결합 분배 장비의 규격 및 구조적 성능 분석
복합 전력 분배 장치의 기준 및 분류
복합 전력 분배 장치는 종류가 상당히 다양합니다. 일반적으로 사용되는 것들은 패키지 변전소, 박스형 변압기, 조립식 변전소, 복합 변압기, 유럽식 박스 변전소, 그리고 미국식 박스 변전소 등이 있습니다.
복합 전력 분배 장치 관련 기준
현재 중국에서 유효한 복합 전력 분배 장치 관련 기준은 주로 다음과 같습니다: 국가 표준 GB/T 17467 - 1998 고압/저압 조립식 변전소, 기계 산업 표준 JB/T 10217 - 2000 복합 변압기, 그리고 전력 산업의 주문 표준 DL/T 537 - 2002 고압/저압 조립식 박스형 변전소 선택 지침.
1995년 국제 전기기술위원회(IEC)는 IEC1330 - 1995 고압/저압 조립식 변전소 표준을 발표했습니다. 국가 표준 GB/T 17467 - 1998 고압/저압 조립식 변전소는 IEC1330 표준과 동등합니다. 이 표준에 따르면, 조립식 변전소는 "형식 시험을 통과하고 고압 시스템에서 저압 시스템으로 전기를 전송하는 장비"로 정의되며, 변압기, 저압 및 고압 스위치기어, 연결선, 보조 장비를 포함하여 케이싱 내에 봉인된 것으로 정의됩니다.
기계 산업 표준 JB/T 10217 - 2000 복합 변압기는 복합 변압기의 표준 정의를 다음과 같이 제시합니다: "변압기 본체, 스위치기어, 퓨즈, 탭 체인저, 그리고 해당 보조 장비를 결합한 변압기"입니다.
전력 산업의 주문 표준 DL/T 537 - 2002 고압/저압 조립식 박스형 변전소 선택 지침은 원래의 DL/T 537 - 1993 6-35kV 박스형 변전소 주문 기술 조건을 개정하여, 박스형 변전소에 대한 전력 산업 표준을 IEC 1330 - 1995와 일치시켰습니다. DL/T 537 - 2002와 IEC 1330 - 1995 (즉, GB/T 17467 - 1998) 사이의 차이는 표 1에 나열되어 있습니다.
위 세 가지 국내 표준은 모두 권장 표준입니다. 다양한 산업의 특성에 따라 각 표준은 고유한 특징을 가지고 있으며, 전력 산업의 주문 표준은 사용자의 관점에서 국제(국가) 표준을 기반으로 하여 표 1에 소개된 내용을 추가하여, 장비 선택을 위한 더 자세한 기준을 제공합니다.
복합 전력 분배 장치의 분류
위에서 언급한 표준에도 불구하고, 실제 응용에서는 복합 전력 분배 장치의 명명이 매우 일관되지 않고, 분류도 다양합니다. 주로 두 가지 범주로 나뉩니다: 하나는 조립식 변전소를 유럽식 박스 변전소로만 정의하는 것, 다른 하나는 모든 복합 전력 분배 장치를 조립식 변전소로 집단적으로 부르고, 이를 "유럽식 박스 변전소"와 "미국식 박스 변전소"로 나누는 것입니다. 일부 공급업체는 다양한 사용자의 요구를 충족하기 위해 한 제품에 두 가지 이름을 붙이는 경우도 있습니다.
구조 및 성능 분석
유럽식 조립식 변전소
1970년대, 중국은 프랑스, 독일 등 유럽 국가로부터 6-10kV 통합 전력 분배 설비를 수입했습니다. 이 혁신적인 설비는 변전소의 세 가지 주요 구성 요소(고압 스위치기어, 변압기, 저압 배전 캐비닛)를 하나의 케이싱에 통합하여 조립식 변전소의 개념을 확립했습니다.
1993년 12월, 전력부는 업계 표준 DL/T 537-1993 "6-35kV 조립식 변전소 기술 사양"을 발표했습니다. 이 표준의 3.1항은 다음과 같이 명확히 정의합니다: "하나 또는 여러 캐비닛에 고압 배전 설비, 전력 변압기, 저압 배전 설비, 전력 측정 장치를 통합한 소형 완전 배전 조립품을 조립식 변전소라 칭하며, 이를 줄여서 캐비닛형 변전소라고 한다." 유럽 디자인에서 비롯된 이 구성을 일반적으로 유럽식 조립식 변전소라고 합니다.
1998년 국표 GB/T 17467-1998 "고압/저압 조립식 변전소"가 발표된 후, 공식 용어는 "조립식 변전소"로 변경되었습니다. 그러나 사용자와 제조업체는 여전히 이러한 설치물을 일상적으로 캐비닛형 변전소 또는 유럽식 변전소로 부릅니다.
구조적 특징:
유럽식 변전소는 일반적으로 세 가지 기능적인 구역으로 구성됩니다:
고압 실
저압 실
변압기 실
두 가지 주요 구성 방식이 사용됩니다:
직선형 배치: 표준 구성
삼각형 배치: 복잡한 저압 회로 요구 사항에 대응
전통적인 변전소와 비교한 성능 우위:
부하 근접 최적화:
공급 반경 40-60% 감소
케이블 투자 비용 25-35% 절감
회로 손실 15-20% 감소
공간 효율성:
전통적인 변전소 면적의 약 10% 차지
토목 비용 60-70% 절감
설치 간소화:
현장 건설 시간 50-60% 단축
기술적 제약 및 해결책:
봉인 설계는 중요한 열 관리 문제를 제기합니다:
제한된 열 방출로 인해 내부 온도 상승 (일반 ΔT 증가: 8-12°C)
성분 안정성에 영향을 미칠 잠재적인 열 영향 (추정 성능 저하: 10°C 당 3-5%)
산업적 완화 전략은 다음과 같습니다:
고급 환기 시스템:
미로 구조의 케이싱 벽
축류 배기 팬 (일반적으로 200-400 CFM 용량)
열 관리 강화 조치:
라디에이터 최적화 (표면적 20-30% 증가)
내열 절연 재료 (H 클래스 이상)
이러한 해결책은 효과적이지만 다음을 초래합니다:
구조적 복잡성 (제조 주기 연장: 15-20%)
추가 에너지 소비 (보조 시스템: 전체 부하의 5-8%)
음향 배출 (일반 노이즈 수준 증가: 3-5 dBA)
최근 기술 발전:
주요 제조업체는 열 관리에서 획기적인 발전을 이루었습니다:
변압기에 대한 새로운 열 방출 구조 (개선된 효율: 12-15%)
케이싱 공기 역학 최적화 (온도 감소: 6-8°C)
강제 환기 없이 인증된 고용량 설계 (≥800kVA)
GB 1094.11 건식 변압기 열 제한 준수 (최대 와인딩 온도 상승: 100K)
이러한 혁신은 국가 표준을 준수하면서 다음과 같은 결과를 달성합니다:
에너지 절감 (팬 전력 감소: 100%)
노이즈 수준 감소 (4-7 dBA)
운영 신뢰성 향상 (MTBF 개선: 20-25%)
미국식 박스 변전소(복합 변압기)
1990년대, 미국식 분할형 3상 배전 변압기가 중국 시장에 진입했습니다. 미국国家标准 GB/T 17467 - 1998 高压/低压预制变电站 相当于 IEC1330 标准。该标准将预制变电站定义为“通过型式试验并用于从高压系统向低压系统传输电能的设备，包括变压器、低压和高压开关设备、连接线以及封装在外壳内的辅助设备”。 机械行业标准 JB/T 10217 - 2000 组合变压器 规定了组合变压器的标准定义：即“将变压器本体、开关设备、熔断器、分接开关及相应辅助设备组合在一起的变压器”。 电力行业的订购标准 DL/T 537 - 2002 高压/低压预制箱式变电站选择导则 对原 DL/T 537 - 1993 6-35kV 箱式变电站订货技术条件 进行了修订，使箱式变电站的电力行业标准与 IEC 1330 - 1995 一致。DL/T 537 - 2002 与 IEC 1330 - 1995（即 GB/T 17467 - 1998）之间的差异如表 1 所示。 上述三个国内标准均为推荐标准。由于各行业的特点不同，每个标准都有其独特之处。电力行业的订购标准是从用户的角度出发，基于国际（国家）标准，并增加了表 1 中介绍的内容，提供了更详细的设备选择依据。 ### 组合电力分配设备的分类 尽管有上述标准，但在实际应用中，组合电力分配设备的命名并不十分统一，分类也有所不同。主要有两类：一种是仅将组装式变电站定义为欧洲式箱式变电站；另一种是将所有组合电力分配设备统称为组装式变电站，然后将组装式变电站分为“欧洲式箱式变电站”和“美国式箱式变电站”。一些供应商为了满足不同用户的需求，甚至给一个产品起了两个名字。  ### 结构和性能分析 #### 欧洲式预制变电站 20世纪70年代，中国从法国和德国等欧洲国家进口了6-10kV集成配电设备。这种创新设备将变电站的三大主要组件（高压开关设备、变压器和低压配电柜）集成在一个外壳内，确立了预制变电站的概念。 1993年12月，前电力部发布了行业标准 DL/T 537-1993 "6-35kV 预制变电站技术规范"。该标准第3.1条明确规定：“由高压配电设备、电力变压器、低压配电设备和电能计量装置组成的紧凑型完整配电组合件，应称为预制变电站，简称箱式变电站。”源于欧洲设计，这种配置通常被称为欧洲式预制变电站。 1998年发布国家标准 GB/T 17467-1998 "高压/低压预制变电站" 后，官方术语改为“预制变电站”。但用户和制造商在日常实践中仍称这些装置为箱式变电站或欧洲式变电站。 **结构特征：** 欧洲式变电站通常由三个功能隔间组成： - **高压室** - **低压室** - **变压器室** 两种主要配置方式： - **直线布局：标准配置** - **三角形布局：适用于复杂的低压电路需求** **相对于传统变电站的性能优势：** - **负载接近优化：** - 减少供电半径40-60% - 降低电缆投资成本25-35% - 减少线路损耗15-20% - **空间效率：** - 占用传统变电站占地面积约10% - 降低土建成本60-70% - **简化安装：** - 现场施工时间减少50-60% **技术限制及解决方案：** 封装设计带来了关键的热管理挑战： - **受限的散热导致内部温度升高（典型ΔT增加：8-12°C）** - **潜在的热影响对组件稳定性的影响（估计每上升10°C性能下降3-5%）** 工业缓解策略包括： - **先进的通风系统：** - 迷宫结构的外壳墙 - 轴流排风扇（通常容量为200-400 CFM） - **热增强措施：** - 散热器优化（表面积增加20-30%） - 耐高温绝缘材料（H级或更高） - **这些解决方案虽然有效，但会带来以下问题：** - 结构复杂性（制造周期延长15-20%） - 额外能耗（辅助系统：总负荷的5-8%） - 声发射（典型噪声水平增加3-5 dBA） **近期技术进展：** 主要制造商在热管理方面取得了突破性发展： - **新型变压器散热配置（效率提高12-15%）** - **优化外壳空气动力学（温度降低6-8°C）** - **无强制通风的高容量设计认证（≥800kVA）** - **符合GB 1094.11干式变压器热限值（最大绕组温升：100K）** 这些创新在符合国家标准的同时实现了： - **节能（风扇功率减少100%）** - **噪声水平降低（4-7 dBA）** - **提高运行可靠性（MTBF改善20-25%）** ### 美国式箱式变电站（组合变压器） 20世纪90年代，美国式分隔三相配电变压器进入中国市场。根据美国国家标准（ANSI）C57.12.26 - 1992 带高压插头连接器的分隔自冷三相配电变压器标准，高压电缆通过高压隔间的电缆连接器连接到变压器，低压电缆通过低压隔间的螺栓连接到低压端子。垫装分隔配电变压器的油箱配备有高压熔断器和四位置负荷开关。变压器可以作为终端运行或在网络环路中运行，保护和控制变压器高压侧的供电状态。 中国的变压器制造商在美式产品的低压隔间中添加了低压断路器和电表，使其成为组合电力分配设备。这些设备广泛应用于住宅社区。为了与欧洲式箱式变电站区分开来，它们被称为美国式箱式变电站，也称为组合变压器。机械行业标准 JB/T 10217 - 2000 组合变压器 对组合变压器的标准定义进行了阐述（如上所述）。在3.7节中，它将“高低压隔间”定义为“高低压电缆端子和电气元件的操作控制部分被钢板封闭，依靠油箱壁”的空间。这是与欧洲式箱式变电站的结构差异之一。 该标准根据油箱结构将组合变压器（美国式箱式变电站）分为两种类型：共油箱型和分离油箱型。在共油箱型中，高压电气元件与变压器本体共享一个变压器油箱，用字母ZG表示。在分离油箱型中，负荷开关等高压电气元件放置在单独的油箱中，而其他高压电气元件和变压器本体安装在另一个油箱中。两个油箱的油路不连通，用字母ZF表示。 #### 共油箱组合变压器 除了具有欧洲式箱式变电站的优点外，共油箱组合变压器还具有以下优点： - **占地面积小：约占欧洲式箱式变电站面积的3/5。** - **更好的散热：变压器直接暴露，有利于散热。结构相对简单，售价相对较低（约为欧洲式箱式变电站的3/5）。** - **运输和安装方便：体积较小，便于运输和安装。** 在中国背景下，直接从国外进口的美国式箱式变电站存在以下缺陷： - **变压器油劣化：当高压负荷开关操作时，产生的电弧可能导致变压器油分解，影响美国式箱式变电站的整体使用寿命。** - **缺相运行：当高压熔断器熔断时，可能会导致变压器在缺相状态下运行。** - **高压电路功能有限：高压电路的功能相对简单，不能完全满足当前电气运行规程的要求。例如，高压负荷开关没有明显的断开点。** 为了解决这些问题，国内制造商进行了一些改进。如上所述，在美国式箱式变电站的低压隔间中添加了低压断路器（通常是智能空气断路器），以实现过载、欠压、短路和接地等多种故障保护。这消除了因低压馈线短路或过载而导致高压熔断器熔断的现象，避免了变压器的缺相运行。其次，高压部分进行了重新设计。例如，在高压保护方面，美国式箱式变电站使用负荷开关切断负载电源，并依靠后备保护熔断器和插拔熔断器进行全范围电源保护。 #### 分离油箱组合变压器 迄今为止，大多数变压器制造商生产的美国式箱式变电站属于ZG型共油箱组合变压器。为了消除上述共油箱组合变压器的缺点，国内变压器制造商将负荷开关和后备保护熔断器等高压元件从变压器油箱中分离出来。在负荷开关等高压元件的小隔间中注入高闪点油，在变压器油箱中注入普通的25号油。这样不仅解决了负荷开关操作导致变压器油老化的问题，还解决了在整个变压器油箱中使用高闪点油引起的散热问题（由于其高粘度）。 ### 非晶合金变压器的应用 变压器是箱式变电站中尺寸最大、发热最多的部件。其结构特性和损耗水平直接关系到箱式变电站的整体设计。 1996年，中国成功开发并生产了500 kVA以下的非晶态配电变压器，但产量较小，未能大规模生产。1998年，上海新电电气公司从美国通用电气（GE）引进了非晶变压器的设计和制造技术，实现了大规模生产。目前已有20多家非晶变压器制造商。非晶合金铁芯的空载损耗仅为S9系列的20%，显示出非常显著的节能效果。 ANSI配电变压器标准也在更广泛的变压器技术和市场中发挥作用。然而，限制非晶合金变压器在国内箱式变电站中应用的主要因素是价格，需要国家实施相应的激励政策。事实上，国内外对使用非晶合金变压器有很多激励政策。据台湾制造商介绍，台湾地区制定了严格的非晶合金变压器产品标准。无论用户购买非晶合金变压器，都可以根据变压器容量获得补贴，每千瓦可获得数万新台币的奖励。 ### 欧洲式和美国式箱式变电站的比较 如上所述，美国式和欧洲式箱式变电站在体积、占地面积和环境协调方面都具有优势。美国式箱式变电站常常参考ANSI配电变压器相关规范设计，甚至在占地面积、价格和散热等方面比欧洲式更具优势。例如，在DXB(W)-1.10型箱式变电站中，变压器的高低压套管、分接开关、油枕和放油阀安装在一侧墙上，分别封闭在独立的高低压设备隔间中。变压器因此成为箱式变电站外壳的一部分，其余三面墙则配备了暴露在空气中的波纹散热片。这改善了散热条件并减少了某些损耗。 然而，由于美国式箱式变电站的散热部件长期暴露在空气中，新的问题如自然环境引起的材料腐蚀出现，影响了设备的整体使用寿命。此外，在夏季，美国式箱式变电站散热片的温度可达80-90°C，对意外靠近的人造成烫伤风险。 使用非晶合金变压器的欧洲式箱式变电站是国产制造商新开发的产品。它们代表了非晶合金组合变压器（包括共油箱和分离油箱型）的技术进步。通过改进其他散热设计，它们实现了自然冷却，同时满足国家温升要求，消除了通风风扇的能耗和噪音。因此，非晶合金欧洲式箱式变电站具有优良的技术特性。 ### 结论 随着标准的进一步推广，组合电力分配设备的命名应该更加统一。技术的发展和制造工艺及结构的改进使美国式和欧洲式箱式变电站相比传统变电站更具优势。它们更好地适应了市场对配电设备小型化、环境协调、多功能性和可靠供电的需求。如果使用非晶合金等环保节能材料能够获得一定的政策激励，国内箱式变电站的技术经济性能将进一步提升。
