Phân tích Tiêu chuẩn và Hiệu suất Cấu trúc của thiết bị phân phối kết hợp
Tiêu chuẩn và Phân loại Thiết bị Phân phối Điện kết hợp
Có nhiều loại thiết bị phân phối điện kết hợp tương đối đa dạng. Các loại thường được sử dụng bao gồm trạm biến áp đóng gói, biến áp kiểu hộp, trạm biến áp lắp ráp sẵn, biến áp kết hợp, trạm biến áp kiểu hộp châu Âu và trạm biến áp kiểu hộp Mỹ.
Các Tiêu chuẩn Liên quan đến Thiết bị Phân phối Điện kết hợp
Các tiêu chuẩn liên quan hiện đang có hiệu lực cho thiết bị phân phối điện kết hợp ở Trung Quốc chủ yếu bao gồm: tiêu chuẩn quốc gia GB/T 17467 - 1998 Trạm biến áp cao áp/Thấp áp Lắp ráp Sẵn, tiêu chuẩn ngành cơ khí JB/T 10217 - 2000 Biến áp Kết hợp, và tiêu chuẩn đặt hàng của ngành điện DL/T 537 - 2002 Hướng dẫn Chọn lựa Trạm biến áp Caixa Cao áp/Thấp áp Lắp ráp Sẵn.
Năm 1995, Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) đã công bố tiêu chuẩn IEC1330 - 1995 Trạm biến áp Cao áp/Thấp áp Lắp ráp Sẵn. Tiêu chuẩn quốc gia GB/T 17467 - 1998 Trạm biến áp Cao áp/Thấp áp Lắp ráp Sẵn tương đương với tiêu chuẩn IEC1330. Trong tiêu chuẩn này, trạm biến áp lắp ráp sẵn được định nghĩa là "thiết bị đã qua kiểm tra mẫu và được sử dụng để truyền năng lượng điện từ hệ thống cao áp sang hệ thống thấp áp. Nó bao gồm biến áp, thiết bị chuyển mạch cao áp và thấp áp, đường dây kết nối và thiết bị phụ trợ được bao trong vỏ bọc."
Tiêu chuẩn ngành cơ khí JB/T 10217 - 2000 Biến áp Kết hợp nêu rõ rằng định nghĩa tiêu chuẩn của biến áp kết hợp là: "biến áp kết hợp thân biến áp, thiết bị chuyển mạch, cầu chì, bộ điều chỉnh cấp và thiết bị phụ trợ tương ứng."
Tiêu chuẩn đặt hàng của ngành điện DL/T 537 - 2002 Hướng dẫn Chọn lựa Trạm biến áp Cao áp/Thấp áp Lắp ráp Sẵn Kiểu Hộp đã sửa đổi tiêu chuẩn gốc DL/T 537 - 1993 Điều kiện Kỹ thuật Đặt hàng Trạm biến áp Kiểu Hộp 6-35kV, làm cho tiêu chuẩn ngành điện cho trạm biến áp kiểu hộp phù hợp với IEC 1330 - 1995. Sự khác biệt giữa DL/T 537 - 2002 và IEC 1330 - 1995 (tức là GB/T 17467 - 1998) được thể hiện trong Bảng 1.
Ba tiêu chuẩn nội địa trên đều là các tiêu chuẩn khuyến nghị. Do đặc điểm khác nhau của các ngành, mỗi tiêu chuẩn có những đặc điểm riêng. Tiêu chuẩn đặt hàng của ngành điện được xem xét từ góc độ người dùng, dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế (quốc gia), và bổ sung nội dung được giới thiệu trong Bảng 1, cung cấp cơ sở chi tiết hơn cho việc chọn lựa thiết bị.
Phân loại Thiết bị Phân phối Điện kết hợp
Mặc dù có các tiêu chuẩn nêu trên, tên gọi của thiết bị phân phối điện kết hợp trong thực tế không rất đồng nhất, và cách phân loại cũng khác nhau. Có hai loại chính: một là chỉ định trạm biến áp lắp ráp sẵn là trạm biến áp kiểu hộp châu Âu; và hai là gọi chung tất cả thiết bị phân phối điện kết hợp là trạm biến áp lắp ráp sẵn, sau đó chia trạm biến áp lắp ráp sẵn thành "trạm biến áp kiểu hộp châu Âu" và "trạm biến áp kiểu hộp Mỹ". Một số nhà cung cấp, để đáp ứng nhu cầu của các người dùng khác nhau, thậm chí còn có sản phẩm mang hai tên.
Phân tích Cấu trúc và Hiệu suất
Trạm biến áp Lắp ráp Sẵn kiểu Châu Âu
Vào những năm 1970, Trung Quốc đã nhập khẩu thiết bị phân phối điện tích hợp 6-10kV từ các nước châu Âu như Pháp và Đức. Thiết bị sáng tạo này đã tích hợp ba thành phần chính của trạm biến áp (thiết bị chuyển mạch cao áp, biến áp và tủ phân phối thấp áp) vào một vỏ bọc, xác lập khái niệm về trạm biến áp lắp ráp sẵn.
Tháng 12 năm 1993, Bộ Điện cũ đã ban hành tiêu chuẩn ngành DL/T 537-1993 "Quy chuẩn Kỹ thuật cho Trạm biến áp Lắp ráp Sẵn 6-35kV". Điều 3.1 của tiêu chuẩn này định rõ: "Tổ hợp phân phối điện hoàn chỉnh nhỏ gọn bao gồm thiết bị phân phối cao áp, biến áp, thiết bị phân phối thấp áp và thiết bị đo đếm điện năng được bao trong một hoặc nhiều tủ sẽ được gọi là trạm biến áp lắp ráp sẵn, viết tắt là trạm biến áp kiểu hộp." Xuất phát từ thiết kế châu Âu, cấu hình này trở nên phổ biến dưới tên gọi trạm biến áp kiểu châu Âu.
Sau khi Tiêu chuẩn Quốc gia GB/T 17467-1998 "Trạm biến áp Cao áp/Thấp áp Lắp ráp Sẵn" được công bố vào năm 1998, thuật ngữ chính thức đã chuyển sang "trạm biến áp lắp ráp sẵn". Tuy nhiên, cả người dùng và nhà sản xuất vẫn tiếp tục gọi các lắp đặt này là trạm biến áp kiểu hộp hoặc trạm biến áp kiểu châu Âu trong thực tế.
Đặc điểm Cấu trúc:
Trạm biến áp kiểu châu Âu thường bao gồm ba ngăn chức năng:
Ngăn cao áp
Ngăn thấp áp
Ngăn biến áp
Có hai cấu hình chính được sử dụng:
Bố trí tuyến tính: Cấu hình tiêu chuẩn
Bố trí tam giác: Được áp dụng cho yêu cầu mạch thấp áp phức tạp
Ưu điểm về hiệu suất so với trạm biến áp truyền thống:
Tối ưu hóa khoảng cách tải:
Giảm bán kính cấp điện 40-60%
Giảm chi phí đầu tư cáp 25-35%
Giảm tổn thất đường dây 15-20%
Hiệu quả không gian:
Chiếm khoảng 10% diện tích của trạm biến áp truyền thống
Giảm chi phí xây dựng 60-70%
Cài đặt đơn giản:
Thời gian xây dựng tại công trường giảm 50-60%
Hạn chế kỹ thuật và Giải pháp:
Thiết kế bao bọc gây ra thách thức quản lý nhiệt quan trọng:
Giới hạn tản nhiệt tăng nhiệt độ bên trong (sự tăng nhiệt độ ΔT điển hình: 8-12°C)
Ảnh hưởng nhiệt tiềm tàng đến sự ổn định của các thành phần (ước tính suy giảm hiệu suất: 3-5% cho mỗi 10°C tăng)
Các giải pháp công nghiệp bao gồm:
Hệ thống thông gió tiên tiến:
Tường vỏ bọc cấu trúc mê cung
Quạt hút luồng trục (thông thường có công suất 200-400 CFM)
Các biện pháp tăng cường nhiệt:
Tối ưu hóa tản nhiệt (diện tích bề mặt tăng 20-30%)
Vật liệu cách nhiệt chịu nhiệt (lớp H hoặc cao hơn)
Các giải pháp này, mặc dù hiệu quả, nhưng cũng mang lại:
Độ phức tạp cấu trúc (chu kỳ sản xuất kéo dài: 15-20%)
Tiêu thụ năng lượng thêm (hệ thống phụ trợ: 5-8% tổng tải)
Phát âm thanh (mức độ tiếng ồn tăng điển hình: 3-5 dBA)
Các Phát triển Công nghệ Mới Gần Đây:
Các nhà sản xuất hàng đầu đã đạt được những bước đột phá trong quản lý nhiệt:
Cấu hình tản nhiệt mới cho biến áp (cải thiện hiệu suất: 12-15%)
Aerodynamics vỏ bọc tối ưu (giảm nhiệt độ: 6-8°C)
Thiết kế công suất cao được chứng nhận (≥800kVA) mà không cần thông gió ép buộc
Tuân thủ giới hạn nhiệt của biến áp khô theo GB 1094.11 (sự tăng nhiệt độ cuộn dây tối đa: 100K)
Những cải tiến này duy trì tuân thủ các tiêu chuẩn quốc gia trong khi đạt được:
Tiết kiệm năng lượng (giảm tiêu thụ điện quạt: 100%)
Giảm mức độ tiếng ồn (4-7 dBA)
Nâng cao độ tin cậy hoạt động (cải thiện MTBF: 20-25%)
Trạm Biến Áp Kiểu Hộp Mỹ (Biến Áp Kết Hợp)
Vào những năm 1990, biến áp phân phối ba pha được phân vùng kiểu Mỹ đã vào thị trường Trung Quốc. Theo Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ (ANSI) C57.12.26 - 1992 Tiêu chuẩn cho Biến áp Phân phối Ba Pha Kiểu Hộp Tự Làm Mát với Đầu Nối Cáp Cao Áp, cáp cao áp được kết nối với biến áp thông qua đầu nối cáp trong ngăn cao áp, và cáp thấp áp được kết nối với đầu cuối thấp áp bằng vít trong ngăn thấp áp. Thùng dầu của biến áp phân phối kiểu hộp được trang bị cầu chì cao áp và công tắc tải bốn vị trí. Biến áp có thể hoạt động như một đầu cuối hoặc trong mạng vòng, bảo vệ và kiểm soát trạng thái cấp điện phía cao áp của biến áp.
Các nhà sản xuất biến áp ở Trung Quốc đã thêm công tắc cắt dòng và đồng hồ điện vào ngăn thấp áp của các sản phẩm kiểu Mỹ, biến chúng thành thiết bị phân phối điện kết hợp. Những thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các khu dân cư. Để phân biệt chúng với trạm biến áp kiểu hộp châu Âu, chúng được gọi là trạm biến áp kiểu hộp Mỹ, còn được gọi là biến áp kết hợp. Tiêu chuẩn ngành cơ khí JB/T 10217 - 2000 Biến áp Kết hợp nêu rõ định nghĩa tiêu chuẩn của biến áp kết hợp (như đã đề cập ở trên). Tại mục 3.7, nó định nghĩa "ngăn cao áp và thấp áp" là "không gian nơi đầu cuối cáp cao áp và thấp áp và các bộ phận vận hành và kiểm soát của các thành phần điện được bao bởi tấm thép, dựa vào tường thùng dầu". Đây là một trong những sự khác biệt về cấu trúc so với trạm biến áp kiểu hộp châu Âu.
Tiêu chuẩn này phân loại biến áp kết hợp (trạm biến áp kiểu hộp Mỹ) thành hai loại theo cấu trúc thùng dầu: loại thùng dầu chung và loại thùng dầu riêng. Trong loại thùng dầu chung, các thành phần điện cao áp chia sẻ thùng dầu biến áp với thân biến áp, ký hiệu bằng chữ ZG. Trong loại thùng dầu riêng, các thành phần điện cao áp như công tắc tải được đặt trong thùng dầu riêng, trong khi các thành phần điện cao áp khác và thân biến áp được lắp đặt trong thùng dầu khác. Các mạch dầu của hai thùng dầu không được kết nối, ký hiệu bằng chữ ZF.
Biến Áp Kết Hợp Thùng Dầu Chung
Ngoài những ưu điểm của trạm biến áp kiểu hộp châu Âu, biến áp kết hợp thùng dầu chung có những ưu điểm sau:
Diện tích nhỏ hơn: Chiếm khoảng 3/5 diện tích của trạm biến áp kiểu hộp châu Âu.
Tản nhiệt tốt hơn: Biến áp được phơi trực tiếp, có lợi cho tản nhiệt. Cấu trúc tương đối đơn giản, và giá bán tương đối thấp (khoảng 3/5 giá của trạm biến áp kiểu hộp châu Âu).
Vận chuyển và lắp đặt thuận tiện: Thể tích nhỏ hơn, làm cho vận chuyển và lắp đặt thuận tiện hơn.
Trong bối cảnh Trung Quốc, trạm biến áp kiểu hộp Mỹ được nhập khẩu trực tiếp từ nước ngoài có những thiếu sót sau:
Dầu biến áp bị thoái hóa: Khi công tắc tải cao áp hoạt động, hồ quang sinh ra có khả năng gây phân hủy dầu biến áp, ảnh hưởng đến tuổi thọ tổng thể của trạm biến áp kiểu hộp Mỹ.
Chạy mất pha: Khi cầu chì cao áp bị cháy, có thể khiến biến áp chạy trong tình trạng mất pha.
Chức năng mạch cao áp hạn chế: Mạch cao áp có chức năng tương đối đơn giản, không đáp ứng đầy đủ yêu cầu của quy định vận hành điện hiện nay. Ví dụ, công tắc tải cao áp không có điểm ngắt rõ ràng.
Để khắc phục những vấn đề này, các nhà sản xuất trong nước đã thực hiện một số cải tiến. Như đã đề cập, các công tắc cắt dòng thấp áp (thường là công tắc không khí thông minh) được thêm vào ngăn thấp áp của trạm biến áp kiểu hộp Mỹ để đạt được nhiều bảo vệ lỗi như quá tải, mất điện, ngắn mạch và nối đất. Điều này loại bỏ hiện tượng cầu chì cao áp bị cháy do ngắn mạch hoặc quá tải trên đường dây cấp điện thấp áp, tránh việc biến áp chạy mất pha. Thứ hai, phần cao áp đã được thiết kế lại. Ví dụ, về bảo vệ cao áp, trạm biến áp kiểu hộp Mỹ sử dụng công tắc tải để cắt nguồn điện tải và dựa vào cầu chì bảo vệ dự phòng và cầu chì cắm để bảo vệ toàn bộ nguồn điện.
Biến Áp Kết Hợp Thùng Dầu Riêng
Cho đến nay, hầu hết trạm biến áp kiểu hộp Mỹ do các nhà sản xuất biến áp sản xuất thuộc loại biến áp kết hợp thùng dầu chung ZG. Để loại bỏ những nhược điểm của biến áp kết hợp thùng dầu chung nêu trên, các nhà sản xuất biến áp trong nước đã tách các thành phần điện cao áp như công tắc tải và cầu chì bảo vệ dự phòng khỏi thùng dầu biến áp. Dầu có điểm sôi cao được tiêm vào các ngăn nhỏ của các thành phần điện cao áp như công tắc tải, và dầu số 25 thông thường được tiêm vào thùng dầu biến áp. Điều này không chỉ giải quyết vấn đề dầu biến áp bị lão hóa do vận hành công tắc tải mà còn giải quyết vấn đề tản nhiệt do sử dụng dầu có điểm sôi cao trong toàn bộ thùng dầu biến áp (do độ nhớt cao).
Sử dụng Biến Áp Hợp Kim Không Định Hình
Biến áp là thành phần lớn nhất và nóng nhất trong trạm biến áp kiểu hộp. Đặc điểm cấu trúc và mức độ tổn thất của nó có liên quan trực tiếp đến thiết kế tổng thể của trạm biến áp kiểu hộp.
Năm 1996, Trung Quốc đã thành công phát triển và sản xuất biến áp phân phối không định hình dưới 500 kVA, nhưng sản lượng nhỏ, và chưa đạt sản xuất đại trà. Năm 1998, Công ty Điện Xindian Thượng Hải đã đưa vào công nghệ thiết kế và sản xuất biến áp không định hình từ General Electric (GE) của Hoa Kỳ để sản xuất đại trà. Hiện nay, có hơn 20 nhà sản xuất biến áp không định hình. Tổn thất không tải của lõi sắt không định hình là 20% so với series S9, cho thấy hiệu quả tiết kiệm năng lượng rất đáng kể.
Các tiêu chuẩn biến áp phân phối ANSI cũng đóng vai trò trong bối cảnh rộng hơn về công nghệ và thị trường biến áp. Tuy nhiên, yếu tố chính hạn chế việc sử dụng biến áp không định hình trong trạm biến áp kiểu hộp trong nước là giá cả, đòi hỏi quốc gia phải thực hiện các chính sách khuyến khích tương ứng. Trên thực tế, có nhiều chính sách khuyến khích sử dụng biến áp không định hình trong và ngoài nước. Theo các nhà sản xuất Đài Loan, khu vực Đài Loan đã ban hành các tiêu chuẩn nghiêm ngặt cho sản phẩm biến áp không định hình. Người mua biến áp không định hình ở bất cứ đâu cũng có thể nhận được trợ cấp dựa trên công suất biến áp, với khoản thưởng hàng chục nghìn New Taiwan Dollars cho mỗi kW.
So sánh giữa Trạm Biến Áp Kiểu Hộp Châu Âu và Mỹ
Như đã đề cập, cả trạm biến áp kiểu hộp Mỹ và châu Âu đều có ưu điểm về thể tích, diện tích sàn và sự phối hợp môi trường. Trạm biến áp kiểu hộp Mỹ, thường được thiết kế tham khảo các tiêu chuẩn liên quan đến biến áp phân phối ANSI, thậm chí có một số ưu điểm hơn so với kiểu châu Âu về diện tích sàn, giá cả và tản nhiệt. Ví dụ, trong trường hợp trạm biến áp DXB(W) - 1.10, các đầu nối cao và thấp áp, bộ điều chỉnh cấp, bình chứa dầu và van xả dầu của biến áp được lắp đặt trên một bức tường bên, mỗi bên được bao trong các ngăn thiết bị cao và thấp áp riêng biệt. Biến áp do đó trở thành một phần của vỏ bọc trạm biến áp, trong khi ba bức tường bên còn lại được trang bị các tản nhiệt gợn sóng phơi ra không khí. Điều này cải thiện điều kiện tản nhiệt và giảm một số tổn thất.
Tuy nhiên, do các bộ phận tản nhiệt của trạm biến áp kiểu hộp Mỹ được phơi ra không khí trong thời gian dài, các vấn đề mới như ăn mòn vật liệu do môi trường tự nhiên xuất hiện, ảnh hưởng đến tuổi thọ tổng thể của thiết bị. Hơn nữa, vào mùa hè, nhiệt độ của tản nhiệt của trạm biến áp kiểu hộp Mỹ có thể lên tới 80-90°C, tạo ra rủi ro bị bỏng cho người vô tình tiếp xúc gần.
Trạm biến áp kiểu hộp châu Âu sử dụng biến áp không định hình là sản phẩm mới được phát triển bởi các nhà sản xuất trong nước. Chúng đại diện cho sự tiến bộ công nghệ sau biến áp kết hợp không định hình (bao gồm cả loại thùng dầu chung và riêng). Với các cải tiến khác trong thiết kế tản nhiệt, chúng đạt được làm mát tự nhiên trong khi đáp ứng yêu cầu tăng nhiệt độ quốc gia, loại bỏ tiêu thụ năng lượng và tiếng ồn của quạt thông gió. Do đó, trạm biến áp kiểu hộp châu Âu sử dụng biến áp không định hình có các đặc điểm kỹ thuật xuất sắc.
Kết luận
Với việc tiếp tục thúc đẩy các tiêu chuẩn, việc đặt tên cho thiết bị phân phối điện kết hợp nên trở nên thống nhất hơn. Sự phát triển của công nghệ và cải tiến trong quy trình sản xuất và cấu trúc làm cho trạm biến áp kiểu hộp Mỹ và châu Âu có nhiều ưu điểm hơn so với trạm biến áp truyền thống. Chúng phù hợp hơn với nhu cầu của thị trường về kích thước nhỏ, phối hợp môi trường, đa chức năng và cung cấp điện đáng tin cậy. Nếu việc sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng như hợp kim không định hình có thể nhận được một số chính sách khuyến khích, hiệu suất kỹ thuật và kinh tế của trạm biến áp kiểu hộp trong nước sẽ được nâng cao hơn nữa.
