智能化小型化箱變的難點(diǎn)分析

蔡冰華

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430060）

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市與鄉(xiāng)村之間的電網(wǎng)建設(shè)蓬勃發(fā)展。針對(duì)城鄉(xiāng)之間的電網(wǎng)構(gòu)建，國(guó)家要求必須以高壓的電流直接接入其負(fù)荷中心區(qū)域，這樣就會(huì)造成高壓受變降壓。所以，供電中需要有方向有目的地進(jìn)行調(diào)整，比如需要節(jié)省電源，研發(fā)小型化智能化設(shè)備。因?yàn)槌青l(xiāng)居民需要比較便利的電力供應(yīng)，所以箱變應(yīng)用更加廣泛且較安全，除此以外，還需要具有智能化的效果。但目前智能化的技術(shù)設(shè)備很多，分析起來(lái)比較困難，本文對(duì)此進(jìn)行了探討?？v觀國(guó)內(nèi)外，制造箱式變電站的企業(yè)有很多，不過(guò)制造小型箱式變電站的極少，但是它們?cè)谑袌?chǎng)上的需求卻日趨旺盛，小型化智能箱變具有很大的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。例如：它們具有比較先進(jìn)的技術(shù)支持；從箱體的材料來(lái)看，其選用的是鍍鋁鋅鋼板，其框架是運(yùn)用極嚴(yán)格的工藝制造的，而且防銹防腐。占地面積比較小，這種箱變的體積僅僅是傳統(tǒng)箱變的32%，所以，在有需求的環(huán)境中大多數(shù)角落均可直接安裝。工廠化預(yù)定制：依據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)以及制造的步驟，這些設(shè)備所在的車間都是一次性地進(jìn)行安裝與調(diào)試，在安裝現(xiàn)場(chǎng)中，只需要很少的幾個(gè)步驟即可安裝完成，整個(gè)過(guò)程只需要一周時(shí)間即可。

箱式變電站分為美式箱式變電站和歐式箱式變電站。美式箱式變電站的開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲等部件放置在變壓器箱中，形成一個(gè)綜合設(shè)備。采用變壓器油作為帶電部件與地面之間的絕緣介質(zhì)，使部件體積最小化，結(jié)構(gòu)更加緊湊，安裝方便靈活。箱內(nèi)裝有壓力表、油位表、油溫表等儀表及其他監(jiān)控裝置。歐式箱式變電站在中國(guó)一般被稱為組合變電站。它們一般是將開(kāi)關(guān)柜以及低壓配電裝置在三個(gè)不同的隔間之中布置，然后通過(guò)電纜等實(shí)現(xiàn)母線的相互連接。比較高的電壓一般是在3.6-40.5kV 范圍，其中間還有一個(gè)或者多個(gè)變壓器，便于調(diào)節(jié)其壓力。

最近幾年以來(lái)，我國(guó)對(duì)于智能化電網(wǎng)的規(guī)劃進(jìn)行了相關(guān)的建設(shè)與創(chuàng)新，由于社會(huì)的不斷進(jìn)步，智能化電網(wǎng)的發(fā)展步伐也比較迅速。各個(gè)企業(yè)商家之間的競(jìng)爭(zhēng)法寶就是智能化的配電產(chǎn)品。因此智能化產(chǎn)品得到了很多廠家的大力研發(fā)和生產(chǎn)。先前比較古老的變電站無(wú)法滿足智能化的要求，這為智能化變電站的發(fā)展提供了發(fā)展空間。智能化變電站在以后的市場(chǎng)上會(huì)成為最受歡迎的產(chǎn)品。

1 智能化小型化箱變的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)智能化小型化箱變應(yīng)用現(xiàn)狀

在上個(gè)世紀(jì)，簡(jiǎn)單的箱式變電站開(kāi)始問(wèn)世，電力部門制定了相關(guān)的政策與指標(biāo)，但是它的應(yīng)用范圍并不寬泛。到上世紀(jì)末，箱式變電站在鄉(xiāng)村電網(wǎng)改革的基礎(chǔ)上大力發(fā)展起來(lái)，得到了廣泛的應(yīng)用。電網(wǎng)改造的目的在于對(duì)城鄉(xiāng)建設(shè)和改造的變電站進(jìn)行工廠化和移動(dòng)化運(yùn)行，因?yàn)橹悄芑⌒突渥儗?duì)于負(fù)荷中心的深入比較方便，加之會(huì)很容易減小供電的半徑，因此非常適合對(duì)于鄉(xiāng)村電網(wǎng)進(jìn)行改造。由于智能電網(wǎng)發(fā)展比較迅速，國(guó)家越來(lái)越注重環(huán)保問(wèn)題，因此，其現(xiàn)在已經(jīng)朝著一個(gè)更加環(huán)保、清潔的方向進(jìn)行發(fā)展。箱式變電站的發(fā)展目標(biāo)逐漸向模塊化、智能化的方向進(jìn)行發(fā)展，這樣比較方便操作，而且還有利于環(huán)保，所消耗的成本也比較低。

模塊化的結(jié)構(gòu)被智能化箱變所應(yīng)用。依據(jù)高壓開(kāi)關(guān)與電網(wǎng)連接可以將其分為：環(huán)網(wǎng)式、雙電源式或終端式。按設(shè)備布局位置可將其分為：目字型和品字型。相反，智能變電站有這些相反的優(yōu)勢(shì)。因此，在全球，箱式的變電站被大力推廣且得到了有效的應(yīng)用，并且市場(chǎng)越來(lái)越大。因此，對(duì)智能變電站的研究具有一定的價(jià)值。

依據(jù)我國(guó)地形的分布以及各地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，對(duì)于我國(guó)的電網(wǎng)分布進(jìn)行了一定的劃分，這樣的劃分比較符合我國(guó)以后的發(fā)展。我國(guó)能源消耗大，大部分采用風(fēng)力和太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，這樣可以使得資源得到持續(xù)使用。目前中國(guó)的智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度。智能變電站也會(huì)成為我國(guó)電網(wǎng)的主要平臺(tái)，它的應(yīng)用一定會(huì)有廣大的發(fā)展空間。

這表明智能變電站有一個(gè)光明的未來(lái)。依據(jù)我國(guó)的十二五規(guī)劃：截至2015 年，我國(guó)共構(gòu)建了大約5182 座智能化的變電站，其中500kV 以內(nèi)的變電站約兩百多座，330kV 以下的約五千多座，110（66）千伏的變電站630 座。在“十二五”期間，新構(gòu)建的智能化變電站大約投資五百多億元，其中對(duì)其進(jìn)行投資建造裝修大約需要不到一百億元。按照智能化改造環(huán)比20%的節(jié)約份額計(jì)算，智能化改造投資達(dá)到3200億元左右。

1.2 國(guó)外智能化小型化箱變應(yīng)用現(xiàn)狀

箱式變電站是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)六七十年代推出的一整套戶外變電站設(shè)備。本產(chǎn)品采用預(yù)裝式設(shè)計(jì)，即箱內(nèi)所有設(shè)備均在工廠內(nèi)安裝檢查，并運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)連接進(jìn)出線電纜。

目前，美國(guó)電力公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一套非常緊湊的箱式自動(dòng)控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)具有多種功能，比如能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行良好的保護(hù)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)與歸納，并且操控部位比較少，所需成本低。智能變電站在發(fā)達(dá)國(guó)家配電領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用，這個(gè)是截至目前為止，在變電站中實(shí)施的最大變革。

2 當(dāng)前市場(chǎng)常規(guī)箱存在的問(wèn)題

由于箱體體積大，運(yùn)輸不便，且散熱設(shè)計(jì)不完善，所以夏季用電高峰期會(huì)出現(xiàn)故障，運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性不夠好。另外，采用常規(guī)變壓器，耗電量比較大，能耗也比較高。針對(duì)上述問(wèn)題，目前研究人員對(duì)其進(jìn)行了大量的研究和技術(shù)創(chuàng)新，極大地提高了設(shè)備的運(yùn)行性能，有效地解決了相關(guān)問(wèn)題。

2.1 箱體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

箱體采用雙層幕墻和金屬雕刻復(fù)合板，美觀大方，而且隔熱板重量輕。因?yàn)樗梢蚤L(zhǎng)久地在室外進(jìn)行應(yīng)用，使用時(shí)間長(zhǎng)，最重要的是比較方便在各種場(chǎng)合下進(jìn)行安裝。箱體的底部以及側(cè)面和頂部都是大面積的設(shè)置，這樣可以有利于增強(qiáng)空氣流通和散熱，可以增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

2.2 對(duì)高壓電源的技術(shù)革新

2.2.1 可靠永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器

斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)使用的是永磁機(jī)構(gòu)，并且其運(yùn)行線圈不會(huì)進(jìn)行充電，防止線圈遭到燒灼，一般情況下，傳動(dòng)器的裝備都是比較簡(jiǎn)單的，使用時(shí)間也比較長(zhǎng)，應(yīng)用起來(lái)也比較安全可靠。

2.2.2 全面智能精細(xì)保護(hù)

常規(guī)設(shè)備由于短路阻抗大、短路電流小、保護(hù)整定值步長(zhǎng)大等原因，不能有效地保護(hù)終端故障，常常導(dǎo)致跳閘。作者公司箱變保護(hù)定值可連續(xù)調(diào)整，定值調(diào)整準(zhǔn)確可靠地解決了跳閘問(wèn)題。

2.3 對(duì)變壓器的技術(shù)革新

2.3.1 節(jié)能環(huán)保的卷鐵芯技術(shù)

損耗小：將磁芯片放在硅鋼片的部位然后進(jìn)行繞圈，可以將硅鋼片的優(yōu)勢(shì)充分地顯現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致磁路的變形比較小，而且可以有效減小損耗以及電流。和其他的變壓器進(jìn)行比較，空載的電流大概是80%，空載的消耗量大概是30%。

環(huán)保低噪聲：由于繞線式變壓器鐵芯的整體結(jié)構(gòu)緊湊，而且聲音比較小，所以滿足環(huán)保要求。

設(shè)備防盜：繞線式鐵芯是一個(gè)整體部件，而且其里面的芯片不能松，不能將里面的線圈去掉。因硅鋼片屬于比較硬的材質(zhì)，所以它具有很好的防盜功能。

2.3.2 有載節(jié)能技術(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)目前變壓器的總耗損率大約為10%，其中大約五分之三的電網(wǎng)屬于中低壓，而且其損耗占到了五分之二左右。如果將其損耗稍微降低一點(diǎn)，每一年可以節(jié)省電量高達(dá)數(shù)百億千瓦。因此對(duì)于配電變壓器的損耗降低的研究，刻不容緩。對(duì)于配電變壓器來(lái)說(shuō)，在季節(jié)性和周期性用電低谷期間，變壓器的損耗一般比較低。一般情況下，在負(fù)荷比較輕的時(shí)候，其空載的損失會(huì)極大降低，并且體積比較小的空載其損耗能力比體積大的三分之一還要小，它的節(jié)能效果也比較好。

3 箱式變電站智能化系統(tǒng)研究

截至到目前，箱式變電站已經(jīng)慢慢地作為我國(guó)低壓配變電站最核心的配電裝置。由于電力系統(tǒng)迅速的發(fā)展與創(chuàng)新，其配電的技術(shù)及創(chuàng)新能力也得到了很大的發(fā)展，因此智能化小型化箱變被逐漸研發(fā)并應(yīng)用。在這一研究的過(guò)程之中，需要對(duì)相應(yīng)地區(qū)用電的需求進(jìn)行合理的估計(jì)，對(duì)其發(fā)生意外的可能性進(jìn)行合理性的預(yù)測(cè)，爭(zhēng)取能夠迅速區(qū)將智能化箱式變電站發(fā)展起來(lái)，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，這對(duì)行業(yè)發(fā)展而言，具有舉足輕重的意義。

一般情況下，智能化小型化箱變的實(shí)施方案主要是高低壓系統(tǒng)。各個(gè)設(shè)備相對(duì)而言比較獨(dú)立，可以完成各類數(shù)據(jù)的相關(guān)采集以及歸納，可以根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)于功能進(jìn)行保護(hù)與運(yùn)行。還可以使用相關(guān)的軟件如Alpine進(jìn)行很多事情的處理，并且能夠發(fā)現(xiàn)一些由于局部問(wèn)題造成的全面坍塌，確保盡快找出問(wèn)題的根源進(jìn)行維修，確保各個(gè)模塊能夠正常穩(wěn)定地進(jìn)行工作。因?yàn)橄涫阶冸娬拘枰獙?duì)其進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)一的管理，所以各個(gè)模塊還具備管理以及通信性能。一般其結(jié)構(gòu)為CPU 協(xié)同工作模式，在每個(gè)智能化的末端，都會(huì)配置監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的相互通信。

3.1 DTU 監(jiān)控模塊

DTU 監(jiān)控模塊不僅是箱式變電站地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，也是箱式變電站地區(qū)配電網(wǎng)的重要遠(yuǎn)程終端。主要完成數(shù)據(jù)傳輸、通信參數(shù)設(shè)置和通信協(xié)議驗(yàn)證，并通過(guò)局域網(wǎng)can/DeviceNet 對(duì)箱式變電站所有機(jī)柜進(jìn)行管理，DTU 監(jiān)控模塊還可以進(jìn)行人和機(jī)器協(xié)同工作，使得很多工作可以通過(guò)人為的操作來(lái)完成。

3.2 高壓側(cè)

壓力比較高的情況下，箱式變電站應(yīng)用方面比較智能化。截至目前，環(huán)網(wǎng)柜還不具備比較高效的監(jiān)控功能。因?yàn)闈M足自動(dòng)化設(shè)備的需求，需要建立三遙系統(tǒng)。由于我國(guó)城市化電網(wǎng)的改造以及配電自動(dòng)化系統(tǒng)的迅速發(fā)展，因此很有必要研發(fā)一種以環(huán)網(wǎng)柜為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)備，這樣可以使得環(huán)網(wǎng)柜的終端以及全部過(guò)程得到實(shí)時(shí)的監(jiān)控與監(jiān)測(cè)，能夠?qū)ζ溆幸欢ǖ谋Ｗo(hù)作用。

3.3 變壓器室

變壓器室的功能是對(duì)于工作的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的監(jiān)控。在整個(gè)系統(tǒng)之中，變壓器室主要是將高壓轉(zhuǎn)換為低壓，為低壓用戶提供便利的電力設(shè)備。它的數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)最為重要的部分，比如功率、頻率等，數(shù)據(jù)是決定了配電變壓器是否能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。所以，需要對(duì)變壓室的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理以及分析，從而可以預(yù)測(cè)其是否可以正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于我國(guó)小型化箱式變壓器的發(fā)展才剛剛起步，理論還不夠成熟，國(guó)內(nèi)配套設(shè)備也不完善。但隨著相關(guān)配套部件的開(kāi)發(fā)和引進(jìn)，箱式變壓器的小型化設(shè)計(jì)將進(jìn)一步完善。這一產(chǎn)品的質(zhì)量比較輕，而且成本比較低，維修比較便利。其損耗量比傳統(tǒng)箱式變壓器明顯要低得多，成本可降低25%左右。此外，箱變采用防盜結(jié)構(gòu)，五防可靠，可深入負(fù)荷中心，顯著提高供電質(zhì)量。縱觀以上特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)小型化箱式變壓器將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加快，智能高山設(shè)備的需求將不斷增加，智能化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的需求也將不斷增加。因此，智能高山將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。本篇文章盡管對(duì)于智能化小型化箱變做了系統(tǒng)的研究，但還是存在幾個(gè)問(wèn)題：

（1）需要對(duì)于智能化的低壓斷路器進(jìn)行系統(tǒng)詳盡的分析研究，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于溫度的監(jiān)測(cè)并能夠?qū)崿F(xiàn)可以自動(dòng)報(bào)警的功能。

（2）需設(shè)計(jì)一個(gè)視頻系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控箱變的里外構(gòu)件。