证中心的强制认证产品。个别地方质量技术监督局对这个理解有异议,会对箱变内低压柜检查CCC标志。
中国国家认证认可监督管理委员会的回复是:箱变内装配的低压开关柜如果是自己公司生产的,可以不具备CCC认证资质,如果是外购的,则需要具备CCC认证资质[ 6 ]。
4 外壳
4.1 箱变外壳材质
箱变外壳材质一般分为:非金属外壳、金属外壳。非金属外壳以玻璃纤维增强水泥(GRC)外壳用量较大。墙板、顶盖、门都用GRC材质的是压铸成型的,浇注成型的墙板、顶盖,大门一般使用复合夹芯板材料,用铝合金包边。
金属外壳一般有:不锈钢、覆铝锌板、钢板。201不锈钢在室外,会生锈,304不锈钢防腐效果就好些,也最常用,海边盐雾比较大的恶劣环境,需要用316不锈钢。覆铝锌板具有优良的耐腐蚀性和耐热性,良好的导电性和加工性,镀层与漆膜的附着力好,使用寿命可达25年。特别要注意断口处的防腐处理。当使用钢板时,表面应进行喷砂处理,并喷涂优质防腐涂料;还可以热喷锌或达克罗处理,保证箱变外壳20年不锈蚀。
4.2 其它要求
箱变由高压室、变压器室、低压室三个独立小室组成。其内部结构可按品字形或目字型布置。箱变可采用自然通风和强制通风两种方式,在自然通风条件下,额定负荷运行状态下的变压器温升,应符合国家标准规定,达不到要求温控仪可启动轴流风机,强制排风。
箱变内部宜采取除湿、防爆和防凝露措施,并具有照明功能。箱体整体防护等级不低于IP33D,除变压器室外的其他隔室对外界的防护等级不得低于IP43D。各隔室之间的防护等级不得低于IP3X。顶盖尽量采用双层、斜顶结构,有隔热作用,减少日照引起的变电站室内温度升高,并确保站顶不渗水、滴漏。箱变大门锁盒宜采用户外铝合金锁盒,所有的大门应向外开,开启角度应大于90°,并设定位装置。
箱变外侧立面除明确标示“高压室”、“变压器室”、“低压室”字样外,还应设置明显的安全警告标识和标志,如“有电危险”、“禁止攀登”,闪电符号。箱变外形宽度尺寸不宜超过2200mm,高度尺寸不宜超过2500mm。