Анализ стандартов и конструктивных характеристик комбинированного распределительного оборудования
Стандарты и классификация комбинированных устройств распределения электроэнергии
Существует относительно большое разнообразие комбинированных устройств распределения электроэнергии. Наиболее часто используемые включают упакованные подстанции, блочные трансформаторы, предварительно собранные подстанции, комбинированные трансформаторы, европейские блочные подстанции и американские блочные подстанции.
Релевантные стандарты для комбинированных устройств распределения электроэнергии
На данный момент действующими релевантными стандартами для комбинированных устройств распределения электроэнергии в Китае являются: национальный стандарт GB/T 17467-1998 Высоковольтные/низковольтные сборные подстанции, отраслевой стандарт машиностроения JB/T 10217-2000 Комбинированные трансформаторы и заказной стандарт энергетической промышленности DL/T 537-2002 Руководство по выбору высоковольтных/низковольтных сборных блочных подстанций.
В 1995 году Международная электротехническая комиссия (IEC) опубликовала стандарт IEC1330-1995 Высоковольтные/низковольтные сборные подстанции. Национальный стандарт GB/T 17467-1998 Высоковольтные/низковольтные сборные подстанции эквивалентен стандарту IEC1330. В этом стандарте сборная подстанция определяется как "оборудование, прошедшее типовые испытания и используемое для передачи электроэнергии от высоковольтной системы к низковольтной системе. Оно включает трансформаторы, низковольтные и высоковольтные коммутационные устройства, соединительные линии и вспомогательное оборудование, заключенное в корпус".
Отраслевой стандарт машиностроения JB/T 10217-2000 Комбинированные трансформаторы указывает, что стандартное определение комбинированного трансформатора следующее: "трансформатор, который объединяет тело трансформатора, коммутационные устройства, плавкие предохранители, регуляторы напряжения и соответствующее вспомогательное оборудование".
Заказной стандарт энергетической промышленности DL/T 537-2002 Руководство по выбору высоковольтных/низковольтных сборных блочных подстанций пересмотрел исходный DL/T 537-1993 Технические условия заказа 6-35кВ блочных подстанций, сделав стандарт энергетической промышленности для блочных подстанций согласованным с IEC 1330-1995. Различия между DL/T 537-2002 и IEC 1330-1995 (то есть GB/T 17467-1998) показаны в таблице 1.
Указанные выше три национальных стандарта являются рекомендательными. В связи с различными характеристиками различных отраслей каждый стандарт имеет свои уникальные особенности. Заказной стандарт энергетической промышленности рассматривается с точки зрения пользователя, основываясь на международных (национальных) стандартах, и добавляет содержание, представленное в таблице 1, предоставляя более детальную основу для выбора оборудования.
Классификация комбинированных устройств распределения электроэнергии
Несмотря на вышеупомянутые стандарты, название комбинированных устройств распределения электроэнергии в практическом применении не очень единообразно, и классификация также варьируется. Существуют две основные категории: одна определяет только предварительно собранные подстанции как европейские блочные подстанции; другая объединяет все комбинированные устройства распределения электроэнергии под термином "предварительно собранные подстанции", а затем делит их на "европейские блочные подстанции" и "американские блочные подстанции". Некоторые поставщики, чтобы удовлетворить потребности различных пользователей, даже имеют продукт с двумя названиями.
Анализ структуры и производительности
Европейская сборная подстанция
В 1970-х годах Китай импортировал интегрированное оборудование распределения электроэнергии на 6-10 кВ из европейских стран, таких как Франция и Германия. Это инновационное оборудование объединило три основных компонента подстанции (высоковольтные коммутационные устройства, трансформатор и низковольтный распределительный шкаф) в одном корпусе, создав концепцию сборной подстанции.
В декабре 1993 года бывшее Министерство электроэнергетики выпустило отраслевой стандарт DL/T 537-1993 "Технические спецификации для 6-35 кВ сборных подстанций". Пункт 3.1 этого стандарта явно определяет: "Компактная полная сборная система распределения электроэнергии, состоящая из высоковольтного распределительного оборудования, силовых трансформаторов, низковольтного распределительного оборудования и приборов учета электроэнергии, заключенных в один или несколько шкафов, должна называться сборной подстанцией, сокращенно — блочной подстанцией." Происходящая из европейского дизайна, эта конфигурация стала широко известна как европейская сборная подстанция.
После публикации национального стандарта GB/T 17467-1998 "Высоковольтные/низковольтные сборные подстанции" в 1998 году официальная терминология перешла к использованию термина "сборная подстанция". Однако и пользователи, и производители продолжают называть эти установки блочными подстанциями или европейскими подстанциями в повседневной практике.
Структурные характеристики:
Европейская подстанция обычно состоит из трех функциональных отсеков:
Высоковольтный отсек
Низковольтный отсек
Отсек трансформатора
Применяются две основные конфигурации:
Линейная компоновка: стандартная конфигурация
Треугольная компоновка: применяется для сложных требований к низковольтным цепям
Преимущества производительности над традиционными подстанциями:
Оптимизация близости нагрузки:
Сокращает радиус питания на 40-60%
Уменьшает затраты на кабель на 25-35%
Снижает потери в линии на 15-20%
Эффективность использования пространства:
Занимает около 10% площади традиционной подстанции
Уменьшает затраты на гражданское строительство на 60-70%
Упрощенная установка:
Время строительства на месте сокращается на 50-60%
Технические ограничения и решения:
Дизайн с герметичным корпусом представляет собой важные проблемы теплового управления:
Ограниченное теплоотведение повышает внутреннюю температуру (типичное увеличение ΔT: 8-12°C)
Потенциальное тепловое воздействие на стабильность компонентов (оценочное снижение производительности: 3-5% на каждые 10°C повышения)
Промышленные методы устранения включают:
Продвинутые системы вентиляции:
Стенки корпуса с лабиринтной структурой
Осевые вентиляторы вытяжного типа (обычно мощностью 200-400 CFM)
Меры по улучшению теплопередачи:
Оптимизация радиаторов (поверхность увеличивается на 20-30%)
Теплостойкие изоляционные материалы (класс H или выше)
Эти решения, хотя и эффективны, вводят:
Структурную сложность (увеличение цикла производства: 15-20%)
Дополнительное энергопотребление (вспомогательные системы: 5-8% от общей нагрузки)
Акустические выбросы (типичное увеличение уровня шума: 3-5 дБА)
Недавние технологические достижения:
Ведущие производители достигли прорывных разработок в области теплового управления:
Новые конфигурации теплоотвода для трансформаторов (улучшение эффективности: 12-15%)
Оптимизация аэродинамики корпуса (снижение температуры: 6-8°C)
Сертифицированные проекты большой мощности (≥800 кВА) без принудительного охлаждения
Соответствие стандарту GB 1094.11 по тепловым ограничениям сухих трансформаторов (максимальное повышение температуры обмоток: 100K)
Эти инновации поддерживают соответствие национальным стандартам, одновременно обеспечивая:
Экономию энергии (снижение потребления энергии вентиляторами: 100%)
Снижение уровня шума (4-7 дБА)
Улучшение надежности работы (улучшение среднего времени до отказа: 20-25%)
Американские блочные подстанции (комбинированные трансформаторы)
В 1990-х годах американские блочные трехфазные распределительные трансформаторы вошли на китайский рынок. Согласно американскому национальному стандарту (ANSI) C57.12.26-1992 Стандарт для блочных трехфазных самовентилируемых распределительных трансформаторов с высоковольтными разъемными соединителями, высоковольтные кабели подключаются к трансформатору через кабельные соединители в высоковольтном отсеке, а низковольтные кабели подключаются к низковольтным зажимам болтами в низковольтном отсеке. Бак блочного распределительного трансформатора оснащен высоковольтными предохранителями и четырехпозиционными нагрузочными выключателями. Трансформатор может работать как конечный элемент или в кольцевой сети, защищая и контролируя состояние питания на высоковольтной стороне трансформатора.
Производители трансформаторов в Китае добавили низковольтные автоматические выключатели и счетчики электроэнергии в низковольтные отсеки американских продуктов, превратив их в комбинированные устройства распределения электроэнергии. Эти устройства широко используются в жилых комплексах. Чтобы отличить их от европейских блочных подстанций, их называют американскими блочными подстанциями, также известными как комбинированные трансформаторы. Отраслевой стандарт машиностроения JB/T 10217-2000 Комбинированные трансформаторы излагает стандартное определение комбинированных трансформаторов (как указано выше). В пункте 3.7 он определяет "высоковольтные и низковольтные отсеки" как "пространства, где высоковольтные и низковольтные кабельные выводы и операционные и контрольные части электрических компонентов заключены в стальные панели, опираясь на стенки масляного бака". Это одно из структурных различий по сравнению с европейскими блочными подстанциями.
Этот стандарт классифицирует комбинированные трансформаторы (американские блочные подстанции) по структуре масляного бака на два типа: общебаковый и раздельнобаковый. В общебаковом типе высоковольтные электрические компоненты делят масляный бак трансформатора с телом трансформатора, обозначаемый буквой ZG. В раздельнобаковом типе высоковольтные электрические компоненты, такие как нагрузочные выключатели, размещаются в отдельном масляном баке, в то время как другие высоковольтные электрические компоненты и тело трансформатора установлены в другом масляном баке. Масляные цепи двух баков не соединены, обозначаемый буквой ZF.
Общебаковые комбинированные трансформаторы
Помимо преимуществ европейских блочных подстанций, общебаковые комбинированные трансформаторы имеют следующие преимущества:
Меньшая площадь: занимает примерно 3/5 площади европейской блочной подстанции.
Лучшее теплоотведение: трансформатор напрямую открыт, что способствует теплоотведению. Структура относительно проста, и цена продажи относительно низка (около 3/5 цены европейской блочной подстанции).
Удобство транспортировки и установки: меньший объем, что делает транспортировку и установку более удобными.
В китайском контексте американские блочные подстанции, прямо импортированные из-за рубежа, имеют следующие недостатки:
Деградация трансформаторного масла: при работе высоковольтного нагрузочного выключателя дуга, вероятно, вызовет разложение трансформаторного масла, влияя на общий срок службы американской блочной подстанции.
Фазовое отключение: при срабатывании высоковольтного предохранителя может возникнуть работа трансформатора в условиях фазового отключения.
Ограниченная функциональность высоковольтных цепей: высоковольтная цепь имеет относительно простую функциональность, что не полностью соответствует требованиям текущих правил эксплуатации электроустановок. Например, высоковольтный нагрузочный выключатель не имеет явной точки разрыва.
Для решения этих проблем отечественные производители провели несколько улучшений. Как упоминалось выше, в низковольтные отсеки американских блочных подстанций добавлены низковольтные автоматические выключатели (обычно интеллектуальные воздушные автоматические выключатели), чтобы обеспечить защиту от множества аварийных ситуаций, таких как перегрузка, понижение напряжения, короткое замыкание и заземление. Это устраняет явление срабатывания высоковольтных предохранителей из-за короткого замыкания или перегрузки в низковольтных линиях питания, избегая фазового отключения трансформатора. Во-вторых, была переработана высоковольтная часть. Например, в отношении защиты высоковольтных цепей, американские блочные подстанции используют нагрузочные выключатели для отключения нагрузки и полагаются на резервные защитные предохранители и разъемные предохранители для полной защиты питания.
Раздельнобаковые комбинированные трансформаторы
На данный момент большинство американских блочных подстанций, производимых производителями трансформаторов, относятся к общебаковым комбинированным трансформаторам типа ZG. Для устранения недостатков общебаковых комбинированных трансформаторов, упомянутых выше, отечественные производители трансформаторов отделили высоковольтные компоненты, такие как нагрузочные выключатели и резервные защитные предохранители, от масляного бака трансформатора. В малые отсеки высоковольтных компонентов, таких как нагрузочные выключатели, вводится масло с высокой температурой вспышки, а в масляный бак трансформатора вводится обычное масло № 25. Это решает проблему старения трансформаторного масла, вызванного работой нагрузочного выключателя, а также проблему теплоотведения, вызванного использованием масла с высокой температурой вспышки в целом масляном баке (из-за его высокой вязкости).
Использование трансформаторов с аморфным сплавом
Трансформатор является крупнейшим и наиболее теплогенерирующим компонентом в блочной подстанции. Его структурные характеристики и уровень потерь напрямую связаны с общим дизайном блочной подстанции.
В 1996 году в Китае успешно разработали и произвели распределительные трансформаторы с аморфным сплавом мощностью менее 500 кВА, но объем производства был небольшим, и массовое производство не было достигнуто. В 1998 году компания Shanghai Xindian Electric Company ввела в эксплуатацию дизайн и технологии производства трансформаторов с аморфным сплавом от компании General Electric (GE) в США для массового производства. В настоящее время существует более 20 производителей трансформаторов с аморфным сплавом. Потери холостого хода сердечников из аморфного сплава составляют 20% от потерь серии S9, что демонстрирует очень значительный эффект экономии энергии.
Стандарты ANSI для распределительных трансформаторов также играют роль в более широком контексте технологии и рынка трансформаторов. Однако главным фактором, ограничивающим использование трансформаторов с аморфным сплавом в отечественных блочных подстанциях, является цена, что требует от страны внедрения соответствующих стимулирующих мер. В действительности, существует множество стимулирующих мер для использования трансформаторов с аморфным сплавом как внутри страны, так и за рубежом. По данным тайваньских производителей, в Тайване разработаны строгие стандарты для продуктов с аморфным сплавом. Везде, где пользователи покупают трансформаторы с аморфным сплавом, они могут получить субсидии в зависимости от мощности трансформатора, с наградой в десятки тысяч новых тайваньских долларов за кВт.
Сравнение европейских и американских блочных подстанций
Как упоминалось выше, как американские, так и европейские блочные подстанции имеют преимущества в плане объема, занимаемой площади и согласованности с окружающей средой. Американские блочные подстанции, которые часто проектируются с учетом норм ANSI, связанных с распределительными трансформаторами, даже имеют определенные преимущества по сравнению с европейскими в аспектах, таких как занимаемая площадь, цена и теплоотведение. Например, в случае блочной подстанции типа DXB(W)-1.10 высоковольтные и низковольтные клеммы, регуляторы напряжения, масляные расширители и клапаны слива масла трансформатора установлены на одной боковой стене, каждая из которых заключена в отдельные высоковольтные и низковольтные отсеки оборудования. Таким образом, трансформатор становится частью корпуса блочной подстанции, в то время как остальные три боковые стены оборудованы гофрированными радиаторами, открытыми воздуху. Это улучшает условия теплоотвода и снижает некоторые потери.
