Analyse av klassifisering og utviklingstrender for høyspennings/lavspennings forhåndsmonterte transformasjonsstasjoner

1. Innledning

Høyspenning/lavspenning forhåndsmonterte understasjoner, ofte kjent som "forhåndsmonterte understasjoner", forkortes til "forhåndsmonterte understasjoner" eller "boksunderstasjoner". I Kina har de tidligere blitt referert til med ulike navn som "kombinerte understasjoner", "kombinerte transformatorer", "fabrikkmonterte kompakte understasjoner", "bokstype høyspenningsmottak enheter" og "forhåndsmonterte kompakte understasjoner". I november 1995 ga Internasjonalt Elektroteknisk Komite (IEC) dem offisielt navnet "høyspenning/lavspenning forhåndsmonterte understasjoner" i standarden IEC 1330. Den nåværende standarden GB/T 17467—2020 Høyspenning/Lavspenning Forhåndsmonterte Understasjoner bruker også termen "høyspenning/lavspenning forhåndsmonterte understasjoner", som vil bli referert til som "forhåndsmonterte understasjoner" i følgende tekst.

De viktigste karakteristikkene ved forhåndsmonterte understasjoner er som følger:

• Produktets design og produksjon fullføres i fabrikken.

• Verifisert gjennom typetester som spesifisert i standarden GB/T 17467.

• Valideret gjennom fabrikktester.

Dens grunnleggende sammensetning består av tre funksjonelle enheter, nemlig transformatorrommet, høyspenningsswitchrommet og lavspenningsswitchrommet. De nøkkelkomponentene som monteres inni (i standarden defineres transformatorer, høyspenningsswitchgear, lavspenningsswitchgear osv. som nøkkelkomponenter) er verifisert som kvalifiserte gjennom både typetester og fabrikktester. Disse komponentene kobles sammen etter behov og monteres inni en felles kasse eller boks for å danne et forhåndsmontert understasjonprodukt. Den typiske løsningen verifiseres gjennom typetester i henhold til kravene i GB/T 17467, og leveres til brukerne for installasjon og bruk etter at den har bestått fabrikktester. Dette representerer den grunnleggende strukturelle formen for en typisk forhåndsmontert understasjon.

I praktiske anvendelser integreres automatiseringseenheter, kommunikasjonsenheter, videovervakningssystemer, kontrollstrømsystemer, brandskyttesystemer osv. i forhåndsmonterte understasjoner, og blir viktige komponenter eller tillegg for å oppfylle funksjonelle krav til forhåndsmonterte understasjoner under ulike arbeidsforhold.

De viktigste fordeler med forhåndsmonterte understasjoner inkluderer høy integrasjon, liten arealbruk, kort byggetid, fleksibel lokalitet, sterk miljøtilpasning, enkel installasjon og bruk, sikker og pålitelig drift, lav investering og rask effekt.

I løpet av de siste årene har forhåndsmonterte understasjoner sett rask utvikling og bred anvendelse i nye energiproduksjon og energilagring felt som vindkraft og solenergi, som muliggjør overføring eller utveksling av elektrisk energi.

Anvendelsesscenarier for forhåndsmonterte understasjoner: I distribusjonsnettverket realiserer forhåndsmonterte understasjoner distribusjon av elektrisk energi gjennom spenningssenkning for å oppfylle sluttkundenes behov; i kraftproduksjonssystemet realiserer de overføring av elektrisk energi fra produktionsiden til nettet gjennom spenningsopphøyelse og nettkobling.

Den nominelle kapasiteten og spenningsnivået på transformatorer installert i forhåndsmonterte understasjoner er viktige indikatorer for å måle understasjonens størrelse og konfigurasjon. Generelt, for forhåndsmonterte understasjoner med en transformerkapasitet på omtrent 10 000 kV·A og et spenningsnivå på 40,5 kV og nedover, assemblers transformator og switchgear eller annet utstyr til en helhet, eller transporteres til stedet i separate moduler og monteres deretter til en helhet.

Når transformatorkapasiteten overstiger 31 500 kV·A, installeres støtte switchgear og andre hjelpemidler inne i boksen til forhåndsmonterte understasjoner, mens hovedtransformatorer installeres utendørs. Det er to eller flere hovedtransformatorer, som til slutt kobles sammen for å danne en komplett understasjon, slik at overføring eller utveksling av elektrisk energi kan skje.Denne artikkelen klassifiserer forhåndsmonterte understasjoner fra perspektiver som bransjens utviklingsretning eller produktets hovedkarakteristika, og analyserer deres utviklingstrekk innen understasjonsfeltet.

2. Konvensjonelle Klassifiseringsmetoder for Forhåndsmonterte Understasjoner

I praktiske anvendelser varierer forhåndsmonterte understasjoner betydelig med hensyn til den nominelle kapasiteten og strukturelle egenskaper til transformator, det nominelle spenningsnivået, nøkkelkomponenter, materialer og strukturelle former for boksen, anvendelsesscenarier, og hovedformål. I tillegg, på grunn av forskjeller i anvendelsesområder, differerer bransjestandarder og produktverifikasjonsmetoder også. Følgende klassifiserer forhåndsmonterte understasjoner fra ulike dimensjoner eller basert på deres hovedegenskaper.

1) Klassifisering etter det nominelle spenningsnivået på høyspenningsiden

Forhåndsmonterte understasjoner klassifiseres etter det nominelle spenningsnivået på høyspenningsiden i: høyspenning forhåndsmonterte understasjoner, mellomspenning forhåndsmonterte understasjoner, og lavspenning forhåndsmonterte understasjoner. Det nominelle spenning på høyspenningsiden av høyspenning forhåndsmonterte understasjoner er 110 kV og over, det av mellomspenning forhåndsmonterte understasjoner ligger mellom 3,6 til 40,5 kV, og det av lavspenning forhåndsmonterte understasjoner er 1,14 kV og under.

Høyspenning forhåndsmonterte understasjoner installeres generelt nær sentrum av elektrisk belastning. De bruker ofte en kombinasjon av modulær produksjon og lokalkonstruksjon. De har høyt spenningsnivå på høyspenningsiden av transformator, stor enhetskapasitet, og relativt mange primære og sekundære støtteutstyr.

Mellomspenning forhåndsmonterte understasjoner brukes typisk i kraftproduksjonssystemer, ved terminaler i distribusjonsnettverket, eller i midlertidige strømforsyningssituasjoner. Deres konfigurasjon er relativt enkel, transformatorkapasiteten er relativt liten, og produksjonsprosessen er relativt enkel.Lavspenning forhåndsmonterte understasjoner installerer generelt sekundære kontroleenheter, hjelpemidler, eller lavspenningsswitchgear inne for å oppfylle spesifikke funksjonelle krav.

2) Klassifisering etter bruksområde eller installasjonsmiljø

De klassifiseres i inndørs forhåndsmonterte understasjoner og utendørs forhåndsmonterte understasjoner etter bruksområde eller installasjonsmiljø. De vanligvis nevnte forhåndsmonterte understasjonene refererer generelt til utendørstypen. I tillegg, i noen fabrikker, bygg, eller ved siden av inndørs elektrisk utstyr med relativt lite strømmengde, er de støttende forhåndsmonterte understasjonene inndørs forhåndsmonterte understasjoner. Deres bruksområde eller beskyttelsesnivå er bedre enn det av utendørs forhåndsmonterte understasjoner, og produktet selv har litt lavere krav til miljøbeskyttelse og sikkerhet.

3) Klassifisering etter produktinstallasjonsmetode

De klassifiseres i faste forhåndsmonterte understasjoner og mobile forhåndsmonterte understasjoner etter produktinstallasjonsmetoden. Generelt er forhåndsmonterte understasjoner fast installert på fundamentet, og deres installasjonsposisjon forblir uendret under bruk.

I noen anvendelsesscenarier, som gruve, oljefelt, byggesteder, og midlertidig vedlikeholdsstrømforsyningssituasjoner, endres ofte posisjonen til forhåndsmonterte understasjonen når konstruksjonen fremrykker. Det finnes to typer mobile forhåndsmonterte understasjoner: hjulet forhåndsmonterte understasjoner og skipstiltak forhåndsmonterte understasjoner. Når strømforsyningen til forhåndsmonterte understasjonen må flyttes, kan den trekkes og transporteres ved hjelp av en trailer eller en halvtrailer.

4) Klassifisering etter materiale brukt for boksproduksjon

Ifølge de ulike materialene som brukes i produksjonen av boksen til forhåndsmonterte understasjoner, kan de kategoriseres i stålskive type, ikke-metalltype, rustfritt stålskive type, aluminiumlegering type, farget stålkomposittskive type, Jinbang skive type, magnesiumplysjinkoblet skive type, containertype, etc. Hovedkarakteristikken er at materialene eller strukturelle former for boksene til forhåndsmonterte understasjoner varierer, noe som kan møte ulike behov hos brukere eller brukskrav.

5) Klassifisering etter boksutseende eller graden av match med miljøet

Ifølge spesielle krav til forhåndsmonterte understasjoner for omgivende bruksmiljø, kan de videre deles inn i ordinær type, landskaps type (for eksempel, boksflaten har stiler som imiterer kinesisk gammel arkitektur, europeisk arkitektur, kunstnerisk form, eller festet landskapsmalerier), etc. For eksempel, forhåndsmonterte understasjonen som brukes i en park har form som en paviljong eller et bygning som passer til parkmiljøet, og dens overflate er dekorert med landskapsmalerier eller ulike farger.

6) Klassifisering etter ulike installasjonsmetoder

Ifølge graden av kombinasjon mellom forhåndsmonterte understasjon og fundament, kan den deles inn i overgrunns forhåndsmonterte understasjoner, halvgrunns forhåndsmonterte understasjoner, og fullgrunns forhåndsmonterte understasjoner.En overgrunns forhåndsmontert understasjon installerer hele forhåndsmonterte understasjonen øverst på fundamentet. I en halvgrunns forhåndsmontert understasjon er høyspenningsswitchrommet og lavspenningsswitchrommet blant de tre grunnleggende funksjonsrommene plassert over fundamentet, mens transformatorrommet er plassert nedenfor og synker ned i fundamentet.

Det totale volumet av produktet er relativt lite. En fullgrunns forhåndsmontert understasjon betyr at hele produktet synker ned i fundamentet, med bare inspeksjonsmannhull eller ventilasjonsåpninger som er eksponert over fundamentet. Dette produktet er spesielt egnet for bysentrum eller tettbebygd kjernområde, reduserer visuell påvirkning av produktet på bruksmiljøet og forbedrer sikkerheten og påliteligheten av produktoperasjon.

7) Klassifisering etter ulike plasseringsmetoder for funksjonsrom

Ifølge de ulike plasseringene eller kombinasjonene av de tre grunnleggende funksjonsrommene (høyspenningrom, lavspenningrom, og transformatorrom) til forhåndsmonterte understasjoner, kan de videre deles inn i "øye"-formede forhåndsmonterte understasjoner, "pin"-formede forhåndsmonterte understasjoner, "H"-formede forhåndsmonterte understasjoner, "dumbbell"-formede forhåndsmonterte understasjoner, "felt"-formede forhåndsmonterte understasjoner, etc.

I en "øye"-formed forhåndsmontert understasjon er transformatorrommet plassert i midten, mens høyspenningrommet og lavspenningrommet er plassert på begge sider. Dens totale layout ligner på "kinesiske tegn" i kinesiske tegn. I en forhåndsmontert understasjon i form av en "nål", er de tre funksjonsrommene plassert sammen, lik formen på det kinesiske tegnet "".

I en "H"-type forhåndsmontert understasjon, er høyspenningrommet og lavspenningrommet laget til separate bokser, og de levende delene av væsketransformator er helt lukket og plassert mellom de to boksene. I tillegg, brukes nettbeskyttelse på begge sider av transformator for enkel beskyttelse og isolering, noe som forbedrer varmekondisjonene under transformatoroperasjon. I en forhåndsmontert understasjon i form av en "dumbbell", er det faktisk en sett høyspenningsswitchkabinett, to sett transformatorer og lavspenningsswitchkabinett.

Høyspenningrommet er plassert i midten av boksen, mens transformatorrommet og lavspenningrommet er henholdsvis på begge sider av transformatorrommet. Det totale layoutet av hvert funksjonsrom er i form av en "dumbbell". I en "felt"-formed forhåndsmontert understasjon, er lavspenningrommet delt inn i to uavhengige rom (lavspenningsswitchrom og automatiseringsrom). Sammen med høyspenningrommet og transformatorrommet, tar det totale layoutet formen av det kinesiske tegnet “Word”.

8) Klassifisering etter vanlige betegnelser

Ifølge de hovedkarakteristikkene og vanlige betegnelsene av produktet, deles forhåndsmonterte understasjoner inn i europeiske-stasjon, amerikanske-stasjon, og kinesiske-stasjon.

De nøkkelenheter (høyspenningsswitchgear, lavspenningsswitchgear, transformatorer) av forhåndsmonterte understasjoner er alle standardprodukter som er ferdigstilt etter typetest. Initalt ble de hovedsakelig introdusert fra europeiske land som Tyskland, kjent som "europeiske-stasjon". Deres hovedtrekk inkluderer tilkoblingen og kombinasjonen av nøkkelenheter, fleksible og foranderlige designløsninger, og relativt enkel kapasitetsutvidelse av transformator. For øyeblikket er de vidt anvendt både i distribusjonsnettverket og kraftproduksjonssystemer.

Ifølge standarden JB/T 10217, er en amerikansk-stasjon en forhåndsmontert understasjon der høyspenningsswitch er installert i transformatoroljetanken og transformatorolje brukes som isolasjon og bueløsningsmedium, mens lavspenningsswitch er installert i lavspenningboksen. For eksempel, den 10 kV økonomiske forhåndsmonterte understasjonen representert av den amerikanske Cooper Company, er kjent som en "amerikansk-stasjon".

Hovedtrekket ved en amerikansk-stasjon er at høyspenninglastswitch, transformatorkjernen, spole, etc. er dypdykket i samme oljetank, og transformatorolje brukes felles som isolasjon, bueløsning, og kjøling medium. Den bruker dobbeltfusebeskyttelse, og fusene har strøm og temperatur dobbeltfølsomme egenskaper, noe som betydelig forbedrer sensitiviteten og påliteligheten til transformatorbeskyttelse. Hovedfordelene med amerikanske-stasjon er liten størrelse, kompakt struktur, enkelhet, og økonomi.

Men deres ulemper er også tydelige, som hurtig nedgang i isolasjonsegenskapene til transformatoroljen, en enkel løsning, og lav fleksibilitet. Buene generert av åpning og lukking av høyspenningsswitch vil forårsake forverring av transformatoroljekvaliteten. For øyeblikket brukes 10 kV amerikanske-stasjon sjeldent i distribusjonsnettverket og er klassifisert som produkter som fases ut eller begrenses.

Etter modifisering og oppgradering, har 10 kV amerikanske-stasjon økt spenningsnivået til 35 kV og brukes i nye energiproduksjonssystemer. På grunn av sin kompakte struktur, liten fotavtrykk, og lav produksjonskostnad, blir de mer og mer promotert og brukt.

I løpet av de siste årene, har forhåndsmonterte understasjoner som brukes i nye energisystemer som vindkraft og solenergi, hovedsakelig funksjonen å overføre elektrisk energi fra produktionsiden med et lavere spenningsnivå til en 35 kV høyspenning understasjon. Transformatorkapasiteten blir større og større. Hvis designet i form av "europeiske-stasjon", er transformator installert i transformatorrommet på en lukket måte, og det er vanskelig å spre den genererte varmen utenfor.

Ekstra utstyr som fluer eller varmesvekkere er nødvendig for å løse dette problemet. Derfor har en forhåndsmontert understasjon med en relativt kompakt struktur og en væsketransformator installert utenfor boksen dukket opp. Dens hovedtrekk er: transformator er installert utendørs, noe som løser problemer med trygghetsbeskyttelse og varmekjøling av transformator, og produksjonskostnaden er betydelig redusert. Den ser litt lik en "amerikansk-stasjon" i utseende, men den er i grunnen fortsatt en "europeisk-stasjon". Da den først dukket opp i bransjen, ble den navngitt som en "kompakt forhåndsmontert understasjon". Siden den først ble vellykket utviklet i Kina og brukt i reelle ingeniørprosjekter, er den vanlig kjent som en "kinesisk-stasjon" i bransjen. Men dens produkttrekk er mer i tråd med kravene i standarden GB/T 40823.

3. Utviklingstrekk for Forhåndsmonterte Understasjoner

Utviklingstrekkene for forhåndsmonterte understasjoner analyseres fra følgende ulike perspektiver.

1) Diversifisering av boksprodusert material og strukturelle former

Den mest intuitive og opplagte endringen er at strukturelle formene til boksene til forhåndsmonterte understasjoner viser en tendens til diversifisering, noe som kan observeres fra form, farge, og materiale til boksene. Boksen bør være i harmoni med det omkringliggende miljøet. For eksempel, europeiske-stasjon sanker generelt 1 m under bakken, og den overgrunnsdelen er ikke høyere enn 1,5 m, noe som hverken påvirker langdistanseutsikten eller forårsaker uhell hvis barn klatrer opp for å leke. Materialet som brukes er ikke-metallisk, som er miljøvennlig og lett koordinert med det omkringliggende miljøet.

Vanlige materialer for ytre skall inkluderer vanlige stålplasser, rustfritt stålplass, aluminiumlegering plass, og farget stålkompositt plass. For flere år siden, ble glasfiberforsterket sement plass, glasfiberforsterket plast plass, og ikke-metalliske materialer også brukt. I tillegg, kan det være flere materialer på samme boks. For eksempel, kan ytre side av en vanlig boks dekoreres med treplanker og glasierede flisplater, og varmekjølingsmaterialer som ekspanderbar polystyren (EPS), glasfiber, asbest, og aluminiumsilicatull brukes i mellomlaget av dobbeltskallstrukturen.

Med hensyn til korrosjonsbestandighet, brannbestandighet, og motstandsdyktighet mot feilbuer, er ikke-metalliske skallmaterialer markant bedre enn metalliske skallmaterialer. Noen forhåndsmonterte understasjoner bruker Jinbang-plater som skallmateriale, som er kjennetegnet ved å være miljøvennlig, lett, høy styrke, lydisolerende, varmekjølende, vannbestandig, brannbestandig, og korrosjonsbestandig.

2) Sterk fremme og bruk av SF6 gassisolerte switchgear

For forhåndsmonterte understasjoner med et spenningsnivå på 40,5 kV og nedover, bruker høyspenningssiden generelt circuitbrytere eller lastswitcher isolert av luft eller SF6-gass, og noen produkter bruker lastswitcher med transformatorolje som isolasjonsmedium.

I 12 kV forhåndsmonterte understasjoner, da transformatorkapasiteten generelt er under 1 250 kV·A, blir kombinerte elektriske apparater (lastswitch + fuse) eller lastswitcher stadig mer brukt. Når en circuitbryter brukes for å beskytte transformator, er tiden for å kutte av feillinjen litt lengre, noe som ikke er gunstig for beskyttelsen av nøkkelenheter (som transformator). Imidlertid kan fusen i kombinerte elektriske apparater kutte av feilstrømmen innen 20 ms.

Lastswitch-enhetene for 12 kV spenningsnivå inkluderer gassgenererende lastswitch-kabinett, vakuum circuitbryter switch-kabinett, vakuum lastswitch-kabinett, og SF6 gassisolert switchgear. For øyeblikket er SF6 gassisolert switchgear det mest anvendte i forhåndsmonterte understasjoner, og det har mer distinkte fordeler med hensyn til høyde, pålitelighet, sikkerhet, størrelse, og spesielle anvendelsesmiljøer.

3) Forbedring av transformatorprestanda og ventilasjon og varmekjøling

I 12 kV forhåndsmonterte understasjoner, inkluderer ofte brukte transformatorer væsketransformatorer og torrtransformatorer, og deres isolasjonsprestanda og tomstrøms- og belasted tapverdier er videre optimalisert. I høye bygninger, fra transformator til switchgear, kreves torrtransformatorer som ikke inneholder flammbare materialer og ikke lett forurenes av transformatorolje.