Analiza standardów i wydajności konstrukcyjnej zintegrowanego sprzętu rozdzielczego
Normy i klasyfikacja zintegrowanych urządzeń dystrybucji energii elektrycznej
Istnieje stosunkowo duża różnorodność zintegrowanych urządzeń dystrybucji energii elektrycznej. Najczęściej wykorzystywane to stacje transformatorowe modułowe, transformery skrzynkowe, stacje transformatorowe prefabrykowane, transformery zintegrowane, europejskie skrzynkowe stacje transformatorowe oraz amerykańskie skrzynkowe stacje transformatorowe.
Relevantne normy dla zintegrowanych urządzeń dystrybucji energii elektrycznej
Obecnie obowiązujące relevante normy dla zintegrowanych urządzeń dystrybucji energii elektrycznej w Chinach obejmują głównie: krajową normę GB/T 17467-1998 Stacje transformatorowe wysokiego/niskiego napięcia prefabrykowane, przemysłową normę JB/T 10217-2000 Transformery zintegrowane oraz standard zamówień branży energetycznej DL/T 537-2002 Wskazówki doboru stacji transformatorowych wysokiego/niskiego napięcia prefabrykowanych typu skrzynkowego.
W 1995 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) opublikowała normę IEC1330-1995 Stacje transformatorowe wysokiego/niskiego napięcia prefabrykowane. Krajowa norma GB/T 17467-1998 Stacje transformatorowe wysokiego/niskiego napięcia prefabrykowane jest równoważna z normą IEC1330. W tej normie stacja transformatorowa prefabrykowana jest zdefiniowana jako "urządzenie, które przeszło testy typowe i służy do przesyłania energii elektrycznej z systemu wysokiego napięcia do systemu niskiego napięcia. Obejmuje ono transformatory, przełączniki niskiego i wysokiego napięcia, linie połączeniowe oraz pomocnicze urządzenia zamknięte w obudowie".
Przemysłowa norma JB/T 10217-2000 Transformery zintegrowane określa, że standardowa definicja transformatora zintegrowanego brzmi: "transformator, który łączy w sobie korpus transformatora, przełączniki, bezpieczniki, przełączniki tapów i odpowiednie urządzenia pomocnicze".
Standard zamówień branży energetycznej DL/T 537-2002 Wskazówki doboru stacji transformatorowych wysokiego/niskiego napięcia prefabrykowanych typu skrzynkowego zaktualizował poprzednią normę DL/T 537-1993 Warunki techniczne zamówienia na stacje transformatorowe typu skrzynkowego o napięciu 6-35kV, doprowadzając do zgodności standardu branży energetycznej dla stacji transformatorowych typu skrzynkowego z IEC 1330-1995. Różnice między DL/T 537-2002 a IEC 1330-1995 (tzn. GB/T 17467-1998) są przedstawione w tabeli 1.
Powyższe trzy krajowe normy są normami zalecanymi. Ze względu na różne charakterystyki różnych branż, każda norma ma swoje unikalne cechy. Standard zamówień branży energetycznej jest rozpatrywany z perspektywy użytkownika, oparty na międzynarodowych (krajowych) normach, dodaje zawartość wprowadzoną w tabeli 1, dostarczając bardziej szczegółowe podstawy doboru sprzętu.
Klasyfikacja zintegrowanych urządzeń dystrybucji energii elektrycznej
Pomimo powyższych norm, nazewnictwo zintegrowanych urządzeń dystrybucji energii elektrycznej w praktyce nie jest jednolite, a klasyfikacja również się różni. Istnieją głównie dwie kategorie: jedna definiuje stacje prefabrykowane tylko jako europejskie skrzynkowe stacje transformatorowe; druga zbiorczo nazywa wszystkie zintegrowane urządzenia dystrybucji energii prefabrykowanymi stacjami transformatorowymi, a następnie dzieli prefabrykowane stacje transformatorowe na "europejskie skrzynkowe stacje transformatorowe" i "amerykańskie skrzynkowe stacje transformatorowe". Niektórzy dostawcy, aby spełnić potrzeby różnych użytkowników, mają nawet produkt z dwoma nazwami.
Analiza struktury i wydajności
Europejska prefabrykowana stacja transformatorowa
W latach 70. Chiny zaimportowały z krajów Europy, takich jak Francja i Niemcy, zintegrowane urządzenia dystrybucji energii elektrycznej o napięciu 6-10kV. To innowacyjne urządzenie zintegrowało trzy główne komponenty stacji transformatorowej (przełączniki wysokiego napięcia, transformator i szafy dystrybucji niskiego napięcia) w jednej obudowie, ustanawiając koncepcję stacji transformatorowej prefabrykowanej.
W grudniu 1993 roku dawny Ministerstwo Energetyki opublikowało przemysłową normę DL/T 537-1993 "Specyfikacje techniczne dla stacji transformatorowych prefabrykowanych o napięciu 6-35kV". Artykuł 3.1 tej normy jasno definiuje: "Zestaw kompletnej dystrybucji energii elektrycznej składający się z urządzeń dystrybucji wysokiego napięcia, transformatorów mocy, urządzeń dystrybucji niskiego napięcia i urządzeń pomiaru energii elektrycznej zamkniętych w jednej lub wielu szafach powinien być określany jako stacja transformatorowa prefabrykowana, skrócone jako stacja transformatorowa typu szafkowego." Pochodząca z projektów europejskich ta konfiguracja stała się powszechnie znana jako europejska stacja transformatorowa prefabrykowana.
Po opublikowaniu narodowej normy GB/T 17467-1998 "Stacje transformatorowe wysokiego/niskiego napięcia prefabrykowane" w 1998 roku, oficjalna terminologia przeszła na "stację transformatorową prefabrykowaną". Jednak zarówno użytkownicy, jak i producenci nadal używają terminów stacja transformatorowa typu szafkowego lub europejska stacja transformatorowa w codziennym użyciu.
Cechy strukturalne:
Europejska stacja transformatorowa zwykle składa się z trzech funkcjonalnych przestrzeni:
Komora wysokiego napięcia
Komora niskiego napięcia
Komora transformatora
Wykorzystywane są dwie główne konfiguracje:
Układ liniowy: Standardowa konfiguracja
Układ trójkątny: Zastosowany dla złożonych wymagań obwodów niskiego napięcia
Zalety wydajnościowe w porównaniu z tradycyjnymi stacjami transformatorowymi:
Optymalizacja bliskości obciążenia:
Redukcja promienia zasilania o 40-60%
Obniżenie kosztów inwestycji w kabele o 25-35%
Obniżenie strat w liniach o 15-20%
Efektywność przestrzenna:
Zajmuje około 10% powierzchni tradycyjnej stacji transformatorowej
Obniżenie kosztów budowlanych o 60-70%
Uproszczone montowanie:
Czas montażu w terenie zmniejszony o 50-60%
Techniczne ograniczenia i rozwiązania:
Konstrukcja zabezpieczona przed warunkami termicznymi przedstawia kluczowe wyzwania w zakresie zarządzania ciepłem:
Ograniczona dyspersja ciepła podnosi temperaturę wewnętrzną (typowa zwiększenie ΔT: 8-12°C)
Potencjalne wpływy termiczne na stabilność komponentów (szacowana degradacja wydajności: 3-5% na każde 10°C wzrostu)
Przemysłowe strategie łagodzenia obejmują:
Zaawansowane systemy wentylacji:
Ściany obudowy o strukturze labiryntowej
Wentylatory osiowe o wydajności (zazwyczaj 200-400 CFM)
Miary zwiększenia efektywności termicznej:
Optymalizacja chłodnic (powierzchnia zwiększona o 20-30%)
Materiały izolacyjne odporne na ciepło (klasa H lub wyższa)
Te rozwiązania, choć skuteczne, wprowadzają:
Złożoność strukturalną (rozszerzenie cyklu produkcji: 15-20%)
Dodatkowe zużycie energii (systemy pomocnicze: 5-8% całkowitego obciążenia)
Emisje akustyczne (typowe zwiększenie poziomu hałasu: 3-5 dBA)
Niedawne postępy technologiczne:
Wiodący producenci osiągnęli przełomowe rozwoje w zarządzaniu ciepłem:
Nowe konfiguracje dyspersji ciepła dla transformatorów (zwiększona wydajność: 12-15%)
Optymalizacja aerodynamiki obudowy (obniżenie temperatury: 6-8°C)
Certyfikowane projekty o dużej mocy (≥800kVA) bez wymuszonej wentylacji
Zgodność z granicami termicznymi suchych transformatorów GB 1094.11 (maksymalny wzrost temperatury wirowej: 100K)
Te innowacje utrzymują zgodność ze standardami krajowymi, jednocześnie osiągając:
Oszczędności energii (redukcja mocy wentylatorów: 100%)
Obniżenie poziomu hałasu (4-7 dBA)
Zwiększenie niezawodności operacyjnej (poprawa MTBF: 20-25%)
Amerykańskie skrzynkowe stacje transformatorowe (transformery zintegrowane)
W latach 90. amerykańskie trójfazowe transformery dystrybucyjne z sekcjami zaczęły wchodzić na rynek chiński. Zgodnie z amerykańskim standardem narodowym (ANSI) C57.12.26-1992 Standard for Pad-Mounted Compartmentalized Self-Cooled Three-Phase Distribution Transformers with High-Voltage Plug-in Connectors, kabla wysokiego napięcia są podłączone do transformatora przez konektory kablowe w komorze wysokiego napięcia, a kabla niskiego napięcia są podłączone do zacisków niskiego napięcia śrubami w komorze niskiego napięcia. Zbiornik oleju transformatora z sekcjami jest wyposażony w bezpieczniki wysokiego napięcia i czteropozycyjne przełączniki obciążeniowe. Transformator może działać jako końcówka lub w sieci pierścieniowej, chroniąc i kontrolując stan zasilania po stronie wysokiego napięcia transformatora.
Chińscy producenci transformatorów dodali automaty niskiego napięcia i liczniki energii do komór niskiego napięcia produktów amerykańskich, przekształcając je w zintegrowane urządzenia dystrybucji energii. Te urządzenia są szeroko stosowane w osiedlach mieszkaniowych. Aby odróżnić je od europejskich skrzynkowych stacji transformatorowych, nazywane są one amerykańskimi skrzynkowymi stacjami transformatorowymi, również znanymi jako transformery zintegrowane. Przemysłowy standard JB/T 10217-2000 Transformery zintegrowane wyjaśnia standardową definicję transformatorów zintegrowanych (jak wspomniano powyżej). W punkcie 3.7 definiuje "komory wysokiego i niskiego napięcia" jako "przestrzenie, w których końcówki kabli wysokiego i niskiego napięcia oraz części operacyjne i sterujące elementów elektrycznych są zamknięte w płytach stalowych, opierając się o ściany zbiornika oleju". Jest to jedno z różnic strukturalnych w porównaniu z europejskimi skrzynkowymi stacjami transformatorowymi.
Ten standard klasyfikuje transformery zintegrowane (amerykańskie skrzynkowe stacje transformatorowe) na dwa typy według struktury zbiornika oleju: typ wspólny zbiornik i typ osobny zbiornik. W typie wspólnym zbiornik, elementy elektryczne wysokiego napięcia współdzielą zbiornik oleju transformatora z korpusem transformatora, oznaczonym literą ZG. W typie osobnym zbiornik, elementy elektryczne wysokiego napięcia, takie jak przełączniki obciążeniowe, są umieszczane w osobnym zbiorniku oleju, podczas gdy inne elementy elektryczne wysokiego napięcia i korpus transformatora są montowane w innym zbiorniku oleju. Układy olejowe dwóch zbiorników nie są połączone, oznaczonym literą ZF.
Transformery zintegrowane typu wspólny zbiornik
Oprócz zalet europejskich skrzynkowych stacji transformatorowych, transformery zintegrowane typu wspólny zbiornik mają następujące zalety:
Mniejsza powierzchnia: zajmuje około 3/5 powierzchni europejskiej skrzynkowej stacji transformatorowej.
Lepsza dyspersja ciepła: transformator jest bezpośrednio wystawiony, co jest korzystne dla dyspersji ciepła. Struktura jest względnie prosta, a cena sprzedaży jest stosunkowo niska (około 3/5 ceny europejskiej skrzynkowej stacji transformatorowej).
Wygodna transportacja i montaż: mniejsza objętość, co ułatwia transport i montaż.
Pod chińskim kontekstem, amerykańskie skrzynkowe stacje transformatorowe bezpośrednio importowane z zagranicy mają następujące niedostatki:
Degradacja oleju transformatorowego: podczas działania przełącznika obciążeniowego wysokiego napięcia, wygenerowany łuk może spowodować rozkład oleju transformatorowego, wpływając na ogólną żywotność amerykańskiej skrzynkowej stacji transformatorowej.
Działanie przy braku fazy: gdy bezpiecznik wysokiego napięcia przepala, może to spowodować działanie transformatora w warunkach braku fazy.
Ograniczona funkcjonalność obwodu wysokiego napięcia: obwód wysokiego napięcia ma stosunkowo proste funkcje, które nie w pełni spełniają wymagania obecnych regulacji eksploatacyjnych. Na przykład, przełącznik obciążeniowy wysokiego napięcia nie ma oczywistego punktu rozłączania.
Aby rozwiązać te problemy, krajowi producenci wprowadzili kilka ulepszeń. Jak wspomniano powyżej, do komór niskiego napięcia amerykańskich skrzynkowych stacji transformatorowych dodano automaty niskiego napięcia (zwykle inteligentne automaty powietrzne), aby osiągnąć wielokrotne ochrony awarii, takie jak przeciążenie, napięcie zbyt niskie, zastój i ziemlanie. To eliminuje zjawisko przepalania bezpieczników wysokiego napięcia z powodu zastojów lub przeciążeń w obwodach niskiego napięcia, unikając działania transformatora przy braku fazy. Po drugie, część wysokiego napięcia została przeprojektowana. Na przykład, w zakresie ochrony wysokiego napięcia, amerykańskie skrzynkowe stacje transformatorowe używają przełączników obciążeniowych do cięcia zasilania obciążeniowego, polegając na ochronie zapasowej bezpieczników i bezpieczników wtykowych do pełnego zasięgu ochrony zasilania.
Transformery zintegrowane typu osobny zbiornik
Do tej pory większość amerykańskich skrzynkowych stacji transformatorowych produkowanych przez producentów transformatorów należy do typu ZG - transformery zintegrowane typu wspólny zbiornik. Aby usunąć wady transformatorów zintegrowanych typu wspólny zbiornik wspomniane powyżej, krajowi producenci transformatorów oddzielili elementy wysokiego napięcia, takie jak przełączniki obciążeniowe i bezpieczniki zapasowe, od zbiornika oleju transformatora. Do małych komór elementów wysokiego napięcia, takich jak przełączniki obciążeniowe, wprowadzono olej o wysokim punkcie rosy, a do zbiornika oleju transformatora wprowadzono zwykły olej nr 25. To nie tylko rozwiązuje problem starzenia się oleju transformatorowego spowodowanego pracą przełącznika obciążeniowego, ale także rozwiązuje problem dyspersji ciepła spowodowany użyciem oleju o wysokim punkcie rosy w całym zbiorniku oleju transformatora (ze względu na jego wysoką lepkość).
Zastosowanie transformatorów z amorfej stopu
Transformator jest największym i najbardziej generującym ciepło elementem w stacji transformatorowej typu skrzynkowego. Jego cechy strukturalne i poziom strat są bezpośrednio związane z całościowym projektem stacji transformatorowej typu skrzynkowego.
W 1996 roku Chiny pomyślnie opracowały i wyprodukowały niestosowane transformatory dystrybucyjne o mocy poniżej 500 kVA, ale ilość produkcji była niewielka, a produkcja masowa nie została osiągnięta. W 1998 roku Szanghaj Xindian Electric Company wprowadziła technologię projektowania i produkcji transformatorów amorfej stopu z General Electric (GE) w Stanach Zjednoczonych do produkcji masowej. Obecnie istnieje ponad 20 producentów transformatorów amorfej stopu. Straty bez obciążenia rdzeni amorfej stopu wynoszą 20% strat serii S9, pokazując bardzo wyraźny efekt oszczędzania energii.
Standardy dystrybucyjnych transformatorów ANSI również odgrywają rolę w szerszym kontekście technologii i rynku transformatorów. Jednak głównym czynnikiem ograniczającym zastosowanie transformatorów amorfej stopu w krajowych stacjach transformatorowych typu skrzynkowego jest cena, która wymaga implementacji odpowiednich polityk zachęcających przez państwo. W rzeczywistości istnieje wiele polityk zachęcających do stosowania transformatorów amorfej stopu zarówno w kraju, jak i za granicą. Według producentów z Tajwanu, region Tajwan opracował ścisłe standardy dla produktów transformatorów amorfej stopu. Gdziekolwiek użytkownicy kupują transformatory amorfej stopu, mogą otrzymać subsydia w zależności od mocy transformatora, z nagrodą w wysokości dziesiątek tysięcy nowych tajwańskich dolarów na kW.
Porównanie europejskich i amerykańskich skrzynkowych stacji transformatorowych
Jak wspomniano powyżej, zarówno amerykańskie, jak i europejskie skrzynkowe stacje transformatorowe mają zalety
