Analisis Klasifikasi dan Trend Pembangunan Substasiun Prafabrikasi Tegangan Tinggi/Rendah

1. Pengenalan

Substesen prefabrikasi tegangan tinggi/rendah, yang biasa dikenal sebagai "substesen prefabrikasi", disingkat sebagai "substesen prefab" atau "substesen kotak". Di China, mereka sebelumnya dikenal dengan berbagai nama seperti "substesen kombinasi", "transformer kombinasi", "substesen kompak pabrik-assembled", "unit penerimaan tenaga listrik tinggi-voltage kotak-type", dan "substesen prefabricated kompak". Pada November 1995, Komisi Elektroteknikal Internasional (IEC) secara resmi menamainya "substesen prefabricated tegangan tinggi/rendah" dalam standar IEC 1330. Standar saat ini GB/T 17467—2020 High-voltage/Low-voltage Prefabricated Substations juga mengadopsi istilah "substesen prefabricated tegangan tinggi/rendah", yang akan disebut sebagai "substesen prefabrikasi" untuk singkatnya dalam teks berikut.

Ciri-ciri utama substesen prefabrikasi adalah sebagai berikut:

• Perancangan dan pembuatan produk diselesaikan di dalam pabrik.

• Diverifikasi oleh uji tipe sesuai dengan standar GB/T 17467.

• Divalidasi melalui uji pabrik.

Komposisi dasarnya terdiri dari tiga unit fungsional, yaitu ruang transformer, ruang saklar tegangan tinggi, dan ruang saklar tegangan rendah. Komponen kunci yang dirakit di dalam (dalam standar, transformer, peralatan saklar tegangan tinggi, peralatan saklar tegangan rendah, dll. didefinisikan sebagai komponen kunci) telah diverifikasi memenuhi syarat melalui uji tipe dan uji pabrik. Komponen-komponen ini dihubungkan satu sama lain sesuai kebutuhan dan dirakit dalam perumahan atau kotak bersama untuk membentuk produk substesen prefabrikasi. Skema tipikal diverifikasi melalui uji tipe sesuai dengan persyaratan GB/T 17467, dan kemudian diserahkan kepada pengguna untuk dipasang dan digunakan setelah lulus uji pabrik. Ini mewakili bentuk struktural dasar substesen prefabrikasi tipikal.

Dalam aplikasi praktis, perangkat otomatis, unit komunikasi, sistem pemantauan video, sistem sumber daya kontrol, sistem pemadam kebakaran, dll. diintegrasikan ke dalam substesen prefabrikasi, menjadi komponen atau pelengkap penting untuk memenuhi persyaratan fungsional substesen prefabrikasi di bawah kondisi kerja yang berbeda.

Keuntungan utama substesen prefabrikasi termasuk integrasi tinggi, luas tanah kecil, periode konstruksi pendek, seleksi lokasi yang fleksibel, adaptabilitas lingkungan yang kuat, pemasangan dan penggunaan yang mudah, operasi yang aman dan dapat diandalkan, investasi rendah, dan hasil cepat.

Dalam beberapa tahun terakhir, substesen prefabrikasi telah mengalami perkembangan pesat dan penerapan luas di bidang pembangkit listrik energi baru dan penyimpanan energi seperti pembangkit listrik angin dan fotovoltaik, memungkinkan transmisi atau pertukaran energi listrik.

Skenario aplikasi substesen prefabrikasi: Dalam jaringan distribusi, substesen prefabrikasi mencapai distribusi energi listrik melalui penurunan tegangan untuk memenuhi persyaratan pengguna akhir; dalam sistem pembangkitan, mereka mewujudkan transmisi energi listrik dari sisi pembangkitan ke jaringan melalui peningkatan tegangan dan penghubungan ke jaringan.

Kapasitas nominal dan tingkat tegangan transformer yang dipasang dalam substesen prefabrikasi adalah indikator penting untuk mengukur skala dan konfigurasi substesen. Secara umum, untuk substesen prefabrikasi dengan kapasitas nominal transformer sekitar 10.000 kV·A dan tingkat tegangan 40.5 kV dan di bawah, transformer dan peralatan saklar atau peralatan lainnya dirakit menjadi satu kesatuan, atau dibawa ke situs dalam modul terpisah dan kemudian dirakit menjadi satu kesatuan.

Ketika kapasitas transformer melebihi 31.500 kV·A, peralatan saklar pendukung dan peralatan bantu lainnya dipasang dalam kotak substesen prefabrikasi, sementara transformer utama dipasang di luar ruangan. Ada dua atau lebih transformer utama, yang akhirnya dihubungkan untuk membentuk substesen lengkap, sehingga memungkinkan transmisi atau pertukaran energi listrik.Artikel ini mengklasifikasikan substesen prefabrikasi dari aspek arah pengembangan industri atau ciri-ciri utama produk, dan menganalisis tren pengembangannya dalam bidang substesen.

2. Metode Klasifikasi Konvensional Substesen Prefabrikasi

Dalam aplikasi praktis, substesen prefabrikasi sangat bervariasi dalam hal kapasitas nominal dan karakteristik struktural transformer, tingkat tegangan nominal, komponen kunci, material dan bentuk struktur kotak, skenario aplikasi, dan tujuan utama. Selain itu, karena perbedaan di bidang aplikasi, standar industri dan metode verifikasi produk juga berbeda. Berikut ini mengklasifikasikan substesen prefabrikasi dari dimensi yang berbeda atau berdasarkan ciri-ciri utamanya.

1) Klasifikasi berdasarkan Tingkat Tegangan Nominal pada Sisi Tegangan Tinggi

Substesen prefabrikasi diklasifikasikan berdasarkan tingkat tegangan nominal pada sisi tegangan tinggi menjadi: substesen prefabrikasi tegangan tinggi, substesen prefabrikasi tegangan menengah, dan substesen prefabrikasi tegangan rendah. Tegangan nominal pada sisi tegangan tinggi substesen prefabrikasi tegangan tinggi adalah 110 kV dan di atas, untuk substesen prefabrikasi tegangan menengah berkisar antara 3.6 hingga 40.5 kV, dan untuk substesen prefabrikasi tegangan rendah adalah 1.14 kV dan di bawah.

Substesen prefabrikasi tegangan tinggi umumnya dipasang dekat pusat beban listrik. Mereka sering menggunakan mode konstruksi substesen yang menggabungkan manufaktur modular dengan konstruksi di tempat. Mereka memiliki tingkat tegangan tinggi pada sisi tegangan tinggi transformer, kapasitas tunggal yang besar, dan jumlah peralatan pendukung primer dan sekunder yang relatif banyak.

Substesen prefabrikasi tegangan menengah biasanya digunakan dalam sistem pembangkitan listrik, di terminal jaringan distribusi, atau dalam skenario pasokan listrik sementara. Konfigurasinya relatif sederhana, kapasitas transformer relatif kecil, dan proses manufaktur relatif mudah.Substesen prefabrikasi tegangan rendah umumnya memasang peralatan kontrol sekunder, peralatan bantu, atau peralatan saklar tegangan rendah di dalamnya untuk memenuhi persyaratan fungsional tertentu.

2) Klasifikasi berdasarkan Lingkungan Penggunaan atau Pemasangan

Mereka diklasifikasikan menjadi substesen prefabrikasi indoor dan outdoor berdasarkan lingkungan penggunaan atau pemasangan. Substesen prefabrikasi yang biasa disebutkan umumnya merujuk pada jenis outdoor. Selain itu, di beberapa pabrik, bangunan, atau di samping peralatan listrik indoor dengan beban daya yang relatif kecil, substesen prefabrikasi pendukung adalah substesen prefabrikasi indoor. Lingkungan penggunaan atau tingkat perlindungannya relatif lebih baik daripada substesen prefabrikasi outdoor, dan produk itu sendiri memiliki persyaratan sedikit lebih rendah untuk perlindungan lingkungan dan keselamatan.

3) Klasifikasi berdasarkan Metode Pemasangan Produk

Mereka diklasifikasikan menjadi substesen prefabrikasi tetap dan mobil berdasarkan metode pemasangan produk. Secara umum, substesen prefabrikasi dipasang secara tetap di fondasi, dan posisi pemasangannya tetap selama penggunaan.

Dalam beberapa skenario aplikasi, seperti tambang, ladang minyak, area konstruksi, dan skenario pasokan listrik sementara untuk perbaikan, seiring kemajuan konstruksi, lokasi substesen prefabrikasi sering perlu diubah. Ada dua jenis substesen prefabrikasi mobil: substesen prefabrikasi beroda dan substesen prefabrikasi berbasis pelat. Ketika posisi pasokan listrik substesen prefabrikasi perlu dipindahkan, dapat ditransportasikan menggunakan trailer atau semi-trailer.

4) Klasifikasi berdasarkan Bahan yang Digunakan untuk Pembuatan Kotak

Berdasarkan bahan yang berbeda yang digunakan dalam pembuatan kotak substesen prefabrikasi, mereka dapat dikategorikan menjadi tipe plat baja, non-logam, tipe plat stainless steel, tipe plat aluminium, tipe plat komposit warna baja, tipe plat Jinbang, tipe plat dilapisi magnesium-aluminium-seng, tipe kontainer, dll. Ciri utamanya adalah bahan atau bentuk struktur kotak substesen prefabrikasi bervariasi, yang dapat memenuhi kebutuhan atau persyaratan penggunaan yang berbeda.

5) Klasifikasi berdasarkan Penampilan Kotak atau Derajat Kesesuaian dengan Lingkungan

Berdasarkan persyaratan khusus substesen prefabrikasi untuk lingkungan penggunaan sekitarnya, mereka dapat lebih lanjut dibagi menjadi tipe biasa, tipe lanskap (misalnya, permukaan kotak memiliki gaya meniru arsitektur kuno Cina, arsitektur Eropa, pembentukan artistik, atau lukisan lanskap yang dilekatkan), dll. Misalnya, substesen prefabrikasi yang digunakan di taman memiliki bentuk gazebo atau bangunan yang cocok dengan lingkungan taman, dan permukaannya dihias dengan lukisan lanskap atau nada warna yang berbeda.

6) Klasifikasi berdasarkan Metode Pemasangan yang Berbeda

Berdasarkan derajat kombinasi antara substesen prefabrikasi dan fondasi, dapat dibagi menjadi substesen prefabrikasi di atas tanah, substesen prefabrikasi setengah terbenam, dan substesen prefabrikasi sepenuhnya terbenam.Substesen prefabrikasi di atas tanah memasang seluruh substesen prefabrikasi di atas fondasi. Dalam substesen prefabrikasi setengah terbenam, ruang saklar tegangan tinggi dan ruang saklar tegangan rendah di antara tiga ruang fungsional dasar berada di atas fondasi, sementara ruang transformer berada di bawah dan tenggelam ke dalam fondasi.

Volume produk secara keseluruhan relatif kecil. Substesen prefabrikasi sepenuhnya terbenam berarti bahwa seluruh produk tenggelam ke dalam fondasi, hanya lubang inspeksi atau lubang ventilasi yang terpapar di atas fondasi. Jenis produk ini sangat cocok untuk pusat kota atau daerah inti yang padat penduduk, mengurangi dampak visual produk terhadap lingkungan penggunaan dan meningkatkan keamanan dan keandalan operasi produk.

7) Klasifikasi berdasarkan Metode Penataan yang Berbeda dari Ruang Fungsional

Berdasarkan penataan atau kombinasi yang berbeda dari tiga ruang fungsional dasar (ruang tegangan tinggi, ruang tegangan rendah, dan ruang transformer) substesen prefabrikasi, mereka dapat lebih lanjut dibagi menjadi substesen prefabrikasi bentuk "mata", bentuk "pin", bentuk "H", bentuk "bel", bentuk "lapangan", dll.

Dalam substesen prefabrikasi bentuk "mata", ruang transformer ditempatkan di tengah, sementara ruang tegangan tinggi dan ruang tegangan rendah ditempatkan di kedua sisi. Tata letak keseluruhannya mirip dengan "karakter Cina" dalam bahasa Cina. Dalam substesen prefabrikasi bentuk "jarum", tiga ruang fungsional ditempatkan bersama-sama, mirip dengan bentuk karakter Cina "".

Dalam substesen prefabrikasi bentuk "H", ruang tegangan tinggi dan ruang tegangan rendah dibuat menjadi kotak terpisah, dan bagian hidup transformer imersi cairan sepenuhnya tertutup dan ditempatkan di antara kedua kotak. Selain itu, penghalang jaring diadopsi di kedua sisi transformer untuk perlindungan dan isolasi sederhana, yang meningkatkan kondisi pendinginan selama operasi transformer. Dalam substesen prefabrikasi bentuk "bel", sebenarnya ada satu set rakitan saklar tegangan tinggi, dua set transformer, dan rakitan saklar tegangan rendah.

Ruang tegangan tinggi berada di tengah kotak, sementara ruang transformer dan ruang tegangan rendah masing-masing di kedua sisi ruang transformer. Tata letak keseluruhan setiap ruang fungsional berbentuk "bel". Dalam substesen prefabrikasi bentuk "lapangan", ruang tegangan rendah dibagi menjadi dua kompartemen independen (ruang saklar tegangan rendah dan ruang otomasi). Bersama dengan ruang tegangan tinggi dan ruang transformer, tata letak keseluruhan mengambil bentuk karakter Cina “Word”.

8) Klasifikasi berdasarkan Nama Biasa

Berdasarkan ciri-ciri utama dan nama biasa produk, substesen prefabrikasi dibagi menjadi substesen gaya Eropa, substesen gaya Amerika, dan substesen gaya Cina.

Unit kunci (peralatan saklar tegangan tinggi, peralatan saklar tegangan rendah, transformer) substesen prefabrikasi semuanya merupakan produk standar yang telah difinalisasi setelah uji tipe. Awalnya, mereka sebagian besar diperkenalkan dari negara-negara Eropa seperti Jerman, yang dikenal sebagai "substesen gaya Eropa". Ciri-ciri utamanya termasuk interkoneksi dan kombinasi komponen kunci, desain skema yang fleksibel dan dapat berubah, dan ekspansi kapasitas transformer yang relatif mudah. Saat ini, mereka digunakan secara luas baik dalam jaringan distribusi maupun sistem pembangkitan listrik.

Menurut standar JB/T 10217, substesen gaya Amerika adalah substesen prefabrikasi di mana saklar tegangan tinggi dipasang dalam tangki transformer dan minyak transformer digunakan sebagai media isolasi dan pemadam busur, sementara saklar tegangan rendah dipasang dalam kotak tegangan rendah. Misalnya, substesen prefabrikasi ekonomis 10 kV yang diwakili oleh Perusahaan Amerika Cooper dikenal sebagai "substesen gaya Amerika".

Ciri utama substesen gaya Amerika adalah saklar beban tegangan tinggi, inti transformer, kumparan, dll. direndam dalam tangki yang sama, dan minyak transformer digunakan bersama sebagai media isolasi, pemadam busur, dan pendingin. Menggunakan proteksi dual-fuse, dan fuse memiliki karakteristik sensitif terhadap arus dan suhu, yang sangat meningkatkan sensitivitas dan keandalan proteksi transformer. Keuntungan utama substesen gaya Amerika adalah ukuran kecil, struktur padat, sederhana, dan ekonomis.

Namun, kekurangannya juga jelas, seperti penurunan cepat kinerja isolasi minyak transformer, skema sederhana, dan fleksibilitas rendah. Busur yang dihasilkan oleh pembukaan dan penutupan saklar tegangan tinggi akan menyebabkan penurunan kualitas minyak transformer. Saat ini, substesen gaya Amerika 10 kV jarang digunakan dalam jaringan distribusi dan telah diklasifikasikan sebagai produk yang sedang dihapus atau dibatasi.

Setelah dimodifikasi dan ditingkatkan, substesen gaya Amerika 10 kV telah meningkatkan tingkat tegangan menjadi 35 kV dan diterapkan dalam sistem pembangkitan listrik energi baru. Karena strukturnya yang padat, lahan yang kecil, dan biaya manufaktur yang rendah, mereka semakin dipromosikan dan digunakan.

Dalam beberapa tahun terakhir, substesen prefabrikasi yang digunakan dalam sistem energi baru seperti pembangkit listrik angin dan fotovoltaik sebagian besar berfungsi untuk mentransmisikan energi listrik dari sisi pembangkitan dengan tingkat tegangan yang lebih rendah ke substesen tegangan tinggi 35 kV. Kapasitas transformer semakin besar. Jika didesain dalam bentuk "substesen gaya Eropa", transformer dipasang dalam ruang transformer secara tertutup, dan sulit untuk mendissipasikan panas yang dihasilkan ke luar.

Perlunya peralatan tambahan seperti kipas atau penukar panas untuk mengatasi masalah ini. Oleh karena itu, muncul substesen prefabrikasi dengan struktur yang relatif padat dan transformer imersi cairan yang dipasang di luar kotak. Ciri-ciri utamanya adalah: transformer dipasang di luar ruangan, yang menyelesaikan masalah perlindungan keamanan dan pendinginan transformer, dan biaya manufakturnya signifikan berkurang. Penampilannya agak mirip dengan "substesen gaya Amerika", tetapi esensinya masih termasuk "substesen gaya Eropa". Ketika pertama kali muncul di industri, ia dinamakan "substesen prefabrikasi kompak". Sejak pertama kali berhasil dikembangkan di Cina dan diterapkan dalam proyek-proyek teknik nyata, ia umumnya dikenal sebagai "substesen gaya Cina" dalam industri. Namun, ciri-ciri produknya lebih sesuai dengan persyaratan standar GB/T 40823.

3. Tren Pengembangan Substesen Prefabrikasi

Tren pengembangan substesen prefabrikasi dianalisis dari aspek yang berbeda berikut ini.

1) Diversifikasi Bahan dan Bentuk Struktur Pembuatan Kotak

Perubahan yang paling直观的变化是预制变电站箱体的结构形式呈现出多样化趋势，这可以从箱体的形状、颜色和材料上观察到。箱体应与周围环境协调。例如，欧式变电站通常下沉地下1米，地面上部分不超过1.5米，既不影响远距离视线，也不会造成儿童攀爬玩耍时的意外伤害。使用的材料是非金属的，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，同一箱体上可能有几种材料。例如，普通箱体外可能装饰有木板和琉璃瓦装饰板，双层结构夹层中使用了可发性聚苯乙烯（EPS）、玻璃纤维、石棉和硅酸铝棉等隔热材料。 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、防火和防腐蚀。 **2) SF6气体绝缘开关设备的大力推广和应用** 对于40.5 kV及以下电压等级的预制变电站，高压侧一般采用空气或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多。当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式负荷开关柜、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，在预制变电站中最常用的是SF6气体绝缘开关设备，它在海拔高度、可靠性、安全性、体积和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。 变压器通风散热的原则是：以自然通风为主，辅以强迫风冷。一种常见的强迫风冷方法是在变压器室顶部或箱壁板上安装风扇，将箱内的热空气吹出，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供冷风，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，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引起的有害影响来尽量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列入强制性试验项目，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，受到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。自动化程度较高的预制变电站通常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和先进的自动化系统进行良好的交互。智能预制变电站在一定程度上确保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和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。在行业中称为“预制舱”。实际上，它是大规模、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，形成了由逆变器、变压器和高压开关柜组成的预制变电站。实现了直流电转换为交流电。经过变压器升压后，由高压开关柜送至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. 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。它们在各行各业中的应用越来越广泛，从最初的10 kV电压等级终端用户应用扩展到35 kV（110 kV、2220 kV）电压等级的电力负荷中心。 因为它具备变电站的所有基本特性，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，成为输配电行业变电站的重要组成部分或补充。