Analyse af klassificering og udviklingstendenser for højspændings/lavspændings forfabrikerede understationer

1. Introduktion

Højspændings/lavspændings forfabrikerede understations, ofte kendt som "forfabrikerede understationer", forkortes til "forfabrikerede understationer" eller "boksunderstationer". I Kina har de tidligere været kendt under forskellige navne som "kombinerede understationer", "kombinerede transformatorer", "fabrikmonterede kompakte understationer", "bokstypiske højspændings strømforsyningsenheder" og "forfabrikerede kompakte understationer". I november 1995 benævnte International Electrotechnical Commission (IEC) officielt dem som "højspændings/lavspændings forfabrikerede understationer" i standarden IEC 1330. Den nuværende standard GB/T 17467—2020 Højspændings/Lavspændings Forfabrikerede Understationer vedtager også termen "højspændings/lavspændings forfabrikerede understationer", som i følgende vil blive refereret til som "forfabrikerede understationer" for at holde det kort.

De vigtigste karakteristika af forfabrikerede understationer er følgende:

• Produktets design og produktion er gennemført på fabrikken.

• Bekræftet ved typetest som angivet i standarden GB/T 17467.

• Valideret gennem fabriktests.

Dens grundlæggende sammensætning består af tre funktionelle enheder, nemlig transformatorrummet, højspændings bryggers rum og lavspændings bryggers rum. De nøglekomponenter, der er monteret indeni (i standarden defineres transformatorer, højspændings udstyr, lavspændings udstyr m.v. som nøglekomponenter), er bekræftet som godkendte gennem både typetest og fabriktest. Disse komponenter er forbundet med hinanden efter behov og monteret inden i en fælles kasse eller boks for at danne et forfabrikeret understationsprodukt. Den typiske løsning er bekræftet gennem typetest i overensstemmelse med kravene i GB/T 17467, og leveres derefter til brugere til installation og brug efter at være blevet godkendt gennem fabriktest. Dette repræsenterer den grundlæggende strukturelle form for en typisk forfabrikeret understation.

I praktiske anvendelser integreres automatiske enheder, kommunikationsenheder, videovervågningsystemer, styrestrømsystemer, brandsikringssystemer osv. i forfabrikerede understationer, bliver vigtige komponenter eller tilføjelser for at opfylde funktionskravene for forfabrikerede understationer under forskellige arbejdssituationer.

De vigtigste fordele af forfabrikerede understationer inkluderer høj integration, lille arealanvendelse, kort konstruktionsperiode, fleksibel placering, stærk miljøtilpasning, let installation og brug, sikker og pålidelig drift, lav investering og hurtige resultater.

I de seneste år har forfabrikerede understationer oplevet hurtig udvikling og bred anvendelse i nye energiformers strømforsyning og energilagring, såsom vindkraft og solcellestrøm, hvilket muliggør overførsel eller udveksling af elektrisk energi.

Anvendelsesscenarier for forfabrikerede understationer: I distributionsnettet opnår forfabrikerede understationer distribution af elektrisk energi gennem spændningsnedsættelse for at opfylde slutbrugernes krav; i strømforsyningssystemer realiserer de overførsel af elektrisk energi fra strømforsyningen til netværket gennem spændningsforhøjelse og nettilslutning.

Den nominerede effekt og spændingsniveau for transformatorerne, der er udstyret i forfabrikerede understationer, er vigtige indikatorer for at måle understationens størrelse og konfiguration. Generelt for forfabrikerede understationer med en transformeret effekt på omkring 10.000 kV·A og et spændingsniveau på 40,5 kV og under, er transformator og bryggers eller andet udstyr samlet, eller transporteres til stedet i separate moduler og monteres derefter til en helhed.

Når transformator kapaciteten overstiger 31.500 kV·A, installeres de understøttende bryggers og andre hjælpesystemer inden i boksen for den forfabrikerede understation, mens de primære transformatorer installeres udenfor. Der er to eller flere primære transformatorer, som sidst er forbundet for at danne en hel understation, hvilket gør det muligt at overføre eller udveksle elektrisk energi.Denne artikel klassificerer forfabrikerede understationer fra aspekter som industrienudviklingsretning eller produktets hovedkarakteristika, og analyserer deres udviklingstrender inden for understationsfeltet.

2.Konventionelle Klassifikationer af Forfabrikerede Understationer

I praktiske anvendelser varierer forfabrikerede understationer betydeligt i forhold til den nominerede effekt og strukturkarakteristikker for transformator, det nominerede spændingsniveau, nøglekomponenter, materiale og strukturform for boksen, anvendelsesscenarier og hovedformål. Desuden, pga. forskelle i anvendelsesområder, differerer branchestandarder og produktverifikationsmetoder også. Følgende klassificerer forfabrikerede understationer fra forskellige dimensioner eller baseret på deres hovedkarakteristika.

1) Klassificering efter Nomineret Spændingsniveau på Højspændings Side

Forfabrikerede understationer er klassificeret i henhold til det nominerede spændingsniveau på højspændings side til: højspændings forfabrikerede understationer, mellemspændings forfabrikerede understationer, og lavspændings forfabrikerede understationer. Det nominerede spændingsniveau på højspændings side af højspændings forfabrikerede understationer er 110 kV og over, for mellemspændings forfabrikerede understationer ligger det mellem 3,6 og 40,5 kV, og for lavspændings forfabrikerede understationer er det 1,14 kV og under.

Højspændings forfabrikerede understationer er generelt installeret tæt på centrum for elektrisk belastning. De anvender ofte en understationskonstruktionsmodel, der kombinerer modulær produktion med lokalt byggevirksomhed. De kendetegnes ved et højt spændingsniveau på højspændings side af transformator, en stor enhedseffekt, og en relativt stor mængde primær og sekundær understøttende udstyr.

Mellemspændings forfabrikerede understationer anvendes typisk i strømforsyningssystemer, ved slutpunkterne i distributionsnettet, eller i midlertidige strømforsyningsscenarier. Deres skema konfiguration er relativt simpel, transformator effekten er relativt lille, og produktionprocessen er relativt enkel.Lavspændings forfabrikerede understationer installerer generelt sekundære kontrolenheder, hjælpesystemer, eller lavspændings bryggers inden i for at opfylde specifikke funktionskrav.

2) Klassificering efter Anvendelse eller Installation Miljø

De er klassificeret i indendørs forfabrikerede understationer og udedørs forfabrikerede understationer i henhold til anvendelse eller installationsmiljø. De ofte nævnte forfabrikerede understationer henviser generelt til udedørs typen. Desuden, i nogle fabrikker, bygninger, eller ved siden af indendørs elektrisk udstyr med en relativt lille strømbelastning, er de understøttende forfabrikerede understationer indendørs forfabrikerede understationer. Deres anvendelsesmiljø eller beskyttelsesniveau er generelt bedre end for udedørs forfabrikerede understationer, og produktet selv har en smule lavere krav til miljøbeskyttelse og sikkerhed.

3) Klassificering efter Produktets Installationsmetode

De er klassificeret i faste forfabrikerede understationer og mobile forfabrikerede understationer i henhold til produktets installationsmetode. Generelt er forfabrikerede understationer fast installerede på fundamentet, og deres installationsposition forbliver uændret under brug.

I nogle anvendelsesscenarier, som gruve, oliefelt, byggesteder, og midlertidig vedligeholdelsesstrømforsyning scenarier, da konstruktionsfremskridt fremskrides, skal ofte positionen for forfabrikerede understationer ændres. Der findes to typer mobile forfabrikerede understationer: hjulede forfabrikerede understationer og ski-baserede forfabrikerede understationer. Når strømforsyningens position for forfabrikerede understationer skal flyttes, kan den trækkes og transporteres ved hjælp af en trailer eller en halv-trailer.

4) Klassificering efter Materialet Brugt til Boksproduktion

I henhold til de forskellige materialer, der anvendes i produktionen af boksen for forfabrikerede understationer, kan de inddeles i stålplade type, ikke-metal type, rustfrit stålplade type, aluminiumlegering type, farvet stålkompositplade type, Jinbang plade type, magnesium-aluminium-zinkbelagt plade type, container type, osv. Den vigtigste karakteristika er, at materialerne eller strukturformerne for bokse for forfabrikerede understationer varierer, hvilket kan opfylde forskellige brugere eller brugsbehov.

5) Klassificering efter Boks Udseende eller Grad af Match med Miljøet

I henhold til de specifikke krav for forfabrikerede understationer til det omgivende anvendelsesmiljø, kan de yderligere inddeles i almindelig type, landskabstype (for eksempel, boksfladen har stilarter, der imiterer kinesisk gammel arkitektur, europæisk arkitektur, kunstnerisk form, eller affixed landskabsmalerier), osv. For eksempel, den forfabrikerede understation, der anvendes i et park, har formen af en pavillon eller et bygning, der matcher parkmiljøet, og dens overflade er udsmykket med landskabsmalerier eller forskellige farvetoner.

6) Klassificering efter Forskellige Installationsmetoder

I henhold til graden af kombination mellem forfabrikerede understationer og fundamentet, kan de inddeles i over jord forfabrikerede understationer, halv-undergrunds forfabrikerede understationer, og fuld-undergrunds forfabrikerede understationer.En over jord forfabrikerede understation installerer hele forfabrikerede understationen oven på fundamentet. I en halv-undergrunds forfabrikerede understation er højspændings bryggers rum og lavspændings bryggers rum blandt de tre grundlæggende funktionelle rum placeret oven på fundamentet, mens transformatorrummet er placeret nedenunder og synker ned i fundamentet.

Den samlede volumen af produktet er relativt lille. En fuld-undergrunds forfabrikerede understation betyder, at hele produktet synker ned i fundamentet, med kun inspektionsmandhuller eller ventilationshuller udsat over fundamentet. Denne type produkt er især velegnet til bycentret eller tætbefolkede kerneområder, reducerer produktets visuelle indflydelse på anvendelsesmiljøet og forbedrer produktets drifts sikkerhed og pålidelighed.

7) Klassificering efter Forskellige Arrangement Metoder for Funktionelle Rum

I henhold til de forskellige arrangementer eller kombinationer af de tre grundlæggende funktionelle rum (højspændings rum, lavspændings rum, og transformatorrum) for forfabrikerede understationer, kan de yderligere inddeles i "øje"-formede forfabrikerede understationer, "character-pin"-formede forfabrikerede understationer, "H"-formede forfabrikerede understationer, "dumbbell"-formede forfabrikerede understationer, "field"-formede forfabrikerede understationer, osv.

I "øje" -formede forfabrikerede understationer er transformatorrummet placeret i midten, mens højspændings rummet og lavspændings rummet er placeret på begge sider. Dens samlede layout ligner "Kinesiske tegn" i kinesiske tegn. I en forfabrikerede understation i form af en "needle", er tre funktionelle rum arrangeret sammen, ligner formen af det kinesiske tegn "".

I "H" type forfabrikerede understationer er højspændings rummet og lavspændings rummet lavet til separate bokse, og levende dele af væsketransformator er helt lukket og placeret mellem de to bokse. Desuden anvendes maskestyre på begge sider af transformator for enkel beskyttelse og isolation, hvilket forbedrer køleforholdene under drift af transformator. I en forfabrikerede understation i form af en "dumbbell", er der faktisk en sæt højspændings bryggerskabe, to sæt transformatorer og lavspændings bryggerskabe.

Højspændings rummet er placeret i midten af boksen, mens transformatorrummet og lavspændings rummet er på hver sin side af transformatorrummet. Det samlede layout af hvert funktionelt rum er i form af en "dumbbell". I en "field" -formede forfabrikerede understation, er lavspændings rummet delt i to uafhængige kompartementer (lavspændings bryggers rum og automation rum). Sammen med højspændings rummet og transformatorrummet, tager det samlede layout formen af det kinesiske tegn“Word”.

8) Klassificering efter Vanlig Appellation

I henhold til produktets hovedkarakteristika og vanlige appellationer, deles forfabrikerede understationer ind i europæiske-styled understationer, amerikanske-styled understationer, og kinesiske-styled understationer.

De nøgleenheder (højspændings udstyr, lavspændings udstyr, transformatorer) for forfabrikerede understationer er alle standardprodukter, der er finaliseret efter typetest. Initiativt blev de hovedsageligt introduceret fra europæiske lande som Tyskland, kendt som "europæiske-styled understationer". Deres hovedkarakteristika inkluderer interconnection og kombination af nøglekomponenter, fleksible og variable designs, og relativt bekvem kapacitetsudvidelse af transformator. I øjeblikket anvendes de bredt både i distributionsnettet og i strømforsyningssystemer.

Ifølge standarden JB/T 10217, er en amerikansk-styled understation en forfabrikeret understation, hvor højspændings bryggers er installeret i transformatorolie tanken, og transformatorolie anvendes som isolerings- og buddempningsmedium, mens lavspændings bryggers er installeret i lavspændings boks. For eksempel, den 10 kV økonomiske forfabrikerede understation, repræsenteret af den amerikanske Cooper Company, er kendt som en "amerikansk-styled understation".

Den vigtigste karakteristika for en amerikansk-styled understation er, at højspændings lastbryggers, transformatorkjerne, spole osv. er dyrket i samme olie tank, og transformatorolie anvendes fælles som isolerings-, buddempnings- og kølemedium. Den anvender dobbelt-fuse beskyttelse, og fuser har strøm- og temperatur-dobbelt sensitiv karakteristik, hvilket betragteligt forbedrer sensitivitet og pålidelighed af transformatorbeskyttelse. De vigtigste fordele af amerikanske-styled understationer er lille størrelse, kompakt struktur, enkelhed, og økonomi.

Men deres ulemper er også tydelige, som hurtig nedgang i isoleringsydeligheden af transformatorolie, en enkel skema, og lav fleksibilitet. Bu, der dannes af åbning og lukning af højspændings bryggers, vil forårsage forringelsen af transformatoroliekvaliteten. I øjeblikket anvendes 10 kV amerikanske-styled understationer sjældent i distributionsnettet og er blevet klassificeret som produkter, der er ved at blive faset ud eller begrænset.

Efter modificering og opgradering, har 10 kV amerikanske-styled understationer øget spændingsniveauet til 35 kV og anvendes i nye energiformers strømforsyningssystemer. På grund af deres kompakte struktur, lille arealanvendelse, og lav produktion omkostning, bliver de stadig mere fremmet og anvendt.

I de seneste år, de forfabrikerede understationer, der anvendes i nye energiformers systemer som vindkraft og solcellestrøm, har hovedsageligt funktionen at overføre elektrisk energi fra strømforsyningen med et lavere spændingsniveau til en 35 kV højspændings understation. Transformatoreffekten bliver større og større. Hvis det er designet i form af "europæiske-styled understationer", er transformator installeret i transformatorrummet på en lukket måde, og det er svært at afkøle den producerede varme ud.

Yderligere udstyr som fløjter eller varmeskiftere er nødvendigt for at løse dette problem. Derfor er en forfabrikeret understation med en relativt kompakt struktur og en væsketransformator installeret uden for boksen dukket op. Dens vigtigste karakteristika er: transformator er installeret udenfor, hvilket løser problemerne med transformatorens sikkerhedsbeskyttelse og afkøling, og produktion omkostning er betydeligt reduceret. Det ser noget ligesom en "amerikansk-styled understation" ud, men det er egentlig stadig en "europæisk-styled understation". Da det først dukkede op i industrien, blev det navngivet som en "kompakt forfabrikeret understation". Efter det første blev succesfuldt udviklet i Kina og anvendt i reelle ingeniørprojekter, er det almindeligt kendt som en "kinesisk-styled understation" i industrien. Men dets produkt karakteristika passer bedre til kravene i standarden GB/T 40823.

3. Udviklingstrender for Forfabrikerede Understationer

Udviklingstrenderne for forfabrikerede understationer analyseres fra følgende forskellige aspekter.

1) Diversificering af Materiale og Strukturformer for Boksproduktion

Den mest intuitive og bemærkelsesværdige ændring er, at strukturformerne for bokse for forfabrikerede understationer viser en tendens til diversificering, hvilket kan observeres fra formen, farven og materialet for bokserne. Boksen bør være i harmoni med det omgivende miljø. For eksempel, europæiske-styled understationer sænkes generelt 1 m under jorden, og den over jord del er ikke højere end 1,5 m, hvilket hverken påvirker langdistancesynet eller forårsager uheld, hvis børn klatrer op for at lege. De anvendte materialer er ikke-metalliske, hvilket er miljøvenligt og let koordineret med det omgivende miljø.

Almindelige materialer til yderskallen inkluderer almindelige stålplader, rustfrit stålplader, aluminiumlegering plader, og farvede stålkompositplader. For mange år siden blev glasfiberforsterket cementplader, glasfiberforsterket plastplader, og ikke-metalliske materialer også anvendt. Desuden kan der være flere materialer på samme boks. For eksempel kan ydersiden af en almindelig boks være pyntet med træplader og glaseret flisdekorationer, og isolerende materialer som ekspanderbart polystyren (EPS), glasfiber, asbest, og aluminiumsilicat uld anvendes i laget af den dobbeltskelled struktur.

I forhold til korrosionsbestandighed, brandbestandighed, og bestandighed mod fejlbu, er ikke-metalliske materialer betydeligt superiore til metalliske materialer. Nogle forfabrikerede understationer anvender Jinbang plader som skalmaterial, der er karakteriseret ved at være miljøvenlige, letvejts, højstyrke, lydisolering, varmeisolering, vandbestandighed, brandbestandighed, og korrosionsbestandighed.

2) Stærk Fremme og Anvendelse af SF6 Gasisoleret Bryggers

For forfabrikerede understationer med et spændingsniveau på 40,5 kV og under, anvendes generelt circuitbreakers eller loadswitches isoleret af luft eller SF6 gas, og nogle produkter anvender loadswitches med transformatorolie som isoleringsmedium.

I 12 kV forfabrikerede understationer, da transformator effekten generelt er under 1.250 kV·A, bliver kombinerede elektriske apparater (loadswitch + fuse) eller loadswitches stadig mere anvendt. Når en circuitbreaker anvendes til at beskytte transformator, er tiden til at afbryde den fejlbehæftede linje lidt længere, hvilket ikke er gunstigt for beskyttelsen af nøgleudstyr (som transformator). Dog kan fuset i kombinerede elektriske apparater afbryde fejlstrømmen inden for 20 ms.

Loadswitch enheder for 12 kV spændingsniveau inkluderer gasproducerende loadswitch skabe, vakuum circuitbreaker switch skabe, vakuum loadswitch skabe, og SF6 gas-isoleret bryggers. I øjeblikket er SF6 gas-isoleret bryggers mest anvendt i forfabrikerede understationer, og har flere distinkte fordele i forhold til højde, pålidelighed, sikkerhed, størrelse, og specielle anvendelsesmiljøer.

3) Forbedring af Transformator Ydelse og Ventilation og Afkøling

I 12 kV forfabrikerede understationer, er ofte anvendte transformatorer væsketransformatorer og tørrantransformatorer, og deres isoleringsydelighed og tom- og belastnings tab værdier er blevet yderligere optimeret. I høje bygninger, fra transformator til bryggers, er tørrantransformatorer, der ikke indeholder brandfarlige materialer og ikke let forurenes af transformatorolie, påkrævet.

Princippet for ventilation og afkøling af transformatorer er: hovedsageligt naturlig ventilation, suppleret med tvungen luftafkoeling. En almindelig metode for tvungen luftafkoeling er at installere fløjter på toppen af transformatorrummet eller på boks vægpaneler for at blæse luft ud af boksen, røre cirkulationen af varme luft i rummet. Nogle gange placeres der også fløjter under transformator for at sende kold luft indad, hvilket resulterer i en relativt god afkølingseffekt.

4) Indre Fejlbu i Forfabrikerede Understationer