新能源电站用美式箱变的应用及设计要点

2017-04-11西安天虹电气有限公司郑绍忠丁雪丰

电器工业 2017年1期

关键词：箱变熔断器美式

／西安天虹电气有限公司郑绍忠丁雪丰／

新能源电站用美式箱变的应用及设计要点

／西安天虹电气有限公司郑绍忠丁雪丰／

给出了新能源电站用美式箱式变电站的组成及工作原理，从运行环境及组件的选用等方面介绍了该美式箱变的设计要点，针对实际应用中出现的问题，提出了设计及使用中具体的注意事项。

新能源电站；美式箱变；应用；设计

0 引言

太阳能和风能在能源领域中得到世界各国的高度重视。我国风力发电、光伏发电近年来发展迅速，截至2015年底，我国风电装机容量12934万kW，光伏装机4318万kW。与其配套使用的箱式变电站绝大多数为美式箱式变电站，美式箱式变电站经过多年发展，技术可靠，价格低廉，在新能源领域有着其他型式变电站无可比拟的优点。

1 组成及原理

美式箱式变电站简称美式箱变，是一种集成了变电、高低压保护的预装式箱式变电站。风力发电机或者光伏逆变器所送出的低电压经美式箱变升压至35kV再汇集外送。美式箱变由升压变压器、站用变压器、高压负荷开关熔断器组、低压断路器、避雷器及其他保护测量设备组合而成。高压负荷开关、高压熔断器、变压器均置于油箱内，整体外形尺寸比欧式箱变小巧，成本也更加低廉。右图为美式箱变的设计原理图。

2 产品特点

我国新能源电站多集中在陕北、宁夏、甘肃、新疆等地区的戈壁、荒漠地区。位置偏远，运输不便，因此新能源电站设备的运输及耐候性便是产品设计中要考虑的首要问题。尤其要注意在运输过程中颠簸导致的变压器渗油问题。

图美式箱变的设计原理图

美式箱变在新能源电站中常年处于低负荷的使用状态。风力发电受季节影响大，光伏受昼夜影响大。美式箱变的年负载率约在35%左右，夜间几乎全部处于空载状态，设计中应降低空载损耗。根据设计，风力发电机及光伏逆变器或者美式箱变本身可以在过载或者低载时自动控制或停止运行，加之风机与光伏组件的装机容量都是峰值容量，在正常运行时很少达到，所以一般不会造成变压器长时间过载运行。另外考虑到一般变压器都具有一定的过负荷能力，因此设计时无需考虑美式箱变的长时间超负载运行。

3 应用中出现的问题

3.1 共箱干扰

大部分美式箱变在设计时都把所有高压电器元件和变压器共同放置在一个壳体内，采用变压器油作为主要绝缘、散热和灭弧介质。负荷开关熔断器组合电器作为主要的保护电器动作时由于大电流会产生电弧，使变压器绝缘油变质，进而污染整个油箱，降低油的绝缘性能和变压器寿命。美式箱变是油绝缘、全封闭的变电设备，在一定时期内必须保证变压器油不受污染，其绝缘性能不至降低到标准要求以下。

负荷开关及插入式熔断器在空载下操作时几乎不会引起油的炭化现象，但是在负载或者故障动作时，电弧将使得变压器油迅速炭化变黑。多次重复后，变压器油的绝缘性能将明显下降，特殊情况下将造成由绝缘引起的爆箱。另外，变压器损耗产生的高油温，也会使其他同室设备的运行温度升高，加快绝缘件老化，降低设备寿命和运行可靠性。

3.2 漏油问题

箱变漏油主要有焊接问题、设计时未考虑运输状况、密封件质量不佳、螺栓松动等几种原因。新能源发电站往往位于荒无人烟的戈壁等地区，对设备运输和设计无形中提出了更高的要求，2015年某光伏电站发生一起箱变爆炸事故，集电线路保护跳闸，箱体被胀成圆形。分析原因为箱变漏油，引起油位降低，高压负荷开关使用环境为油绝缘，暴露在空中后相间绝缘距离不足，发生相间短路引起事故。

3.3 油色谱试验不合格

主要问题是箱变密封不严，油中进入水气，引起氢气和总烃含量超标，还有的会产生放电现象。新能源电站因为占地面积大，运维人员相当不足，水平较高的人员更少，加之箱变电压等级不高、在占地较大的厂站里分布也很分散，美式箱变的油色谱分析试验容易被业主和运维方忽视。

4 设计要点

作者结合多年的新能源电站运维经验，针对美式箱变在应用中出现的上述问题，对该类产品的设计做简单介绍，并提出一些注意事项。

4.1 布局

高压负荷开关和熔断器组合电器的选用，使箱变中的变压器本体与常规产品相比有了很大的不同。高压插入式熔断器、高压负荷开关要浸入油箱内，面板仪表观测、高压负荷开关操作、低压配电保护设备观测等工作需要在设备带电的情况下进行，故负荷开关熔断器组、分接开关、插入式保护熔断器、低压监测保护设备及各类面板仪表等应与高压设备分开放置。一方面要考虑实用性，另一方面也要考虑经济性，这就要求美式箱变在高压、低压和变压器各方面有一个合理的综合规划布局。

近几年西安天虹电气有限公司为国内外多个新能源电站设计制造的美式箱变经过更新和优化，认为“H+1”型，即高、低压室分别位于变压器主体两侧，负荷开关和熔断器组位于箱变侧面的总体布局较为合理。

4.2 组件选用

1）变压器。变压器根据设计匹配，可以选用普通升压变压器或者低压双分裂变压器。一般采用Dyn接线方式，在设计中采用优质硅钢片，此种变压器具有体积小、空负载损耗小、输出电能质量高、中性点不漂移、过电压性能好等优点。

2）高压负荷开关。采用油浸式负荷开关，浸于变压器油箱内，一般与熔断器配合使用为箱变提供保护。同时也为线路提供了开断能力及防止故障对电网造成冲击。

3）高压插入式全范围保护熔断器。与负荷开关配合作为美式箱变的保护设备，对美式箱变提供短路保护和过流保护。

4）无励磁分接开关。为了适应电网电压波动以满足电能质量的需求，无励磁分接开关是必备器件，通常选用±2×2.5%分接，根据电网环境也可以选用更多的分接。但一般不需要选用有载调压开关。

5）高压避雷器。设备在运行中有时会出现操作过电压及感应过电压等，该电压会对变压器及其他相邻元件产生不利影响甚至损坏设备。因此，在美式箱变需要安装氧化锌避雷器来做过电压防护。

6）高压电磁锁及带电显示装置。高压室内有危险电压，为了防止发生意外，高压室需要设置网门以起到防止误入带电间隔的作用，其上装设高压电磁锁及带电显示装置。

7）低压断路器。低压断路器可在美式箱变就地进行分、合闸操作，可实现短路保护、电流速断保护、接地故障保护及缺相保护等功能。

8）低压配电屏。美式箱变一般需配置温度计、加热器、电流表、电压表、浪涌保护器、电压电流互感器等组件。现在智能变电站还需要安装远传设备，对美式箱变的大部分设备相关信息进行遥测、遥信、遥控，实现智能化运维管理；为方便安装使用及接线操作，配电盘也会引入低压配电室。

4.3 铁心及绕组

新能源电站用美式箱变由于空载时间长，要求空载损耗相应要低。为降低空载损耗，应采用高导磁低损耗冷轧硅钢片，设计时把磁密控制在1.5T以下，并通过对硅钢片剪切及叠装工序的严格控制来最大限度地减小涡流损耗和磁滞损耗，对于常用的1000kVA变压器，推荐使用长圆形结构。

美式箱变的高压绕组宜采用分段的圆筒式结构，圆筒式绕组能较好地抵抗短路冲击，其绕组电场分布均匀，可以最大限度地消除和抑制电压振荡。从而降低层间电压，减少层间绝缘厚度，提高绕组的占空比。

4.4 引线部分

引线是变压器器身的重要组成部分，各接点的机械及电气连接是否完好是变压器运行可靠性的主要表征点。由于新能源电站一般在偏远地区，道路条件较差，在运输过程中的的颠簸和震动都会引起引线连接的松动和虚接，严重的甚至会发生引线断裂。因此绕组出头引出位置在固定前应采用绝缘护套加强，引线各个连接处也应根据具体情况采用防松措施，引出线长度也必须留有余量或者采用软连接。对于长度较长的高压插入式全范围保护熔断器，油箱内部要事先设计支架，防止绝缘部分在运输过程中损坏甚至断裂。

4.5 壳体

美式箱变由于用途和成本的关系一般设计为不带储油柜的全密封结构，油箱上层设计20cm左右的气隙，根据温度计算在设定的压力范围内靠气隙调解油受热遇冷引起的体积变化。在壳体的生产制造过程中，油箱要进行气压试漏和变压器整体的带油充气试漏，以保证变压器壳体整体的密封性。为了强化美式箱变在戈壁等恶劣条件下的正常运行，还需考虑美式箱变壳体的耐候性，要具备抗曝晒、抗风沙、扩腐蚀等特点。第一，新能源电站由于环境原因，壳体整体密封性要求极为严格，全封闭、取消百叶窗、所有门柜加装密封胶条是常规配置，以防止风沙雨水侵蚀柜体内部。门需要有接地装置和定位铰链，防止壳体变形影响整体密封性。外壳喷塑，并在生产时从工艺上严格要求以保证其附着力。另外，新能源电站美式箱变都要求采用防盗结构，可拆除元器件的螺栓不允许外露。为了避免设备安装后被盗，也应选用固定的片式散热器而不选择可拆卸结构，这样也可以减小设备宽度，减小占地面积。如果现场不具备条件要整体带油运输，散热器部分要进行特殊加固处理，或者在下方垫置木块以防止颠簸产生开焊。