Анализ классификации и тенденций развития высоковольтных/низковольтных сборных подстанций
1. Введение
Высоковольтные/низковольтные сборные подстанции, обычно называемые "сборными подстанциями", сокращенно именуются "сборными подстанциями" или "боксовыми подстанциями". В Китае они ранее назывались различными терминами, такими как "комбинированные подстанции", "комбинированные трансформаторы", "заводские компактные подстанции", "боксовые высоковольтные приемные устройства" и "сборные компактные подстанции". В ноябре 1995 года Международная электротехническая комиссия (МЭК) официально назвала их "высоковольтные/низковольтные сборные подстанции" в стандарте МЭК 1330. Текущий стандарт GB/T 17467-2020 "Высоковольтные/низковольтные сборные подстанции" также использует термин "высоковольтные/низковольтные сборные подстанции", который далее будет называться "сборными подстанциями" для краткости.
Основные характеристики сборных подстанций следующие:
Проектирование и производство продукции завершены на заводе.
Проверены типовыми испытаниями, как указано в стандарте GB/T 17467.
Подтверждены заводскими испытаниями.
Их основное составляющее состоит из трех функциональных блоков, а именно: помещения трансформатора, высоковольтного коммутационного помещения и низковольтного коммутационного помещения. Основные компоненты, собранные внутри (в стандарте трансформаторы, высоковольтное коммутационное оборудование, низковольтное коммутационное оборудование и т.д. определены как ключевые компоненты), были проверены и признаны годными через типовые и заводские испытания. Эти компоненты соединяются друг с другом по требованию и собираются в общей оболочке или боксе, образуя продукт сборной подстанции. Типовая схема проверена типовыми испытаниями в соответствии с требованиями GB/T 17467, после чего она передается пользователям для установки и использования после прохождения заводских испытаний. Это представляет собой основную структурную форму типовой сборной подстанции.
В практических применениях в сборные подстанции интегрируются автоматические устройства, модули связи, системы видеонаблюдения, системы питания управления, системы пожаротушения и т.д., становясь важными компонентами или дополнениями, чтобы удовлетворить функциональные требования сборных подстанций в различных условиях работы.
Основные преимущества сборных подстанций включают высокую степень интеграции, малый размер площади, короткий срок строительства, гибкий выбор места, высокую адаптивность к окружающей среде, удобство установки и использования, безопасную и надежную эксплуатацию, низкие инвестиции и быстрые результаты.
В последние годы сборные подстанции быстро развиваются и широко применяются в новых энергетических системах, таких как ветровая и фотоэлектрическая генерация, обеспечивая передачу или обмен электроэнергией.
Сценарии применения сборных подстанций: в распределительной сети сборные подстанции обеспечивают распределение электроэнергии путем снижения напряжения, чтобы удовлетворить требования конечных пользователей; в системах генерации электроэнергии они реализуют передачу электроэнергии от генерирующей стороны к сети через повышение напряжения и подключение к сети.
Номинальная мощность и класс напряжения трансформатора, установленного в сборных подстанциях, являются важными показателями для оценки масштаба и конфигурации подстанции. Обычно для сборных подстанций с номинальной мощностью трансформатора около 10 000 кВ·А и классом напряжения 40,5 кВ и ниже, трансформатор и коммутационное оборудование или другие устройства собираются в единое целое, либо доставляются на место в отдельных модулях, а затем собираются в единое целое.
Когда мощность трансформатора превышает 31 500 кВ·А, поддерживающее коммутационное оборудование и другие вспомогательные устройства устанавливаются в боксе сборной подстанции, в то время как основные трансформаторы устанавливаются на открытом воздухе. Имеется два или более основных трансформатора, которые в конечном итоге соединяются, образуя полную подстанцию, что позволяет осуществлять передачу или обмен электроэнергией. Данная статья классифицирует сборные подстанции с точки зрения направления развития отрасли или основных характеристик продукта и анализирует их тенденции развития в области подстанций.
2. Традиционные методы классификации сборных подстанций
На практике сборные подстанции значительно отличаются по номинальной мощности и конструктивным характеристикам трансформатора, номинальному классу напряжения, ключевым компонентам, материалу и конструктивной форме бокса, сценариям применения и основным целям. Кроме того, из-за различий в областях применения, отраслевых стандартах и методах проверки продукции также различаются. Ниже приведена классификация сборных подстанций с разных точек зрения или на основе их основных характеристик.
1) Классификация по номинальному классу напряжения на высоковольтной стороне
Сборные подстанции классифицируются по номинальному классу напряжения на высоковольтной стороне на: высоковольтные сборные подстанции, средневольтные сборные подстанции и низковольтные сборные подстанции. Номинальное напряжение на высоковольтной стороне высоковольтных сборных подстанций составляет 110 кВ и выше, средневольтных сборных подстанций — от 3,6 до 40,5 кВ, а низковольтных сборных подстанций — 1,14 кВ и ниже.
Высоковольтные сборные подстанции обычно устанавливаются близко к центру электрической нагрузки. Они часто используют метод строительства подстанции, сочетающий модульное производство с монтажом на месте. Они характеризуются высоким классом напряжения на высоковольтной стороне трансформатора, большой единичной мощностью и относительно большим количеством первичного и вторичного поддерживающего оборудования.
Средневольтные сборные подстанции обычно используются в системах генерации электроэнергии, на концах распределительной сети или в временных сценариях электроснабжения. Их схема конфигурации относительно проста, мощность трансформатора относительно мала, а процесс производства относительно прост. Низковольтные сборные подстанции обычно устанавливают вторичное контрольное оборудование, вспомогательное оборудование или низковольтное коммутационное оборудование внутри, чтобы выполнить конкретные функциональные требования.
2) Классификация по условиям использования или окружающей среде
Они классифицируются на внутренние сборные подстанции и внешние сборные подстанции в зависимости от условий использования или окружающей среды. Обычно упоминаемые сборные подстанции обычно относятся к внешнему типу. Кроме того, в некоторых заводах, зданиях или рядом с внутренним оборудованием с относительно небольшой мощностью нагрузки, поддерживающие сборные подстанции являются внутренними сборными подстанциями. Их условия использования или уровень защиты лучше, чем у внешних сборных подстанций, и сам продукт имеет немного меньшие требования к защите окружающей среды и безопасности.
3) Классификация по методу установки продукции
Они классифицируются на фиксированные сборные подстанции и мобильные сборные подстанции в зависимости от метода установки продукции. Обычно сборные подстанции фиксируются на фундаменте, и их местоположение остается неизменным во время использования.
В некоторых сценариях применения, таких как шахты, нефтяные месторождения, строительные площадки и временные сценарии технического обслуживания, по мере продвижения строительства местоположение сборной подстанции часто необходимо изменять. Существуют два типа мобильных сборных подстанций: колесные сборные подстанции и подстанции на раме. Когда необходимо переместить место подключения сборной подстанции, ее можно буксировать и перевозить с помощью прицепа или полуприцепа.
4) Классификация по материалу, используемому для изготовления бокса
В зависимости от различных материалов, используемых для изготовления бокса сборных подстанций, их можно разделить на стальные, неметаллические, из нержавеющей стали, алюминиевые сплавы, цветные стальные композитные пластины, пластины Jinbang, пластины с покрытием магний-алюминий-цинк, контейнерные и т.д. Основная характеристика заключается в том, что материалы или конструктивные формы боксов сборных подстанций различаются, что может удовлетворить различные потребности пользователей или требования использования.
5) Классификация по внешнему виду бокса или степени соответствия окружающей среде
В зависимости от специальных требований сборных подстанций к окружающей среде, их можно дополнительно разделить на обычные, ландшафтные (например, поверхность бокса имеет стили, имитирующие древнюю китайскую архитектуру, европейскую архитектуру, художественные формы или прикрепленные ландшафтные картины) и т.д. Например, сборная подстанция, используемая в парке, имеет форму павильона или здания, соответствующего парковой среде, и ее поверхность украшена ландшафтными картинами или разными цветовыми тонами.
6) Классификация по различным методам установки
В зависимости от степени сочетания сборной подстанции с фундаментом, она может быть разделена на наземные сборные подстанции, полу-заглубленные сборные подстанции и полностью заглубленные сборные подстанции. Наземная сборная подстанция устанавливает всю сборную подстанцию сверху на фундамент. В полу-заглубленной сборной подстанции высоковольтное коммутационное помещение и низковольтное коммутационное помещение из трех основных функциональных помещений расположены сверху на фундаменте, в то время как помещение трансформатора расположено ниже и погружено в фундамент.
Общий объем продукта относительно мал. Полностью заглубленная сборная подстанция означает, что весь продукт погружается в фундамент, с только отверстиями для осмотра или вентиляционными отверстиями, выступающими сверху фундамента. Этот тип продукта особенно подходит для центра города или плотно населенных центральных районов, снижая визуальное воздействие продукта на окружающую среду и повышая безопасность и надежность его работы.
7) Классификация по различным способам расположения функциональных помещений
В зависимости от различных расположений или комбинаций трех основных функциональных помещений (высоковольтное помещение, низковольтное помещение и помещение трансформатора) сборных подстанций, их можно дополнительно разделить на "глаз"-образные сборные подстанции, "игла"-образные сборные подстанции, "H"-образные сборные подстанции, "гантель"-образные сборные подстанции, "поле"-образные сборные подстанции и т.д.
В "глаз"-образной сборной подстанции помещение трансформатора расположено посередине, а высоковольтное и низковольтное помещения расположены по обе стороны. Его общая планировка похожа на "китайский иероглиф" в китайских иероглифах. В сборной подстанции в форме "иглы" три функциональных помещения расположены вместе, похоже на форму китайского иероглифа "针".
В "H"-образной сборной подстанции высоковольтное и низковольтное помещения сделаны в отдельные боксы, а живые части маслонаполненного трансформатора полностью закрыты и размещены между двумя боксами. Кроме того, на обеих сторонах трансформатора используется сетчатая защита для простой защиты и изоляции, что улучшает условия теплоотвода при работе трансформатора. В сборной подстанции в форме "гантели" на самом деле есть одна группа высоковольтных коммутационных шкафов, две группы трансформаторов и низковольтных коммутационных шкафов.
Высоковольтное помещение расположено в середине бокса, а помещение трансформатора и низковольтное помещение находятся соответственно по обе стороны помещения трансформатора. Общая планировка каждого функционального помещения имеет форму "гантели". В "поле"-образной сборной подстанции низковольтное помещение разделено на два независимых отсека (низковольтное коммутационное помещение и автоматическое помещение). Вместе с высоковольтным помещением и помещением трансформатора общая планировка принимает форму китайского иероглифа "场".
8) Классификация по традиционным наименованиям
В зависимости от основных характеристик и традиционных наименований продукции, сборные подстанции делятся на европейские подстанции, американские подстанции и китайские подстанции.
Ключевые узлы (высоковольтное коммутационное оборудование, низковольтное коммутационное оборудование, трансформаторы) сборных подстанций являются стандартными продуктами, которые были окончательно утверждены после типовых испытаний. Первоначально они в основном были введены из европейских стран, таких как Германия, и обычно называются "европейскими подстанциями". Их основные особенности включают взаимосвязь и комбинацию ключевых компонентов, гибкие и изменчивые проектные схемы, а также относительно удобное увеличение мощности трансформатора. В настоящее время они широко используются как в распределительной сети, так и в системах генерации электроэнергии.
Согласно стандарту JB/T 10217, американская подстанция — это сборная подстанция, в которой высоковольтный выключатель установлен в масляном баке трансформатора, а масло трансформатора используется в качестве изоляционного и дугогасящего средства, а низковольтный выключатель установлен в низковольтном боксе. Например, 10-киловольтная экономичная сборная подстанция, представленная американской компанией Cooper, обычно называется "американской подстанцией".
Основная особенность американской подстанции заключается в том, что высоковольтный нагрузочный выключатель, сердечник трансформатора, катушки и т.д. погружены в один и тот же масляный бак, и масло трансформатора совместно используется в качестве изоляционного, дугогасящего и охлаждающего средства. Она использует двойную предохранительную защиту, и предохранители имеют двойную чувствительность к току и температуре, что значительно улучшает чувствительность и надежность защиты трансформатора. Основные преимущества американских подстанций включают малые размеры, компактную конструкцию, простоту и экономичность.
Однако их недостатки также очевидны, такие как быстрое снижение изоляционных свойств масла трансформатора, простая схема и низкая гибкость. Дуга, возникающая при включении и отключении высоковольтного выключателя, вызывает ухудшение качества масла трансформатора. В настоящее время 10-киловольтные американские подстанции редко используются в распределительной сети и классифицируются как продукты, которые выводятся из обращения или ограничиваются.
После модификации и модернизации 10-киловольтные американские подстанции повысили класс напряжения до 35 кВ и применяются в системах генерации новой энергии. Благодаря своей компактной конструкции, малому занимаемому пространству и низкой стоимости производства, они все больше и больше推广到新能源发电系统中。由于其紧凑的结构、小占地面积和低成本制造，它们越来越被推广和使用。 近年来，在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功能是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出去，需要额外的风扇或热交换器等设备来解决这个问题。因此，出现了一种结构相对紧凑、液浸式变压器安装在箱体外的预制变电站。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”，但实际上仍然属于“欧式变电站”。当它首次在行业内出现并应用于实际工程项目时，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出多样化的趋势，这可以从箱体的形状、颜色和材料等方面观察到。箱体应与周围环境和谐统一。例如，欧式变电站一般下沉地下1米，地面上部分不超过1.5米，既不影响远距离观景，也不会因儿童攀爬玩耍而造成意外伤害。所用材料为非金属材料，环保且易于与周围环境协调。 常用的外壳材料有普通钢板、不锈钢板、铝合金板和彩钢复合板。多年前，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投入使用。此外，同一个箱体上可能有几种材料。例如，普通箱体外部可能装饰木板和釉面瓷砖装饰板，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，具有环保、轻质、高强度、隔音、隔热、防水、防火和防腐的特点。 #### 2) SF6气体绝缘开关设备的大力推广应用 对于电压等级为40.5kV及以下的预制变电站，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12kV预制变电站中，由于变压器容量一般低于1250kV·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。但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) 变压器性能及通风散热的改进 在12kV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、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。 变压器通风散热的原则是：以自然通风为主，强制风冷为辅。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，搅动室内热空气循环。有时也会在变压器下方放置风扇，向内供应冷空气，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，可以采取的措施分为两类：主动措施和被动措施。主动措施主要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造成的有害影响，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，引起了制造商和用户的高度重视。因此，电弧燃烧试验项目已在预制变电站的型式试验和质量抽查中逐步大力推广。 #### 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，还能与电网内更复杂和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。业内称为“预制舱”，实际上是一种大规模、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，用于电能转换，形成由逆变器、变压器和高压开关柜组成的预制变电站。实现了直流电到交流电的转换。经过变压器升压后，通过高压开关柜送至40.5kV开关站，再通过35/110kV或35/220kV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，预制变电站具有高集成度、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10kV电压等级的终端用户扩展到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性，并随着高压开关柜、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以及电能质量治理，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。 请严格按照语种翻译要求的书写体进行翻译输出。
