Magas- és alacsonyfeszültségű előre gyártott átalakítók osztályzásának és fejlesztési trendjeinek elemzése

1. Bevezetés

A magas- és alacsonyfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások, amelyeket közismertebben "előre gyártott átalakítóállomásoknak" vagy "dobozos átalakítóállomásoknak" nevezünk, Kínában korábban számos különböző néven emlegették, mint például "kombinált átalakítóállomás", "kombinált transzformátor", "gyárban összeszerelt kompakt átalakítóállomás", "dobozos magasfeszültségű energiaválasztó egység" és "előre gyártott kompakt átalakítóállomás". 1995. novemberében az ENSZ Elektrotechnikai Bizottsága (IEC) hivatalosan elnevezte őket "magas- és alacsonyfeszültségű előre gyártott átalakítóállomásoknak" az IEC 1330 standardban. Az aktuális GB/T 17467—2020 Magas- és alacsonyfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások standard is ezt a terminológiát használja, amit a további szövegben röviden "előre gyártott átalakítóállomásoknak" fogunk hívni.

Az előre gyártott átalakítóállomások fő jellemzői a következők:

• A termék tervezése és gyártása a gyárban történik.

• A GB/T 17467 standardban meghatározott típuspróbák által igazoltak.

• Gyárpróbák által igazoltak.

Alapvető szerkezete három funkcionális egységből áll, nevezissen a transzformátorteremből, a magasfeszültségű kapcsolóteremből és az alacsonyfeszültségű kapcsolóteremből. A belül montált kulcsfontosságú alkotóelemek (a standardban a transzformátorok, a magas- és alacsonyfeszültségű kapcsolók stb. vannak meghatározva mint kulcsfontosságú alkotóelemek) a típus- és gyárpróbákon keresztül igazoltak minőségi megfelelőségük. Ezek az elemek a szükséges módon csatlakoztatva és egy közös doboz vagy tartalékban összeszerelve alkotják az előre gyártott átalakítóállomás terméket. A tipikus sémát a GB/T 17467 standard követelményeinek megfelelően típuspróbák által igazolják, majd a gyárpróbák sikeres letételét követően a felhasználóknak telepíthető és használható. Ez az előre gyártott átalakítóállomás tipikus alapvető szerkezeti formája.

Gyakorlati alkalmazásuk során az előre gyártott átalakítóállomásokba integrálják az automatizálási eszközöket, kommunikációs egységeket, videófigyelő rendszereket, irányítóenergia rendszereket, tűzvédelmi rendszereket stb., ezek pedig fontos alkotóelemei vagy kiegészítői az előre gyártott átalakítóállomások különböző munkakörülmények közötti funkcionális követelményeinek teljesítéséhez.

Az előre gyártott átalakítóállomások fő előnyei a magas integráció, a kis talajterhelés, a rövid építési idő, a rugalmas helyzetválasztás, a nagy környezetalaptest, a kényelmes telepítés és használat, a biztonságos és megbízható működés, a kis befektetés és a gyors eredmények.

Az utóbbi években az előre gyártott átalakítóállomások gyors fejlődést és széles körű alkalmazást tapasztaltak a szél- és napelemparkok, valamint az energia tárolás területén, lehetővé téve az elektromos energia továbbítását vagy cseréjét.

Az előre gyártott átalakítóállomások alkalmazási területei: A hálózatban az előre gyártott átalakítóállomások az elektromos energia elosztását valósítják meg feszültség-csökkentéssel, hogy a végfelhasználói követelményeknek megfeleljenek; az energia-termelési rendszerekben azonban az elektromos energia továbbítását valósítják meg a termelő oldalról a hálózatra feszültség-emeléssel és hálózatba csatlakozással.

Az előre gyártott átalakítóállomásokban telepített transzformátorok beállított teljesítménye és feszültségszintje fontos mutatók az átalakítóállomás mérete és konfigurációja méréséhez. Általánosságban, azoknál az előre gyártott átalakítóállomásoknál, ahol a transzformátor beállított teljesítménye körülbelül 10 000 kV·A, és a feszültségszint 40,5 kV és annál alacsonyabb, a transzformátor és a kapcsolóegyüttesek vagy más eszközök egységgé vannak összeszerelve, vagy modulárisan szállítják a helyszínre, majd ott összeszerelik egységgé.

Amikor a transzformátor teljesítménye meghaladja a 31 500 kV·A-t, a támogató kapcsolóegyüttesek és más segédberendezések az előre gyártott átalakítóállomás dobozán belül vannak telepítve, míg a főtranszformátorok a kinti térben vannak telepítve. Van két vagy több főtranszformátor, amelyek végül összekapcsolódva alkotnak egy teljes átalakítóállomást, így lehetővé téve az elektromos energia továbbítását vagy cseréjét.Ez a cikk az iparfejlesztési irányokat vagy a termék fő jellemzőit figyelembe véve osztályozza az előre gyártott átalakítóállomásokat, és elemzi fejlesztési trendjeiket az átalakítóállomás területén.

2. Az előre gyártott átalakítóállomások hagyományos osztályozási módjai

A gyakorlati alkalmazásokban az előre gyártott átalakítóállomások jelentősen eltérőek a transzformátor beállított teljesítménye és szerkezeti jellemzői, a beállított feszültségszint, a kulcsfontosságú alkotóelemek, a doboz anyaga és szerkezeti formája, az alkalmazási területek és a fő célok tekintetében. Továbbá, a különböző alkalmazási területek miatt, az ipari normák és a termékigazolási módok is eltérőek. A következőkben különböző dimenziókból vagy fő jellemzőik alapján osztályozzuk az előre gyártott átalakítóállomásokat.

1) Osztályozás a magasfeszültségű oldalon lévő beállított feszültségszint alapján

Az előre gyártott átalakítóállomásokat a magasfeszültségű oldalon lévő beállított feszültségszint alapján osztályozzák a következőkre: magasfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások, középfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások és alacsonyfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások. A magasfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások magasfeszültségű oldalán a beállított feszültség 110 kV és annál magasabb, a középfeszültségű előre gyártott átalakítóállomásoknál 3,6 és 40,5 kV között van, míg az alacsonyfeszültségű előre gyártott átalakítóállomásoknál 1,14 kV és annál alacsonyabb.

A magasfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások általában a villamos terhelés központjához közeli helyen vannak telepítve. Gyakran moduláris gyártás és helyszíni építés kombinált módszerrel jönnek létre. Magas feszültségszinttel, nagy egységkapacitással és viszonylag sok első- és másodlagos támogató berendezéssel rendelkeznek a transzformátor magasfeszültségű oldalán.

A középfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások általában a termelési rendszerekben, a hálózat végpontjain, vagy ideiglenes energiaellátási helyzetekben használatosak. Sémáik konfigurációja relatíve egyszerű, a transzformátor kapacitása viszonylag kicsi, és a gyártási folyamat is relatíve egyszerű.Az alacsonyfeszültségű előre gyártott átalakítóállomások általában a másodlagos irányítási berendezések, segédberendezések vagy alacsonyfeszültségű kapcsolóegyüttesek belső telepítésével teljesítenek specifikus funkcionális követelményeket.

2) Osztályozás a használat vagy telepítési környezet alapján

A használat vagy telepítési környezet alapján belső és külső előre gyártott átalakítóállomásokra osztályozzák őket. A gyakran említett előre gyártott átalakítóállomások általában a külső típusra utalnak. Továbbá, néhány gyár, épület, vagy a belső elektrikus berendezések mellett, ahol a teljesítményterhelés viszonylag kicsi, a támogató előre gyártott átalakítóállomások belső előre gyártott átalakítóállomások. Használati környezetük vagy védelmi szintük jobb, mint a külső előre gyártott átalakítóállomásoknál, és a termék maga kevésbé igényel környezetvédelmi és biztonsági követelményeket.

3) Osztályozás a termék telepítési módja alapján

A termék telepítési módja alapján rögzített és mobil előre gyártott átalakítóállomásokra osztályozzák őket. Általánosságban, az előre gyártott átalakítóállomások rögzítve vannak a talajon, és a telepítési pozíciójuk nem változik a használat során.

Néhány alkalmazási helyzetben, mint például bányákban, olajmezőkön, építkezési helyeken, vagy ideiglenes karbantartási energiaellátási helyzetekben, a gyakorlati előrehaladás során az előre gyártott átalakítóállomás helyzetét gyakran változtatják. Két típusú mobil előre gyártott átalakítóállomás létezik: kerékpáros előre gyártott átalakítóállomások és szkenneres előre gyártott átalakítóállomások. Amikor az előre gyártott átalakítóállomás energiaellátási pozícióját kell áthelyezni, a járművekkel szállíthatók és szállítandók.

4) Osztályozás a doboz gyártásához használt anyag alapján

Az előre gyártott átalakítóállomások dobozának gyártásához használt különböző anyagok alapján osztályozzák őket acéldobozos, nem-fémek,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。其主要特点是预制变电站的箱体材料或结构形式不同，可以满足用户的不同需求或使用要求。

5) 根据箱体外观或与环境的匹配程度分类

根据对周围使用环境的特殊要求，可以进一步分为普通型、景观型（例如箱体表面有仿中国古建筑风格、欧洲建筑风格、艺术造型或贴有风景画）等。例如，用于公园的预制变电站具有与公园环境相匹配的亭子或建筑物形状，其表面装饰有风景画或不同的色调。

6) 根据不同的安装方式分类

根据预制变电站与基础的结合程度，可以分为地上式预制变电站、半埋式预制变电站和全埋式预制变电站。地上式预制变电站将整个预制变电站安装在基础上方。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。产品的总体积相对较小。全埋式预制变电站意味着整个产品沉入基础中，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用于城市中心或人口密集的核心区域，减少产品对使用环境的视觉影响，并提高产品的运行安全性和可靠性。

7) 根据功能室的不同排列方式进行分类

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，可以进一步分为“目”字形预制变电站、“品”字形预制变电站、“H”型预制变电站、“哑铃”型预制变电站、“田”字形预制变电站等。

在“目”字形预制变电站中，变压器室布置在中间，高压室和低压室布置在两侧。其整体布局类似于汉字中的“目”。在“品”字形预制变电站中，三个功能室一起布置，类似于汉字中的“品”。

在“H”型预制变电站中，高压室和低压室分别制成独立的箱体，油浸式变压器的带电部分完全封闭并放置在两个箱体之间。此外，在变压器两侧采用网状屏蔽进行简单保护和隔离，改善了变压器运行时的散热条件。在“哑铃”型预制变电站中，实际上有一组高压开关柜、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两侧。各功能室的整体布局呈“哑铃”形。在“田”字形预制变电站中，低压室被分成两个独立的隔间（低压开关室和自动化室）。与高压室和变压器室一起，整体布局呈现出汉字“田”的形状。

8) 根据习惯称呼分类

根据产品的主特征和习惯称呼，预制变电站被分为欧式变电站、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。最初它们主要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和组合，设计方案灵活多变，变压器容量扩展相对方便。目前广泛应用于配电网和发电系统。

根据JB/T 10217标准，美式变电站是一种将高压开关安装在变压器油箱内，并用变压器油作为绝缘和灭弧介质，而低压开关安装在低压箱内的预制变电站。例如，以美国库珀公司为代表的10 kV经济型预制变电站通常被称为“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中，变压器油共同作为绝缘、灭弧和冷却介质。采用双熔丝保护，熔丝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、灵活性低。高压开关分合产生的电弧会导致变压器油质量恶化。目前，10 kV美式变电站在配电网中很少使用，已被列为淘汰或限制使用的产品。

经过改造升级后，10 kV美式变电站将电压等级提高到35 kV，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，正被越来越多地推广和使用。

近年来，用于风电、光伏发电等新能源系统的预制变电站主要功能是将发电侧较低电压等级的电能传输到35 kV高压变电站。变压器容量越来越大，如果设计成“欧式变电站”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，出现了一种结构较为紧凑、油浸式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。它在外观上有些类似于“美式变电站”，但实际上仍属于“欧式变电站”。当它首次出现在行业内时，被命名为“紧凑型预制变电站”。由于它在中国首次成功研发并应用于实际工程项目，行业内通常称之为“中式变电站”。然而，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多样化趋势，这可以从箱体的形状、颜色和材料上看出来。箱体应与周围环境和谐。例如，欧式变电站一般下沉地下1米，地面部分不超过1.5米，既不影响远距离视野，也不容易造成儿童攀爬玩耍时的意外伤害。使用的材料是非金属材料，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。几年前也开始使用玻璃纤维增强水泥板、玻璃纤维增强塑料板和非金属材料。此外，同一个箱体上可能有几种材料。例如，普通箱体外面可能会装饰木板和釉面瓷砖装饰板，双层结构的夹层中会使用膨胀聚苯乙烯（EPS）、玻璃纤维、石棉和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、防火和防腐。

2) SF6气体绝缘开关设备的大力推广应用

对于40.5 kV及以下电压等级的预制变电站，高压侧一般使用空气或SF6气体绝缘的断路器或负荷开关，有些产品使用变压器油作为绝缘介质的负荷开关。

在12 kV预制变电站中，由于变压器容量一般低于1,250 kV·A，组合电器（负荷开关+熔断器）或负荷开关的应用越来越广泛。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。

12 kV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最常用，它在海拔高度、可靠性、安全性、尺寸和特殊应用环境等方面具有更明显的优势。

3) 变压器性能和通风散热的改进

在12 kV预制变电站中，常用的变压器包括油浸式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，要求使用不含易燃材料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：主要依靠自然通风，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，将箱内的热空气吹出，搅动室内热空气的循环。有时也会在变压器下方放置风扇，向内输送冷空气，从而获得较好的散热效果。

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，采取的措施可分为两类：主动措施和被动措施。主动措施主要是为了限制故障电弧的持续时间，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不属于强制性试验项目，但它被视为“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极大关注。因此，烧弧试验项目在预制变电站的型式试验和质量抽检中逐渐得到大力推广。

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。行业内通常将自动化程度高的预制变电站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可以在内部共享这些信息，还能与电网中更复杂和先进的自动化系统进行良好的交互。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

当预制变电站在电网负荷中心应用时，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。它具有预制功能单元并通过模块组装建设变电站的特点，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。行业内称为“预制舱”。实际上，它是一种大规模、模块化组合、现场安装的预制变电站。

7) “一体化逆变器”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，通过高压开关柜送至40.5 kV开关站，再通过35/110 kV或35/220 kV电压等级的主变压器送至电网，或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.