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浅析火灾应急照明及疏散标志灯的控制
  箱式变电站若干问题的探讨    3星级
作者:168dq  发布时间:2007/10/17  6759  来源:中国开关电器网
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  箱式变电站又称户外成套变电站或组合式变电站(以下简称“箱式站”),是一种将高压开关设备、变压器、低压配电设备、功率因数补偿装置及电度计量装置等变电站设备组合成一体的快装型成套配电设备。上世纪60年代,欧美等西方国家开始使用这种新型户外成套变电设备,由于箱式站与传统的变电所相比,有着明显的优势,其发展速度很快。目前,国外已经大量使用箱式站,以美国为例,箱式站已占90%以上。20世纪80年代初,我国大中型城市中开始陆续采用箱式站,到90年代末期,随着经济的发展,城乡用电量迅速增长,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,箱式站开始被广泛应用于城区、农村中小型变电站、工矿企业、大型工地及流动作业用变电站的建设与改造。现在,除了在部分偏远的农村仍然在建供电所外,几乎所有城市和经济发展较快的小城镇,10kV终端都采用了箱式站,大有代替传统的“土建”式变电站的趋势。但是,箱式站在使用过程中也暴露出了一些不足之处,现就这些方面的问题和相关措施作一些讨论。

一、结构特性 来源:http www.tede.cn

  箱式站的结构主要是指作为箱式站的3个主要部分—高压开关设备、变压器及低压配电装置的布置方式。一般来说,箱式站的总体布置主要有3种形式:拼装式、组合式和一体式。拼装式是指将高、低压成套装置及变压器装入金属箱体拼装而成。由于这种类型的箱式站整体性差、组装工作量大,而且高度高、占地面积多,现在已经很少使用;组合式的高、低压配电装置不使用现有的成套装置,而是将高、低压控制、保护电器设备直接装入箱内,使之成为一个整体。由于总体设计是按照免维护型考虑的,箱内不需要操作走廊,这样就减小了箱式站的体积,欧式箱式站就是这种型式,组合式箱式站是目前普遍采用的型式;一体式就是所谓的美式箱式变,它是以变压器为主体,把熔断器及负荷开关等设备装在变压器箱体内,构成一体式布置。这种型式的箱式变体积更小,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式站体积的1/3左右。考虑到拼装式已经很少使用,如果按结构分类可以将箱式站分成组合式箱式站(欧式)和一体式箱式站(美式)两大类。由于IEC标准(IECl330第1版95-11)高压/低压预装变电站对箱式站的总体布置作了明确规定,规定为组合式布置。因此,组合式在积极采用IEC标准的国家被广泛采用。我国作为IEC标准的积极采标国家之一,使用的箱式站一般都为组合式布置,组合式具体可分成“目”字型和“品”字型2种布置型式;一体式箱式站执行美国的ANSI标准,在美国被广泛应用。不同标准下的箱式站在接线方式、变压器油的种类、变压器材料等方面都存在差别。比如说,在接线方式上,美式箱式站适用于中性点直接地系统,不适用于中性点非直接接地系统,而欧式站在2种情况下都适用。

二、优点 来源:www.tede.cn

   1. 结构紧凑,占地少 

  由于箱式站将配电装置的大部分布置于封闭的箱体内,通过优化设计、合理组合,各部分之间的绝缘距离大大减少,缩小了占地面积和空间。以4000kVA单主变规模变电所为例,建设1座常规35kV变电站,需占地3000m2左右,而且需要大规模的土建工程;而采用箱式变电站,箱体的占地面积最小仅为 100m2,包括35kV的其他设备总占地面积最大为300m2,仅为同规模变电站所占面积的1/10,设备安装简单,既节省了费用又大大节约了土地。

   2.安装方便,建造快速 

  箱式站建造时,首先由设计人员根据变电站的实际要求,设计出一次主接线图和箱外设备的布置,然后只要根据设计结果直接选择箱式站的规格和型号,被选定箱式站的所有设备均在制造厂组装,并经调试和出厂试验合格;现场安装仅需进行箱体定位、电缆连接、保护定值校验、传动试验及其他一些调试工作,一般从安装到运行仅需短短数天时间,与常规变电站的建设过程相比,安装过程大大简化,工作量也大大减少,既缩短了施工周期,又节省了施工费用。

   3.投资省,效益高

  箱式站的经济性可以从3个方面来看:(1)造价低。除了设备购置费比常规站要贵以外,其他安装费、土建费及征地费都大大节省,综合起来大约比同规模常规变电站减少投资40%左右;(2)提前投资,提前收益。以35kV单台主变4000kVA规模变电站为例,保守估计按提前4个月投运计算,若平均负荷 2000kW,售电利润0.10元/kW·h,3个月可增加净利润60余万元;(3)运行维护费用低。在箱式变电站中,由于先进设备的选用,特别是无油设备的运行,从根本上彻底解决了常规变电所中的设备泄漏问题,变电站可实行状态检修,减少维护工作量,每年可节约大量的运行维护费用,整体经济效益十分可观。

   4. 组合方式灵活。通用性互换性强

  箱式站由于结构比较紧凑,每个箱体构成一个独立系统,这就使得组合方式灵活多变,箱式站没有固定的模式,使用单位可根据实际情况自由组合一些模式,以满足安全运行的需要;箱式站的高低压方案齐全,高低压之间线路方案可任意组合;高低压设备及元件可选用各种名优或进口产品,电气元件通用性,互换性强。

   5. 可靠性和安全性比较高

  常规变电站的电气设备,由于长期处于户外,其绝缘和导体易受外界的污染和破坏。而箱式站的导体、内部绝缘、接触部分等完全封闭在箱体内,箱体部分采用先进的制作工艺,外壳的材料具有良好的防腐能力,箱体内安装空调和除湿装置,使运行设备不易受自然气候环境、动物等外界影响;箱式站没有裸露带电导体暴露在箱外,不会引起外物短路和触电危险;全站可实现无油化运行,安全性高。

   6. 自动化程度高

  为了适应无人值守和调度自动化的需要,箱式站采用微机保护和综合自动化系统,可实现“4遥”(即:遥测、遥信、遥控、遥调)功能。每个智能控制单元均具有独立运行功能,保证继电保护功能安全,可对运行参数进行远方设置和实时监控,对箱体内湿度、温度进行自动控制和远方烟雾报警;在运行过程中,能按照给定的电压无功关系自动投切电容器、调整电压分接头进行电压无功调节;另外,根据需要还可以实现图像远程监控。 来源:www.tede.cn

   7. 外形美观,易与环境协调

  由于箱式站体积小、箱体材料先进、外形设计美观等特点,在保证供电可靠性前提下,通过选择箱式站的外壳颜色,极易与周围环境协调一致,特别适用于城市建设,如:城市居民住宅小区、车站、港口、机场、公园、绿化带等人口密集地区,它既可作为固定式变电所,也可作为移动式变电所,具有点缀和美化环境的作用。

三、若干问题及相关措施

   1. 散热问题

  散热问题是现有箱式变站存在的主要问题之一,与之相关的问题还有通风和防尘问题,3个问题互相影响和制约。温升是太阳辐射热经箱体传人箱内及箱内变压器、补偿电容器等发热引起的。箱体内温升过高会影响高低压设备和元器件的正常运行,而要降低温度。就要加强通风进行散热,这又会引起安全防护和防尘的问题。我国大部分地区,夏季比较炎热,气温较高,由于箱式站结构紧凑,变压器内体积小,导致变压器温度很高,再加之变压器在运行过程中要产生大量的热量,此时通过自然通风散热已经很难满足要求了,有时室内温度甚至超过50℃,严重增加了运行设备的损耗和故障率。如果打开箱门进行散热,灰尘、污秽就容易进入,还要派专人看守,保证安全。

  在这种情况下,首先应该依靠自排风扇来散热,温控元件会根据箱内温度的变化来控制排风扇的运行,当变压器上层油温超过整定值时,就启动排风扇以防室内温度过高。但是,利用风扇来加速热量散发也有一些负面因素,如:加速了变压器的老化、降低变压器的出力、变压器室开换风孔及安装排风扇都会导致箱式站整体防护等级的下降等;由于箱式站内的温升很大程度上由太阳辐射引起,可以在箱体外壳镀上一层特殊的反光材料,将太阳光中的红外波段反射掉,那么箱式站内的温度显然会下降很多,这种措施对箱式变的运行没有不利影响,但会增加造价;国内曾有报道利用热管原理制成的全封闭箱式站,但因附加了1套水循环系统,使箱式站失去了可靠性高、安装容易等优点;另外一个办法是,在设计时,将当地的气候条件和箱式站的散热问题考虑进去,适当增大变压器的容量裕度,这样在相同的负荷和气温条件下,箱式站内的报警温度上限值就提高了。虽然这种办法会降低经济性,但在天气特别炎热的地区,为了保证箱式站安全运行,一定容量的浪费也是值得的。 来源:tede

   2. 凝露和腐蚀问题

  箱式站的外壳很多采用钢板结构、铝板结构或其他材料,由于气温急剧变化,使箱内、外温度差发生剧变而引起箱式站内部发生凝露现象,破坏电器绝缘甚至导致变压器的闪络。如果箱式站在潮湿和有腐蚀性气体的环境中或沿海多盐雾地区运行,箱体还会容易被腐蚀和氧化,使其安全性降低,增大了运行中的故障发生率。为了防止凝露现象的发生,一种办法是在箱式站内部加装加热器和通风装置,并装有温度、湿度自动控制仪,当低温、高湿度时,加热器接通并开启通风,当低温度、低湿度时只接通加热装置,可保证变电站内部的温度、湿度保持在一定范围内,以确保箱体内的高低压电气设备不会有影响运行的凝露产生,达到了电力部门运行韵要求,但这种办法的效果很大程度上取决于智能控制系统的运行状况,有时效果并不理想;能伺时解决凝露和腐蚀问题的办法就是找到一些能克服凝露现象和具有防腐能力的材料作为箱体材料,这些材料一般应具有防潮、阻燃、抗腐蚀、耐水蒸汽渗透、能在各种气候条件下不会因冷热交变而产生凝露等优点,目前国内一些企业已经开发研制出了同类型的材料。并在实际应用中取得很好的效果。

   3. 防水和防火问题 

  由于箱式站长期在户外运行,其运行状况受环境因素影响较大,特别是对一些小容量的箱式站来说,经常会碰到箱体内受潮、进水、壳体发生锈蚀现象,对箱式站内的电气元器件的性能造成不利影响,使之不能正常运行,达不到设计要求的免维护年限目标。国内一些企业为了解决防水问题,采取了一些措施,如箱体顶部制成 “^”形、加装密封圈密封和采用节流法等。箱体顶部制成“^”主要是为了便于顶部排水;密封圈密封是静密封方法之一,主要通过密封面之间的弹性变形达到密封要求。此方法的密封效果与密封面结构及密封圈本身的材质有关,日晒雨淋后材质比较差的密封圈易随时间的推移而变质老化,失去原有弹性,失效而起不到密封作用。密封圈的结构差,泄漏量就大,改进结构可以提高密封效果,但生产厂家的制造工艺及过程控制将更加复杂;节流法是通过引导水流经过小孔或缝隙,在流股与壁面间出现涡流,消耗水流动能,使之大部分转变为热能而散失,从而有效地降低雨水的侵袭力。缺点是制造工艺上较难保证可靠的节流空隙,而且孔隙会因吊装等原因变形增大,导致实际防水效果较差。

  箱式站一般为全密封无人值守运行,虽然全部设备无油化运行,但是箱体内仍然存在火灾隐患,如:电缆、补偿电容器等一旦突发火灾,不利于通风,也不利于火灾的扑救。因此应考虑设计自动灭火系统,并加装防火、烟雾报警装置。当发生设备起火时,报警铃立即长鸣,并同时将信号发至中央控制室,启动自动灭火系统将火扑灭。 来源:http://

   4. 远动控制系统的抗干扰问题

  箱式站利用远动控制系统实现变电站的无人值班,是供电系统当前开展提高劳动生产率和经济效益的重要技术措施,因此远动控制系统的稳定、可靠运行,是实现 “减人增效”的关键。但是,在实际运行中,系统中的计算机、RTU和其他控制设备往往会受到外界因素干扰(如雷击)导致系统运行过程中遥信误发、控制失灵或者设备被损坏,从而造成设备和生产的事故。因此,如何提高系统的抗干扰能力,保证运行的稳定性和可靠性,对箱式站来说是一个可忽视的问题。

  对控制系统干扰源很多。主要有3种:电磁辐射、过程通道和供电电源,针对不同的干扰因素,往往采取不同的抗干扰措施。按照技术特性不同可以把抗干扰技术分成两大类:硬件抗干扰和软件抗干扰。硬件抗干扰是自动控制系统最主要、最基本的抗干扰手段,其总原则是:抑制或消除干扰源,切断干扰对系统的耦合通道,降低系统对干扰信号的敏感性。具体措施有:隔离、接地、屏蔽、滤波、鉴幅、提高信噪比及采用直流电源供电等方法;智能系统的控制功能是靠硬件系统和软件系统共同实现,有些干扰因素单凭硬件措施无法消除或抑制,还必须采用软件方法来解决。软件抗干扰主要是通过在软件编程时加入一些抗干扰措施来及时发现、拦截和纠正干扰造成的影响,具体方法有:自诊断、程序容错、信息冗余和数字滤波等。各种抗干扰措施之间相辅相成,通过对整个控制系统实行全面的抗干扰改造,增强系统的运行稳定性。

   5. 容量选择问题 

  在设计箱式站时,选择合适的变压器容量是一个重要的问题。如果变压器容量选得过大,就会出现“大马拉小车”现象,不仅一次性投资大,空载损耗也大;若变压器容量选得过小,变压器负载损耗增大,经济上不合理,技术上也不可行,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,负载率过高会使损耗明显增大;另一方面,由于变压器的容量裕度小,若负荷稍有增加,便需要更换大容量箱式站,频繁增容势必会增加投资,影响供电。

  选择箱式站容量,要以用户现有的负荷为依据,适当考虑负荷发展。如果负荷区在未来一定时问段内(以5年为例)的电力发展计划明确且基本上变动不大,我们在选择箱式站容量时,就可以把5年内的负荷变化情况考虑在内,可以利于(1)式来计算箱式站的配置容量(要求当年负荷不低于变压器容量的30%):

  式中 S—— 箱变在5年内所需配置容量,kVA;
   ∑P—— 5年内的有功负荷,kW;
   K —— 同时率,一般为0.7~0.8;
   cosφ—— 功率因数,一般为0.8~0.85;
    η —— 变压器效率,一般为0.8~0.9。

   根据算出的S,就可以选择箱式站的容量,如果单台变压器的容量不够大,可以增加变压器的台数,在满足S的前提下,变压器的容量和数量按照最经济原则确定。 

四 结 语 

  展望未来,箱式站在我国广大城市、农村、工矿企业、公共建筑设施中的应用会更加广泛,它将以较常规“土建”式变电站难以比拟的优势被越来越多的人所接受。为了适应新形式下我国电网的发展水平,箱式站必须在保留原有优点的情况下,加快自身的发展。随着微处理器技术、计算机网络技术、信息通讯技术、电力电子技术及人工智能控制技术的不断发展和应用,信息化和网络化对电力系统的智能化运行需求日益迫切,也为智能化电器技术的进一步发展奠定了基础。电网运行水平的提高不仅要求箱式站安全可靠、具有“4遥”功能,而且能完成故障区段自动定位、故障切除、负载转带及网络重构等一系列智能化功能,从而保证短时间内恢复送电。另外,以上提到箱式站的一些缺点也大都可以通过提高智能化技术来进一步弥补和完善。因此,可以说智能化箱式站是未来箱式站的发展趋势,智能化程度的提高使得箱式站在保证电网安全、经济、可靠地运行的前提下,向更加简单、实用、可靠的方向发展。总之,智能化箱式站是我国电网今后一个时期的发展方向,其必将促使我国的电网运行水平再上新台阶。

责任编辑:168dq  
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