تحليل تصنيفات واتجاهات تطور محطات التحويل المسبقة الصنع ذات الجهد العالي/المنخفض
1. المقدمة
تعتبر المحطات الكهربائية المجهزة ذات الجهد العالي والمنخفض، المعروفة أيضاً باسم "المحطات الكهربائية المجهزة"، اختصاراً لـ "المستودعات الكهربائية المجهزة" أو "صناديق المحولات". في الصين، كانت تُعرف سابقاً بأسماء مختلفة مثل "محطات التحويل المركبة"، و"محولات مركبة"، و"محطات التحويل المدمجة المجمعة في المصنع"، و"وحدات استقبال الجهد العالي من النوع الصندوقي"، و"محطات التحويل المدمجة المجهزة مسبقاً". وفي نوفمبر 1995، أطلقت اللجنة الدولية للإلكتروتقنية (IEC) رسمياً اسم "محطات التحويل المجهزة ذات الجهد العالي والمنخفض" على هذه المحطات في المعيار IEC 1330. كما يعتمد المعيار الحالي GB/T 17467—2020 محطات التحويل المجهزة ذات الجهد العالي والمنخفض على المصطلح نفسه "محطات التحويل المجهزة ذات الجهد العالي والمنخفض"، والذي سيتم اختصاره إلى "المحطات الكهربائية المجهزة" في النص التالي.
وتشمل الخصائص الرئيسية للمحطات الكهربائية المجهزة ما يلي:
يتم تصميم وتصنيع المنتج داخل المصنع.
تم التحقق منه بواسطة الاختبارات النموذجية المحددة في المعيار GB/T 17467.
تم التحقق منه من خلال الاختبارات المعملية.
وتتكون أساساً من ثلاث وحدات وظيفية، وهي غرفة المحول، وغرفة التبديل ذات الجهد العالي، وغرفة التبديل ذات الجهد المنخفض. يتم تجميع المكونات الرئيسية المثبتة داخلها (حيث يتم تعريف المحولات، وأجهزة التبديل ذات الجهد العالي، وأجهزة التبديل ذات الجهد المنخفض كمكونات رئيسية في المعيار) بعد التأكد من صلاحيتها من خلال الاختبارات النموذجية والاختبارات المعملية. يتم ربط هذه المكونات مع بعضها حسب الحاجة وتجميعها داخل هيكل مشترك أو صندوق لتكون منتج محطة تحويل مجهزة. يتم التحقق من الحل النموذجي بواسطة الاختبارات النموذجية وفقًا لمتطلبات GB/T 17467، ثم يتم تسليمها للمستخدمين لتثبيتها واستخدامها بعد المرور بالاختبارات المعملية. هذا يمثل الشكل الهيكلي الأساسي لمحطة تحويل مجهزة نموذجية.
في التطبيقات العملية، يتم دمج الأجهزة الآلية، ووحدات الاتصال، وأنظمة الرصد بالفيديو، وأنظمة تغذية التحكم، وأنظمة الحماية من الحرائق، وغيرها في المحطات الكهربائية المجهزة، مما يجعلها مكونات مهمة أو إضافات لتقديم الوظائف اللازمة للمحطات الكهربائية المجهزة تحت ظروف العمل المختلفة.
وتشمل المزايا الرئيسية للمحطات الكهربائية المجهزة التكامل العالي، والمساحة الصغيرة، ومدة البناء القصيرة، والموقع المرن، والتكيف القوي مع البيئة، والتثبيت والاستخدام السهل، والتشغيل الآمن والموثوق، والاستثمار المنخفض، والنتائج السريعة.
وفي السنوات الأخيرة، شهدت المحطات الكهربائية المجهزة تطوراً سريعاً وتطبيقاً واسعاً في مجالات توليد الطاقة الجديدة وخزن الطاقة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، مما يتيح نقل أو تبادل الطاقة الكهربائية.
سيناريوهات تطبيق المحطات الكهربائية المجهزة: في شبكة التوزيع، تقوم المحطات الكهربائية المجهزة بتوزيع الطاقة الكهربائية من خلال خفض الجهد لتلبية احتياجات المستخدم النهائي؛ في نظام توليد الكهرباء، تتحقق من نقل الطاقة الكهربائية من الجانب المولد إلى الشبكة من خلال زيادة الجهد والتوصيل بالشبكة.
يعد السعة المقدرة والمستوى الجهد للمحول المثبت في المحطات الكهربائية المجهزة مؤشرين مهمين لقياس حجم وتكوين المحطة. عادةً، بالنسبة للمحطات الكهربائية المجهزة ذات سعة محول حوالي 10,000 كيلوفولت أمبير ومستوى جهد 40.5 كيلوفولت وما دون، يتم تجميع المحول وأجهزة التبديل أو المعدات الأخرى في وحدة واحدة، أو يتم نقلها إلى الموقع في وحدات منفصلة ثم تجميعها في وحدة واحدة.
عندما تتجاوز سعة المحول 31,500 كيلوفولت أمبير، يتم تثبيت أجهزة التبديل الداعمة والمعدات المساعدة الأخرى داخل صندوق المحطة الكهربائية المجهزة، بينما يتم تثبيت المحولات الرئيسية خارج الصندوق. هناك محولان أساسيان أو أكثر، يتم ربطهما في النهاية لتشكيل محطة كاملة، مما يتيح نقل أو تبادل الطاقة الكهربائية.يقوم هذا المقال بتصنيف المحطات الكهربائية المجهزة من حيث اتجاهات تطور الصناعة أو الخصائص الرئيسية للمنتج، ويحلل اتجاهاتها التنموية في مجال محطات التحويل.
2. الطرق التقليدية لتصنيف المحطات الكهربائية المجهزة
في التطبيقات العملية، تختلف المحطات الكهربائية المجهزة بشكل كبير من حيث السعة المقدرة والخصائص الهيكلية للمحول، ومستوى الجهد المقدر، والمكونات الرئيسية، ومادة وشكل الصندوق، وسيناريوهات التطبيق، والأغراض الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك، بسبب الاختلافات في مجالات التطبيق، تختلف المعايير الصناعية وأساليب التحقق من المنتج. يتم تصنيف المحطات الكهربائية المجهزة من أبعاد مختلفة أو بناءً على خصائصها الرئيسية.
1) التصنيف حسب مستوى الجهد المقدر على الجانب ذو الجهد العالي
يتم تصنيف المحطات الكهربائية المجهزة وفقًا لمستوى الجهد المقدر على الجانب ذو الجهد العالي إلى: المحطات الكهربائية المجهزة ذات الجهد العالي، والمحطات الكهربائية المجهزة ذات الجهد المتوسط، والمحطات الكهربائية المجهزة ذات الجهد المنخفض. المستوى الجهد المقدر على الجانب ذو الجهد العالي للمحطات الكهربائية المجهزة ذات الجهد العالي هو 110 كيلوفولت وما فوق،而对于高压侧额定电压等级为3.6至40.5kV的预制变电站，称为中压预制变电站；低压侧额定电压等级为1.14kV及以下的称为低压预制变电站。 高压预制变电站一般安装在电力负荷中心附近。它们通常采用模块化制造与现场施工相结合的变电站建设模式。其特点是变压器高压侧电压等级高、单机容量大、一二次配套设备较多。 中压预制变电站一般用于发电系统、配电网末端或临时供电场景。其方案配置相对简单，变压器容量较小，制造工艺也相对简单。低压预制变电站一般在内部安装二次控制设备、辅助设备或低压开关柜，以满足特定的功能要求。 ### 2) 按使用或安装环境分类 根据使用或安装环境，将它们分为室内预制变电站和室外预制变电站。通常所说的预制变电站一般指室外型。此外，在一些工厂、建筑物或靠近室内电气设备且电力负荷较小的地方，配套的预制变电站是室内预制变电站。其使用环境或防护等级比室外预制变电站要好，产品本身对环保和安全的要求略低。 ### 3) 按产品安装方式分类 根据产品的安装方式，将其分为固定式预制变电站和移动式预制变电站。通常，预制变电站在基础上固定安装，使用过程中安装位置不变。 在某些应用场景中，例如矿山、油田、施工现场和临时维修供电场景，随着施工进度的推进，预制变电站的位置往往需要改变。移动式预制变电站有两种类型：轮式预制变电站和橇装式预制变电站。当预制变电站的供电位置需要移动时，可以使用拖车或半挂车进行牵引运输。 ### 4) 按箱体制造材料分类 根据预制变电站箱体制造所用的不同材料，可以将其分为钢板型、非金属型、不锈钢板型、铝合金型、彩钢复合板型、金榜板型、镁铝锌镀层板型、集装箱型等。主要特点是预制变电站箱体的材料或结构形式不同，可以满足用户或使用要求的不同需求。 ### 5) 按箱体外观或与环境匹配程度分类 根据预制变电站对周围使用环境的特殊要求，还可以进一步细分为普通型、景观型（例如，箱体表面模仿中国古建筑风格、欧式建筑风格、艺术造型或贴有风景画）等。例如，公园中使用的预制变电站具有亭子或与公园环境相匹配的建筑形状，其表面装饰有风景画或不同的色调。 ### 6) 按不同安装方式分类 根据预制变电站与基础结合的程度，可以分为地上预制变电站、半埋式预制变电站和全埋式预制变电站。地上预制变电站是将整个预制变电站安装在基础之上。半埋式预制变电站中，三个基本功能室中的高压开关室和低压开关室位于基础之上，而变压器室位于基础之下并下沉到基础中。 产品整体体积相对较小。全埋式预制变电站是指整个产品沉入基础之中，只有检修人孔或通风孔露出基础之上。这种类型的产品特别适合城市中心或人口密集的核心区域，减少了产品对使用环境的视觉影响，并提高了产品运行的安全性和可靠性。 ### 7) 按功能室的不同排列方式分类 根据预制变电站三个基本功能室（高压室、低压室和变压器室）的不同排列或组合方式，可以进一步细分为“目”字形预制变电站、“品”字形预制变电站、“H”字形预制变电站、“哑铃”形预制变电站、“田”字形预制变电站等。 “目”字形预制变电站中，变压器室居中布置，高压室和低压室分别布置在两侧，其整体布局类似于汉字“目”。在“品”字形预制变电站中，三个功能室并排布置，类似于汉字“品”。 “H”型预制变电站中，高压室和低压室分别做成独立的箱体，油浸变压器带电部分完全封闭后放置在两个箱体之间。此外，变压器两侧还采用网状屏蔽进行简单的保护和隔离，改善了变压器运行时的散热条件。“哑铃”形预制变电站实际上是一组高压开关柜、两组变压器和低压开关柜。高压室位于箱体中间，变压器室和低压室分别位于变压器室的两侧，各功能室的整体布局呈“哑铃”形。“田”字形预制变电站中，低压室分成两个独立的小室（低压开关室和自动化室），与高压室和变压器室一起，整体布局呈汉字“田”字形。 ### 8) 按习惯称呼分类 根据产品的主特征和习惯称呼，将预制变电站分为欧式变电站、美式变电站和中式变电站。 预制变电站的关键单元（高压开关柜、低压开关柜、变压器）都是经过型式试验定型的标准产品。最初主要是从德国等欧洲国家引进，俗称“欧式变电站”。其主要特点是关键部件之间的互联组合，设计方案灵活多变，变压器扩容较为方便。目前广泛应用于配电网和发电系统。 根据标准JB/T 10217，美式变电站是一种高压开关安装在变压器油箱内，用变压器油作为绝缘和灭弧介质，低压开关安装在低压箱内的预制变电站。例如，美国库珀公司为代表的10kV经济型预制变电站，俗称“美式变电站”。 美式变电站的主要特点是高压负荷开关、变压器铁芯、线圈等浸在同一油箱内，共同使用变压器油作为绝缘、灭弧和冷却介质。它采用双熔断器保护，熔断器具有电流和温度双重敏感特性，大大提高了变压器保护的灵敏度和可靠性。美式变电站的主要优点是体积小、结构紧凑、简单经济。 然而，其缺点也很明显，如变压器油绝缘性能迅速下降、方案简单、灵活性差。高压开关分合闸产生的电弧会劣化变压器油质量。目前，10kV美式变电站在配电网中已很少使用，被列为淘汰或限制使用的产品。 经过改造升级后的10kV美式变电站，将电压等级提高到35kV，并应用于新能源发电系统。由于其结构紧凑、占地面积小、制造成本低，正在逐渐推广使用。 近年来，风力发电和光伏发电等新能源系统中使用的预制变电站主要用于将发电侧较低电压等级的电能传输到35kV高压变电站。变压器容量越来越大，如果设计成“欧式变电站”的形式，变压器封闭安装在变压器室内，难以将产生的热量散发到外部。需要增加风扇或换热器等设备来解决这个问题。因此，出现了一种结构相对紧凑、液浸变压器安装在箱外的预制变电站。其主要特点是：变压器安装在户外，解决了变压器的安全防护和散热问题，制造成本显著降低。外观上有些类似于“美式变电站”，但本质上仍属于“欧式变电站”。该产品首次在行业中成功开发并应用于实际工程项目时，行业内俗称“中式变电站”。但其产品特点更符合GB/T 40823标准的要求。  ### 3. 预制变电站的发展趋势 从以下几个不同方面分析预制变电站的发展趋势。 ### 1) 箱体制作材料和结构形式多样化 最直观和明显的变化是预制变电站箱体的结构形式呈现出多样化的趋势，这可以从箱体的形状、颜色和材料上观察到。箱体应与周围环境和谐。例如，欧式变电站一般地下沉1米，地面部分不超过1.5米，既不影响远观视线，也不至于儿童攀爬玩耍造成意外伤害。所用材料是非金属的，环保且易于与周围环境协调。 常见的外壳材料包括普通钢板、不锈钢板、铝合金板和彩钢复合板。几年前，玻璃纤维增强水泥板、玻璃纤维增强塑料板和非金属材料也开始使用。此外，同一个箱体上可能会有几种材料。例如，普通箱体外可能装饰木板和琉璃瓦装饰板，双层结构夹层中使用膨胀聚苯乙烯（EPS）、玻璃纤维、石棉、硅酸铝棉等保温材料。 在耐腐蚀性、耐火性和抗故障电弧方面，非金属材料壳体明显优于金属材料壳体。一些预制变电站使用金榜板作为壳体材料，其特点是环保、轻质、高强度、隔音、隔热、防水、防火、防腐。 ### 2) SF6气体绝缘开关设备的大力推广应用 对于40.5kV及以下电压等级的预制变电站，高压侧一般采用空气或SF6气体绝缘的断路器或负荷开关，部分产品采用变压器油作为绝缘介质的负荷开关。 在12kV预制变电站中，由于变压器容量一般低于1250kVA，越来越多地使用组合电器（负荷开关+熔断器）或负荷开关。使用断路器保护变压器时，切断故障线路的时间稍长，不利于关键设备（如变压器）的保护。而组合电器中的熔断器可以在20毫秒内切断故障电流。 12kV电压等级的负荷开关单元包括产气负荷开关柜、真空断路器开关柜、真空负荷开关柜和SF6气体绝缘开关设备。目前，SF6气体绝缘开关设备在预制变电站中应用最为广泛，在海拔高度、可靠性、安全性、尺寸以及特殊应用环境等方面具有更明显的优势。 ### 3) 变压器性能及通风散热的提升 在12kV预制变电站中，常用的变压器包括油浸变压器和干式变压器，其绝缘性能和空载及负载损耗值得到了进一步优化。在高层建筑中，从变压器到开关柜，要求不含有易燃物质且不易被变压器油污染的干式变压器。 变压器的通风散热原则是：以自然通风为主，辅以强制风冷。常见的强制风冷方法是在变压器室顶部或箱壁面板上安装风扇，将箱内空气吹出，搅动室内热空气循环。有时也会在变压器下方放置风扇，向内送冷风，散热效果较好。 ### 4) 预制变电站内部故障电弧 预制变电站内部可能发生故障电弧，可采取的措施分为两类：主动措施和被动措施。主动措施主要目的是限制故障电弧持续时间，而被动措施则侧重于限制故障电弧引起的影响。虽然无法完全防止内部电弧的发生，但可以通过限制电弧持续时间带来的有害影响，最大限度地减少故障电弧对人员或设备的影响。 尽管内部故障电弧试验未包含在强制性试验项目中，但被视为“适用时的强制型式试验项目”。由于其直接威胁人身安全和设备正常运行，引起了制造商和用户的高度重视。因此，电弧燃烧试验项目在预制变电站的型式试验和质量抽查中逐步得到大力推广。 ### 5) 智能化发展显著 智能化是智能电网的关键特征，也是预制变电站的发展方向。具有高度自动化的预制变电站一般被称为智能预制变电站。智能预制变电站的工作特性和职责要求其具有良好的交互性。 实现信息采集和分析后，智能预制变电站不仅能内部共享这些信息，还能与电网中更复杂、更先进的自动化系统进行良好互动。智能预制变电站的交互性在一定程度上保证了电网的安全稳定运行。 ### 6) “预制舱”的发展及其主要特点 当预制变电站应用于电网负荷中心时，变压器容量一般较大。配套的高压和低压设备、二次自动化设备、SVG（静止无功发生器）设备等都安装在箱体内；主变压器安装在户外。它具有功能单元预制并通过模块组装建站的特点，对箱体结构形式、消防系统、人员安全和设备监控有较高要求。业内称之为“预制舱”。实际上，这是一种大规模、模块化组合、现场安装的预制变电站。 ### 7) “集成逆变器”的出现及其应用场景 在应用于光伏发电系统和储能系统的预制变电站中，传统的低压开关柜被逆变器取代，形成由逆变器、变压器和高压开关柜组成的预制变电站。它实现了直流电到交流电的转换。交流电经变压器升压后，通过高压开关柜送到40.5kV开关站，再通过35/110kV或35/220kV电压等级的主变压器送到电网，或者实现电网与电池组之间的能量交换或转移。这是另一种形式的预制变电站。 ### 4. 结论 在电网中，预制变电站具有集成度高、方案灵活、方式多样、建设周期短、占地面积小、制造成本低等特点。它们在各行各业的应用越来越广泛，从最初的10kV电压等级的终端用户应用扩展到35kV（110kV、220kV）电压等级的电力负荷中心。 由于它具备变电站的所有基本特征，随着高压开关柜、低压开关柜、变压器和自动化等配套产业的发展，显示出越来越强的市场活力。从配电网中的电能分配到新能源领域的电能传输，或实现电池组与电网之间的电能交换或电能质量治理，其应用非常广泛。这也推动了相关制造业的快速发展和相关行业技术水平的不断提高，成为输配电行业中变电站的重要组成部分或补充。 【注意事项】 - 若内容翻译有明确书写体要求，就必须按照要求的书写体格式输出翻译。 - 若内容翻译没有明确书写体要求，则：• 若目标语言存在多种书写体（如旁遮普语），输出使用最广泛的标准书写体（如拉丁字母）。若是需要翻译的语种有多种书写方式，请输出使用范围最广的书写字体。 - 切忌一定不能出现任何解释说明，只输出最终翻译结果。 - 即使内容很短或很长，也要完整翻译输出，禁止省略或总结。 【输出规范】 - 输出仅为纯译文，无任何前缀、后缀、标点（除非原文自带）、解释或注释。 - 仅输出翻译结果，无任何前缀、后缀、解释、注释、思考过程或多余字符。 - 保持原文结构完整有序：换行、段落、列表、样式等必须100%保留。 - 语句通顺、术语准确、风格专业，符合电力科技行业语境。 - 严格遵守格式与结构，仅输出最终译文，严禁任何附加内容，严禁输出多余无关的字、字符，不要出现任何思考字眼。
