Analyse von Normen und Strukturleistung kombinierter Verteilungseinrichtungen
Normen und Klassifikation von kombinierten Stromverteilungseinrichtungen
Es gibt eine relativ große Vielfalt an kombinierten Stromverteilungseinrichtungen. Häufig verwendete Einrichtungen umfassen Umspannwerke in Containerbauweise, Kastentransformatoren, vorgefertigte Umspannwerke, kombinierte Transformatoren, europäische Kastenumspannwerke und amerikanische Kastenumspannwerke.
Relevante Normen für kombinierte Stromverteilungseinrichtungen
Die derzeit gültigen relevanten Normen für kombinierte Stromverteilungseinrichtungen in China umfassen hauptsächlich: die nationale Norm GB/T 17467-1998 Hochspannung/Niederspannung vorgefertigte Umspannwerke, die Maschinenindustrie-Norm JB/T 10217-2000 Kombinierte Transformatoren und die Bestellnorm der Energiebranche DL/T 537-2002 Auswahlleitfaden für Hochspannung/Niederspannung vorgefertigte Kastenumspannwerke.
Im Jahr 1995 veröffentlichte die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) die Norm IEC1330-1995 Hochspannung/Niederspannung vorgefertigte Umspannwerke. Die nationale Norm GB/T 17467-1998 Hochspannung/Niederspannung vorgefertigte Umspannwerke entspricht der IEC1330-Norm. In dieser Norm wird ein vorgefertigtes Umspannwerk definiert als "Ausrüstung, die Typprüfungen bestanden hat und zum Übertragen von elektrischer Energie von einem Hochspannungssystem zu einem Niederspannungssystem verwendet wird. Es enthält Transformatoren, Niederspannungs- und Hochspannungsschaltanlagen, Verbindungskabel und Hilfsausrüstung in einer Gehäuseumhüllung".
Die Maschinenindustrie-Norm JB/T 10217-2000 Kombinierte Transformatoren legt fest, dass die Standarddefinition eines kombinierten Transformators lautet: "Ein Transformator, der den Transformatorkörper, Schaltanlagen, Sicherungen, Spannungswandler und entsprechende Hilfsausrüstung kombiniert".
Die Bestellnorm der Energiebranche DL/T 537-2002 Auswahlleitfaden für Hochspannung/Niederspannung vorgefertigte Kastenumspannwerke überarbeitete die ursprüngliche DL/T 537-1993 Technische Bedingungen für Bestellungen von 6-35kV Kastenumspannwerken, wodurch die Energiebranchennorm für Kastenumspannwerke mit der IEC 1330-1995 konsistent gemacht wurde. Die Unterschiede zwischen DL/T 537-2002 und IEC 1330-1995 (d.h. GB/T 17467-1998) sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die oben genannten drei nationalen Normen sind alle empfohlene Normen. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Branchen haben jede dieser Normen ihre eigenen einzigartigen Merkmale. Die Bestellnorm der Energiebranche wird aus der Sicht des Nutzers betrachtet, basierend auf internationalen (nationalen) Normen, und fügt den in Tabelle 1 eingeführten Inhalt hinzu, was eine detailliertere Grundlage für die Ausrüstungsauswahl bietet.
Klassifikation von kombinierten Stromverteilungseinrichtungen
Trotz der oben erwähnten Normen ist die Benennung von kombinierten Stromverteilungseinrichtungen in der praktischen Anwendung nicht sehr einheitlich, und die Klassifizierung variiert ebenfalls. Es gibt hauptsächlich zwei Kategorien: Eine ist, nur vorgefertigte Umspannwerke als europäische Kastenumspannwerke zu definieren; die andere ist, alle kombinierten Stromverteilungseinrichtungen als vorgefertigte Umspannwerke zu bezeichnen und dann vorgefertigte Umspannwerke in "europäische Kastenumspannwerke" und "amerikanische Kastenumspannwerke" zu unterteilen. Einige Lieferanten haben sogar ein Produkt mit zwei Namen, um den Bedürfnissen verschiedener Nutzer gerecht zu werden.
Struktur- und Leistungsanalyse
Europäisches vorgefertigtes Umspannwerk
In den 1970er Jahren importierte China 6-10kV integrierte Stromverteilungseinrichtungen aus europäischen Ländern wie Frankreich und Deutschland. Diese innovative Ausrüstung integrierte die drei Hauptkomponenten eines Umspannwerks (Hochspannungsschaltanlage, Transformator und Niederspannungsverteilschrank) in einen einzigen Gehäuseumschlag, was das Konzept des vorgefertigten Umspannwerks begründete.
Im Dezember 1993 gab das ehemalige Ministerium für Elektrizität die Branchennorm DL/T 537-1993 "Technische Spezifikationen für 6-35kV vorgefertigte Umspannwerke" heraus. Artikel 3.1 dieser Norm definiert explizit: "Eine kompakte vollständige Stromverteilungsanordnung, bestehend aus Hochspannungsverteilungseinrichtungen, Stromtransformatoren, Niederspannungsverteilungseinrichtungen und elektrischen Energiemessgeräten, die in einem oder mehreren Gehäusen untergebracht sind, wird als vorgefertigtes Umspannwerk, abgekürzt als Kastenumspannwerk, bezeichnet." Basierend auf europäischen Designs wurde diese Konfiguration allgemein als europäisches vorgefertigtes Umspannwerk bekannt.
Nach der Veröffentlichung der Nationalen Norm GB/T 17467-1998 "Hochspannung/Niederspannung vorgefertigte Umspannwerke" im Jahr 1998 wurde die offizielle Terminologie zu "vorgefertigtes Umspannwerk" geändert. Allerdings bezeichnen sowohl Nutzer als auch Hersteller diese Installationen weiterhin als Kastenumspannwerke oder europäische Umspannwerke in der Praxis.
Strukturelle Merkmale:
Das europäische Umspannwerk besteht typischerweise aus drei funktionalen Abteilungen:
Hochspannungsraum
Niederspannungsraum
Transformatorraum
Zwei primäre Konfigurationen werden verwendet:
Lineare Anordnung: Standardkonfiguration
Dreiecksanordnung: Für komplexe Anforderungen an niederspannungstechnische Schaltkreise
Leistungsunterschiede gegenüber herkömmlichen Umspannwerken:
Optimierung der Lastnähe:
Reduziert den Versorgungsradius um 40-60%
Senkt die Investitionskosten für Kabel um 25-35%
Reduziert die Leitungsschwundverluste um 15-20%
Raumeffizienz:
Belegt etwa 10% der Fläche eines herkömmlichen Umspannwerks
Senkt die Baukosten um 60-70%
Einfache Installation:
Reduziert die Bauzeit vor Ort um 50-60%
Technische Einschränkungen und Lösungen:
Das Verschlussdesign stellt wichtige thermische Managementprobleme dar:
Eingeschränkte Wärmeabgabe erhöht die innere Temperatur (typische ΔT-Erhöhung: 8-12°C)
Potenzielle thermische Auswirkungen auf die Komponentenstabilität (geschätzte Leistungsminderung: 3-5% pro 10°C-Anstieg)
Industrielle Minderungsstrategien umfassen:
Erweiterte Lüftungssysteme:
Labyrinthstrukturierter Gehäusewand
Axiallüfter (typisch 200-400 CFM Kapazität)
Thermische Verbesserungsmaßnahmen:
Kühleroptimierung (Oberflächenfläche um 20-30% erhöht)
Wärmebeständige Isoliermaterialien (Klasse H oder höher)
Diese Lösungen, obwohl effektiv, führen zu:
Struktureller Komplexität (Herstellungszyklus verlängert: 15-20%)
Zusätzlicher Energieverbrauch (Hilfssysteme: 5-8% der Gesamtlast)
Akustischen Emissionen (typischer Lärmpegelanstieg: 3-5 dBA)
Neueste technologische Fortschritte:
Führende Hersteller haben Durchbrüche in der thermischen Management erreicht:
Neue Wärmeabgabekonfigurationen für Transformatoren (verbesserte Effizienz: 12-15%)
Optimierte Gehäuseaerodynamik (Temperaturreduktion: 6-8°C)
Zertifizierte Hochleistungskonstruktionen (≥800kVA) ohne erzwungene Lüftung
Einhaltung der GB 1094.11 Trockentransformator-Thermgrenzen (maximale Wicklungstemperaturerhöhung: 100K)
Diese Innovationen halten die Einhaltung nationaler Standards aufrecht, während sie:
Energiesparmaßnahmen (Lüfterleistung reduziert: 100%)
Lärmpegelreduktion (4-7 dBA)
Verbesserte Betriebssicherheit (MTBF-Verbesserung: 20-25%)
Amerikanische Kastenumspannwerke (Kombinierte Transformatoren)
In den 1990er Jahren kamen amerikanische abgeteilte dreiphasige Verteilungstransformatoren auf den chinesischen Markt. Gemäß dem amerikanischen Nationalstandard (ANSI) C57.12.26-1992 Standard für padmontierte abgeteilte selbstgekühlte dreiphasige Verteilungstransformatoren mit Hochspannungseinsteckverbindern werden Hochspannungskabel durch Kabelverbindungen im Hochspannungsraum an den Transformator angeschlossen, und Niederspannungskabel werden mit Bolzen im Niederspannungsraum an die Niederspannungsterminals angeschlossen. Der Ölbehälter des padmontierten abgeteilten Verteilungstransformators ist mit Hochspannungssicherungen und vierstelligen Lastschaltern ausgestattet. Der Transformator kann als Endpunkt oder in einem Ringnetz betrieben werden, um den Versorgungszustand auf der Hochspannungsseite des Transformators zu schützen und zu steuern.
Transformatorhersteller in China haben Niederspannungssicherungen und Stromzähler zu den Niederspannungsabteilen amerikanischer Produkte hinzugefügt, wodurch sie zu kombinierten Stromverteilungseinrichtungen wurden. Diese Geräte finden weite Verwendung in Wohngebieten. Um sie von europäischen Kastenumspannwerken zu unterscheiden, werden sie als amerikanische Kastenumspannwerke, auch bekannt als kombinierte Transformatoren, bezeichnet. Die Maschinenindustrie-Norm JB/T 10217-2000 Kombinierte Transformatoren erläutert die Standarddefinition von kombinierten Transformatoren (wie oben erwähnt). In 3.7 wird der "Hoch- und Niederspannungsraum" definiert als "Räume, in denen die Hoch- und Niederspannungskabelenden und die Bedienelemente der elektrischen Bauteile von Stahlplatten umgeben sind, die sich auf die Wände des Ölbehälters stützen". Dies ist einer der strukturellen Unterschiede zu europäischen Kastenumspannwerken.
Diese Norm klassifiziert kombinierte Transformatoren (amerikanische Kastenumspannwerke) nach der Struktur des Ölbehälters in zwei Arten: gemeinsamer Behälter (ZG) und getrennte Behälter (ZF). Im gemeinsamen Behälter teilen sich die hochspannungselektrischen Bauteile einen Transformatorölbehälter mit dem Transformatorkörper, gekennzeichnet durch den Buchstaben ZG. Im getrennten Behälter werden hochspannungselektrische Bauteile wie Lastschalter in einem separaten Ölbehälter platziert, während andere hochspannungselektrische Bauteile und der Transformatorkörper in einem anderen Ölbehälter installiert werden. Die Ölkreisläufe der beiden Ölbehälter sind nicht verbunden, gekennzeichnet durch den Buchstaben ZF.
Gemeinsamer Behälter kombinierter Transformatoren
Neben den Vorteilen europäischer Kastenumspannwerke haben gemeinsame Behälter kombinierter Transformatoren die folgenden Vorteile:
Kleinere Fläche: Belegt etwa 3/5 der Fläche eines europäischen Kastenumspannwerks.
Bessere Wärmeabgabe: Der Transformator ist direkt ausgesetzt, was für die Wärmeabgabe günstig ist. Die Struktur ist vergleichsweise einfach, und der Verkaufspreis ist relativ niedrig (ca. 3/5 des Preises eines europäischen Kastenumspannwerks).
Bequeme Transport- und Installationsmöglichkeiten: Kleineres Volumen, was den Transport und die Installation erleichtert.
Unter chinesischen Bedingungen haben direkt importierte amerikanische Kastenumspannwerke die folgenden Mängel:
Alterung des Transformatoröls: Wenn der Hochspannungslastschalter arbeitet, kann der dabei entstehende Bogen dazu führen, dass das Transformatoröl zerfällt, was die Gesamtdienstlebensdauer des amerikanischen Kastenumspannwerks beeinträchtigt.
Phasenausfallbetrieb: Wenn eine Hochspannungssicherung durchbrennt, kann dies dazu führen, dass der Transformator unter Phasenausfallbedingungen arbeitet.
Eingeschränkte Funktionalität des Hochspannungsschaltkreises: Der Hochspannungsschaltkreis hat vergleichsweise einfache Funktionen, die nicht vollständig den Anforderungen der aktuellen elektrischen Betriebsvorschriften entsprechen. Zum Beispiel hat der Hochspannungslastschalter keinen offensichtlichen Trennungspunkt.
Um diese Probleme zu lösen, haben inländische Hersteller mehrere Verbesserungen vorgenommen. Wie bereits erwähnt, werden intelligente Luft-Sicherungen in den Niederspannungsabteilen amerikanischer Kastenumspannwerke hinzugefügt, um mehrere Fehlerarten wie Überlast, Unterpannung, Kurzschluss und Erdung zu schützen. Dies beseitigt das Phänomen, dass Hochspannungssicherungen durch Kurzschlüsse oder Überlastungen in Niederspannungsversorgungsleitungen durchbrennen, was den Phasenausfallbetrieb des Transformators vermeidet. Zweitens wurde der Hochspannungsteil neu gestaltet. So verwenden amerikanische Kastenumspannwerke zum Beispiel Lastschalter, um die Lastversorgung abzuschalten, und verlassen sich auf Rückfahrtschutzsicherungen und Einstecksicherungen für den vollständigen Stromschutz.
Getrennte Behälter kombinierter Transformatoren
Bisher gehören die meisten von Transformatorherstellern produzierten amerikanischen Kastenumspannwerke zu den ZG-Typen gemeinsamer Behälter kombinierter Transformatoren. Um die oben genannten Mängel der gemeinsamen Behälter kombinierter Transformatoren zu beseitigen, haben inländische Transformatorhersteller hochspannungselektrische Bauteile wie Lastschalter und Rückfahrtschutzsicherungen vom Transformatorölbehälter getrennt. In die kleinen Abteile der hochspannungselektrischen Bauteile wie Lastschalter wird Hochflammenpunktoel injiziert, und in den Transformatorölbehälter wird normales Öl Nr. 25 injiziert. Dies löst nicht nur das Problem der Alterung des Transformatoröls durch den Betrieb des Lastschalters, sondern auch das Wärmeabgabeproblem, das durch die Verwendung von Hochflammenpunktoel im gesamten Transformatorölbehälter (aufgrund seiner hohen Viskosität) entsteht.
Verwendung von amorphen Legierungstransformatoren
Der Transformator ist das größte und am meisten wärmegenerierende Bauteil in einem Kastenumspannwerk. Seine strukturellen Merkmale und das Verlustniveau stehen in direktem Zusammenhang mit dem Gesamtdesign des Kastenumspannwerks.
Im Jahr 1996 entwickelte und produzierte China erfolgreich nichtkristalline Verteilungstransformatoren bis 500 kVA, aber die Produktionsmenge war gering, und es kam nicht zur großflächigen Produktion. Im Jahr 1998 führte die Shanghai Xindian Electric Company die Design- und Fertigungstechnologie von amorphen Transformatoren von General Electric (GE) in den USA für die großflächige Produktion ein. Derzeit gibt es mehr als 20 Hersteller von amorphen Transformatoren. Der Leerlaufverlust von amorphen Legierungskernstoffen beträgt 20% des S9-Reihenverlusts, was einen sehr signifikanten Energiespareffekt zeigt.
Die ANSI-Verteilungstransformatorstandards spielen auch im breiteren Kontext der Transformatortechnologie und des Marktes eine Rolle. Der Hauptfaktor, der die Verwendung von amorphen Legierungstransformatoren in inländischen Kastenumspannwerken einschränkt, ist jedoch der Preis, was erfordert, dass das Land entsprechende Anreizmaßnahmen ergreift. Tatsächlich gibt es viele Anreizmaßnahmen für die Verwendung von amorphen Legierungstransformatoren im In- und Ausland. Laut taiwanesischen Herstellern hat die Region Taiwan strenge Standards für nichtkristalline Legierungstransformatorprodukte formuliert. Wo immer Nutzer amorphe Legierungstransformatoren kaufen, erhalten sie Subventionen basierend auf der Transformatorkapazität, mit einer Belohnung von Tausenden von Neuen Taiwan-Dollar pro kW.
Vergleich zwischen europäischen und amerikanischen Kastenumspannwerken
Wie bereits erwähnt, bieten sowohl amerikanische als auch europäische Kastenumspannwerke Vorteile in Bezug auf Volumen, Fläche und Umweltanpassung. Amerikanische Kastenumspannwerke, die oft gemäß den ANSI-Verteilungstransformatornormen entworfen sind, haben sogar in bestimmten Aspekten wie Fläche, Preis und Wärmeabgabe Vorteile gegenüber europäischen Kastenumspannwerken. So sind bei der DXB(W)-1.10-Kastenumspannwerks, die Hoch- und Niederspannungsbuchsen, Spannungswandler, Ölregler und Ölableitventile des Transformators auf einer Seitenwand montiert, wobei jeder in separaten Hoch- und Niederspannungseinrichtungsabteilen untergebracht ist. Der Transformator bildet somit Teil des Gehäuses des Kastenumspannwerks, während die übrigen drei Seitenwände mit Wellenblech-Wärmetauschern ausgestattet sind, die der Luft ausgesetzt sind. Dies verbessert die Wärmeabgabeverhältnisse und reduziert bestimmte Verluste.
Da jedoch die Wärmeabgabeteile der amerikanischen Kastenumspannwerke lange Zeit der Luft ausgesetzt sind, treten neue Probleme wie Materialkorrosion durch die natürliche Umgebung auf, was die Gesamtdienstlebensdauer der Ausrüstung beeinträchtigt. Darüber hinaus können die Temperaturen der Wärmetauscher der amerikanischen Kastenumspannwerke im Sommer über 80-90°C erreichen, was das Risiko von Verbrennungen für Personen, die zufällig in deren Nähe kommen, erhöht.
Europäische Kastenumspannwerke, die amorfe Legierungstransformatoren verwenden, sind neu entwickelte Produkte von inländischen Herstellern. Sie stellen eine technologische Weiterentwicklung nach den amorphen Legierungskombinatransformatoren (einschließlich gemeinsamer und getrennter Behälter) dar. Mit Verbesserungen in anderen Wärmeabgabedesigns erreichen sie eine natürliche Kühlung, während sie den nationalen Temperaturanstiegsanforderungen entsprechen, und beseitigen den Energieverbrauch und den Lärm der Lüfter. Somit verfügen europäische Kastenumspannwerke mit amorphen Legierungstransformatoren über ausgezeichnete technische Eigenschaften.
Fazit
Mit der weiteren Förderung von Normen sollte die Benennung von kombinierten Stromverteilungseinrichtungen einheitlicher werden. Die Entwicklung der Technologie und
