Analys av klassificering och utvecklingstrender för högspännings/lågspänningsförfabrikerade understationer

1. Introduktion

Högspegel/lågspegel förfabrikerade understationer, vanligtvis kända som "förfabrikerade understationer", förkortas till "förfabrikerade understationer" eller "boxunderstationer". I Kina har de tidigare kallats med olika namn som "kombinerade understationer", "kombinerade transformatorer", "fabriksmonterade kompakta understationer", "boxtypens högspegel mottagande enheter" och "förfabrikerade kompakta understationer". I november 1995 gav Internationella elektrotekniska kommissionen (IEC) dem officiellt namnet "högspegel/lågspegel förfabrikerade understationer" i standarden IEC 1330. Den nuvarande standarden GB/T 17467—2020 Högspegel/Lågspegel Förfabrikerade Understationer använder också termen "högspegel/lågspegel förfabrikerade understationer", vilket kommer att förkortas till "förfabrikerade understationer" i följande text.

De huvudsakliga karaktäristikerna hos förfabrikerade understationer är följande:

• Produktens design och tillverkning slutförs inom fabriken.

• Verifierad genom typprov enligt standarden GB/T 17467.

• Validerad genom fabriksprov.

Dess grundläggande sammansättning består av tre funktionsenheter, nämligen transformatorrummet, högspegelbrytarrummet och lågspegelbrytarrummet. De viktigaste komponenterna som monteras inuti (i standarden definieras transformatorer, högspegelbrytare, lågspegelbrytare osv. som viktiga komponenter) har verifierats som godkända genom både typprov och fabriksprov. Dessa komponenter kopplas till varandra efter behov och monteras inuti ett gemensamt boende eller box för att bilda en förfabrikerad understationsprodukt. Det typiska schemat verifieras genom typprov enligt kraven i GB/T 17467 och levereras sedan till användarna för installation och användning efter att ha passerat fabriksprov. Detta representerar den grundläggande strukturella formen för en typisk förfabrikerad understation.

I praktiska tillämpningar integreras automatiseringsenheter, kommunikationsenheter, videövervakningssystem, kontrollströmsystem, brandskyddssystem osv. i förfabrikerade understationer, vilket blir viktiga komponenter eller tillägg för att uppfylla funktionella krav för förfabrikerade understationer under olika arbetsförhållanden.

De huvudsakliga fördelarna med förfabrikerade understationer inkluderar hög integration, liten yta, kort byggtid, flexibel platsval, stark anpassningsförmåga till miljön, bekväm installation och användning, säker och pålitlig drift, låg investering och snabb effekt.

Under de senaste åren har förfabrikerade understationer sett snabb utveckling och omfattande tillämpning inom ny energiproduktion och energilagringsområden som vindkraft och fotovoltaisk energi, vilket möjliggör överföring eller utbyte av elektrisk energi.

Tillämpningsområden för förfabrikerade understationer: I distributionsnätet uppnår förfabrikerade understationer distribution av elektrisk energi genom spänningsminskning för att uppfylla slutanvändarnas krav; i elproduktionssystem realiserar de överföring av elektrisk energi från produktionssidan till nätet genom spänningsökning och anslutning till nätet.

Den nominella effekten och spänningsnivån på transformatorn installerad i förfabrikerade understationer är viktiga indikatorer för att mäta understationens storlek och konfiguration. Generellt sett, för förfabrikerade understationer med en transformerad effekt på ca 10 000 kV·A och en spänningsnivå på 40,5 kV och nedåt, assembleras transformatorn och brytaren eller andra utrustningar till en helhet, eller transporteras till platsen i separata moduler och monteras sedan till en helhet.

När transformatorns effekt överskrider 31 500 kV·A installeras stödande brytare och annan hjälpredskap inuti boxen av förfabrikerade understationer, medan huvudtransformatorerna installeras utomhus. Det finns två eller flera huvudtransformatorer, vilka slutligen kopplas ihop för att bilda en komplett understation, vilket möjliggör överföring eller utbyte av elektrisk energi.Denna artikel klassificerar förfabrikerade understationer ur aspekter som industrins utvecklingsriktning eller produkternas huvudsakliga karaktäristiker, och analyserar deras utvecklingstrender inom understationsområdet.

2. Konventionella klassificeringsmetoder för förfabrikerade understationer

I praktiska tillämpningar skiljer sig förfabrikerade understationer betydligt i termer av den nominella effekten och strukturkaraktäristikerna hos transformatorn, den nominella spänningsnivån, viktiga komponenter, material och strukturform av boxen, tillämpningsområden och huvudsakliga ändamål. Dessutom skiljer sig branschstandarder och produktverifieringsmetoder på grund av skillnader i tillämpningsområden. Följande klassificerar förfabrikerade understationer från olika dimensioner eller baserat på deras huvudsakliga karaktäristiker.

1) Klassificering enligt den nominella spänningsnivån på högspegelsidan

Förfabrikerade understationer klassificeras enligt den nominella spänningsnivån på högspegelsidan till: högspegelförfabrikerade understationer, mellanspegelförfabrikerade understationer och lågspegelförfabrikerade understationer. Den nominella spänningen på högspegelsidan av högspegelförfabrikerade understationer är 110 kV och uppåt, mellanspegelförfabrikerade understationers ligger mellan 3,6 och 40,5 kV, och lågspegelförfabrikerade understationers är 1,14 kV och nedåt.

Högspegelförfabrikerade understationer installeras generellt nära centrum för elektrisk belastning. De använder ofta en understationskonstruktion som kombinerar modulär tillverkning med platskonstruktion. De kännetecknas av en hög spänningsnivå på högspegelsidan av transformatorn, en stor enskild kapacitet, och relativt många primära och sekundära stödutrustningar.

Mellanspegelförfabrikerade understationer används vanligtvis i elproduktionssystem, vid terminalerna i distributionsnätet, eller i tillfälliga elförsörjningsscenarior. Deras schemakonfiguration är relativt enkel, transformatorkapaciteten är relativt liten, och tillverkningsprocessen är relativt enkel.Lågspegelförfabrikerade understationer installerar vanligtvis sekundärkontrollutrustning, hjälpredskap, eller lågspegelbrytare inuti för att uppfylla specifika funktionskrav.

2) Klassificering enligt användning eller installationsmiljö

De klassificeras till inomhusförfabrikerade understationer och utomhusförfabrikerade understationer enligt användning eller installationsmiljö. De vanligt nämnda förfabrikerade understationerna refererar generellt till utomhustypen. Dessutom, i vissa fabriker, byggnader, eller intill inomhuselutrustning med relativt liten effektbelastning, är de stödjande förfabrikerade understationerna inomhusförfabrikerade understationer. Deras användningsmiljö eller skyddsnivå är relativt bättre än för utomhusförfabrikerade understationer, och produkten själv har något lägre krav på miljöskydd och säkerhet.

3) Klassificering enligt produktens installationsmetod

De klassificeras till fasta förfabrikerade understationer och flyttbara förfabrikerade understationer enligt produktens installationsmetod. Generellt sett installeras förfabrikerade understationer fast på fundamentet, och deras installationsposition förblir oförändrad under användning.

I vissa tillämpningsscenarier, såsom gruvar, oljefält, byggarbetsplatser, och tillfälligt underhållsströmförsörjning, behöver platsen för förfabrikerade understationen ofta ändras när arbetet fortskrider. Det finns två typer av flyttbara förfabrikerade understationer: hjulburen förfabrikerade understationer och skidsatta förfabrikerade understationer. När positionen för strömförsörjningen av förfabrikerade understationen behöver flyttas kan den dragas och transporteras med en trailer eller en halvhänger.

4) Klassificering enligt materialet som används för boxtillverkning

Enligt de olika material som används i tillverkningen av boxen för förfabrikerade understationer kan de indelas i ståltrådsplattor, icke-metalliska, rostfria ståltrådsplattor, aluminiumlegering, färgstålkompositplattor, Jinbang-plattor, magnesium-aluminium-zinkbelagda plattor, containertyper, etc. Huvudkarakteristiken är att materialen eller strukturformerna av boxen för förfabrikerade understationer varierar, vilket kan uppfylla olika behov av användare eller användningskrav.

5) Klassificering enligt boxens utseende eller graden av matchning med miljön

Enligt de speciella kraven för förfabrikerade understationer för den omgivande användningsmiljön kan de ytterligare delas in i vanliga typer, landskapsliknande (till exempel har boxens yta stilar som imiterar kinesisk gammal arkitektur, europeisk arkitektur, konstnärlig formgivning, eller tillfogade landskapsmålningar), etc. Till exempel har förfabrikerade understationen som används i en park formen av en paviljong eller en byggnad som matchar parkmiljön, och dess yta är prydd med landskapsmålningar eller olika färgtoner.

6) Klassificering enligt olika installationsmetoder

Enligt graden av kombination mellan förfabrikerade understationer och fundamentet kan de delas in i övermarksförfabrikerade understationer, halvgrävda förfabrikerade understationer, och fullständigt grävda förfabrikerade understationer.En övermarksförfabrikerad understation installerar hela förfabrikerade understationen ovanpå fundamentet. I en halvgrävd förfabrikerad understation ligger högspegelbrytarutrymmet och lågspegelbrytarutrymmet bland de tre grundläggande funktionsutrymmena ovanpå fundamentet, medan transformatorutrymmet ligger nedanför och sjunker in i fundamentet.

Det totala volymen av produkten är relativt liten. En fullständigt grävd förfabrikerad understation innebär att hela produkten sjunker in i fundamentet, med endast inspektionsmanshålsöppningar eller ventilationshål exponerade ovanpå fundamentet. Denna typ av produkt är särskilt lämplig för centrum eller tättbefolkade kärnområden, minskar produkten visuella inverkan på användningsmiljön och förbättrar säkerheten och tillförlitligheten i produktdrift.

7) Klassificering enligt olika arrangemangsformer av funktionsutrymmen

Enligt de olika arrangementen eller kombinationerna av de tre grundläggande funktionsutrymmen (högspegelutrymme, lågspegelutrymme, och transformatorutrymme) för förfabrikerade understationer kan de ytterligare delas in i "ögon"-formade förfabrikerade understationer, "tecken-pin"-formade förfabrikerade understationer, "H"-formade förfabrikerade understationer, "dumbbell"-formade förfabrikerade understationer, "fält"-formade förfabrikerade understationer, etc.

I "ögon"-formade förfabrikerade understationer placeras transformatorutrymmet i mitten, medan högspegelutrymmet och lågspegelutrymmet placeras på sidorna. Dess sammanlagda layout liknar "kinesiska tecken" i kinesiska tecken. I en förfabrikerad understation i form av en "pinne" arrangeras de tre funktionsutrymmena tillsammans, liknande formen av det kinesiska tecknet "".

I en "H"-formad förfabrikerad understation görs högspegelutrymmet och lågspegelutrymmet till separata boxar, och levande delar av vätskekylda transformatorn är helt inneslutna och placerade mellan de två boxarna. Dessutom används nätsskydd på båda sidor av transformatorn för enkel skydd och isolering, vilket förbättrar värmeavledningsförhållandena under transformatorns drift. I en förfabrikerad understation i form av en "dumbbell" finns det faktiskt en uppsättning högspegelbrytarkabiner, två uppsättningar transformatorer och lågspegelbrytarkabiner.

Högspegelutrymmet ligger i mitten av boxen, medan transformatorutrymmet och lågspegelutrymmet ligger respektive på båda sidor av transformatorutrymmet. Sammanlagd layout av varje funktionsutrymme är i form av en "dumbbell". I en "fält"-formad förfabrikerad understation delas lågspegelutrymmet in i två oberoende avdelningar (lågspegelbrytarrummet och automatiseringsrummet). Tillsammans med högspegelutrymmet och transformatorutrymmet tar den sammanlagda layouten formen av det kinesiska tecknet“Word”.

8) Klassificering enligt sedvanliga benämningar

Enligt de huvudsakliga karaktäristikerna och sedvanliga benämningarna av produkten, delas förfabrikerade understationer in i europeiska-stilar, amerikanska-stilar, och kinesiska-stilar.

De viktiga enheterna (högspegelbrytare, lågspegelbrytare, transformatorer) av förfabrikerade understationer är alla standardprodukter som har finaliserats efter typprov. Inledningsvis introducerades de huvudsakligen från europeiska länder som Tyskland, vanligtvis kända som "europeiska-stilar". Deras huvudsakliga karaktäristiker inkluderar interkonnektion och kombination av viktiga komponenter, flexibla och föränderliga designscheman, och relativt bekväma kapacitetsutbyggnader av transformatorn. Nu används de allmänt både i distributionsnätet och elproduktionssystem.

Enligt standarden JB/T 10217, är en amerikansk-stil understation en förfabrikerad understation där högspegelbrytaren installeras i transformatorns oljetank och transformatoroljan används som isolerings- och bågsläckningsmedium, medan lågspegelbrytaren installeras i lågspegelboxen. Till exempel, den 10 kV ekonomiska förfabrikerade understationen som representeras av den amerikanska Cooper Company är vanligt känd som en "amerikansk-stil understation".

Den huvudsakliga karaktäristiken hos en amerikansk-stil understation är att högspegelbelastningsbrytaren, transformatorernas kärnor, spolar, etc. är doppade i samma oljetank, och transformatoroljan används gemensamt som isolerings-, bågsläcknings- och kylmedel. Den använder dubbel-fuslager-skydd, och fuslarna har ström- och temperatur-dubbelt-känsliga egenskaper, vilket enormt förbättrar känslighet och tillförlitlighet i transformatorskydd. De huvudsakliga fördelarna med amerikanska-stil understationer är små storlekar, kompakta strukturer, enkelhet och ekonomi.

Men deras nackdelar är också uppenbara, som snabbt fallande isoleringsprestanda hos transformatoroljan, enkla scheman, och låg flexibilitet. Bågen som genereras genom att bryta och stänga högspegelbrytaren kommer att orsaka försämring av transformatoroljans kvalitet. Just nu används 10 kV amerikanska-stil understationer sällan i distributionsnätet och har klassificerats som produkter som fasas ut eller begränsas.

Efter modifiering och uppgradering har 10 kV amerikanska-stil understationer ökat spänningsnivån till 35 kV och används i nya energiproduktionssystem. På grund av deras kompakta struktur, små arealer, och låga tillverkningskostnader, främjas de alltmer och används.

Under de senaste åren har de förfabrikerade understationer som används i nya energisystem som vindkraft och fotovoltaisk energi huvudsakligen fungerat för att överföra elektrisk energi från produktionssidan med en lägre spänningsnivå till en 35 kV högspegel-understation. Transformatorernas kapacitet blir allt större. Om de designas i form av "europeiska-stilar", är transformatorn installerad i transformatorrummet på ett stängt sätt, och det är svårt att sprida den genererade värmen utåt.

Ytterligare utrustning som fläktar eller växelvärmare krävs för att hantera detta problem. Därför har en förfabrikerad understation med en relativt kompakt struktur och en vätskekyld transformator installerad utanför boxen dykt upp. Dess huvudsakliga karaktäristiker är: transformatorn är installerad utomhus, vilket löser problemen med transformatorns säkerhets- och värmeavledningsproblem, och tillverkningskostnaderna har drastiskt minskat. Den ser lite likt en "amerikansk-stil understation" ut, men den tillhör i grund och botten fortfarande en "europeisk-stil understation". När den först dök upp i industrin, benämndes den som en "kompakt förfabrikerad understation". Eftersom den först framgångsrikt utvecklades i Kina och tillämpades i verkliga ingenjörprojekt, är den vanligt känd som en "kinesisk-stil understation" i industrin. Men dess produktekonomiska karaktäristiker är mer i linje med kraven i standarden GB/T 40823.

3. Utvecklingstrender för förfabrikerade understationer

Utvecklingstrender för förfabrikerade understationer analyseras från följande olika aspekter.

1) Mångfald i boxtillverkningsmaterial och strukturformer

Den mest intuitiva och uppmärksammade förändringen är att strukturformerna för förfabrikerade understationers boxar visar en trend mot mångfald, vilket kan observeras från form, färg och material av boxarna. Boxen bör vara i harmoni med den omgivande miljön. Till exempel sänks europeiska-stilar vanligtvis 1 m under marken, och den övermarksdel som inte är högre än 1,5 m, vilket inte påverkar synen på långt håll eller orsakar olyckliga fall om barn klättrar upp för att leka. Materialen som används är icke-metalliska, vilket är miljövänliga och lätt koordinerade med den omgivande miljön.

Vanliga material för utsidan inkluderar vanliga stålplåtar, rostfria stålplåtar, aluminiumlegeringsplåtar, och färgstålkompositplåtar. För flera år sedan började även glasfiberarmat cementplattor, glasfiberarmat plastplattor, och icke-metalliska material användas. Dessutom kan det finnas flera material på samma box. Till exempel kan utsidan av en vanlig box dekoreras med träplankor och glasierade tegeldekorationsplattor, och värmeisoleringssubstanser som expandabel polystyren (EPS), glasfiber, asbest, och aluminiumsilicatull används i mellanlagret av dubbla strukturer.

I termer av korrosionsbeständighet, brandbeständighet och resistens mot felbågar är icke-metalliska materialskal betydligt överlägsna metalliska materialskal. Vissa förfabrikerade understationer använder Jinbang-plattor som skalmaterial, vilka kännetecknas av att vara miljövänliga, lättvikts, högstyrkta, ljudisolering, värmeisolering, vattenresistent, brandbeständig och korrosionsbeständig.

2) Stark främjande och tillämpning av SF6-gasisolerede brytare

För förfabrikerade understationer med en spänningsnivå på 40,5 kV och nedåt, används vanligtvis brytare eller belastningsbrytare isolerade med luft eller SF6-gas på högspegelsidan, och vissa produkter använder belastningsbrytare med transformatorolja som isoleringsmedium.

I 12 kV förfabrikerade understationer, eftersom transformatorns kapacitet vanligtvis ligger under 1 250 kV·A, används kombinerade elektriska apparater (belastningsbrytare + säkring) eller belastningsbrytare alltmer. När en brytare används för att skydda transformatorn, är tiden att skära av den defekta ledningen något längre, vilket inte är fördelaktigt för skyddet av viktiga utrustningar (som transformatorn). Men säkringen i kombinerade elektriska apparater kan skära av felströmmen inom 20 ms.

Belastningsbrytarenheterna för 12 kV spänningsnivå inkluderar gasgenererande belastningsbrytarkabiner, vakuumcirkuitbrytarkabiner, vakuumbelastningsbrytarkabiner, och SF6-gasisolerede brytare. För närvarande är SF6-gasisolerede brytare de mest tillämpade i förfabrikerade understationer, och de har mer distinkta fördelar i termer av höjd, tillförlitlighet, säkerhet, storlek, och specialtillämpningsmiljöer.

3) Förbättring av transformatorprestanda och ventilation och värmeavledning

I 12 kV förfabrikerade understationer, vanligt förekommande transformatorer inkluderar vätskekylda transformatorer och torrtransformatorer, och deras isoleringsprestanda samt tom- och belastningsförluster har ytterligare optimerats. I höghus, från transformatorn till brytaren, krävs torrtransformatorer som inte innehåller brandfarliga material och inte lätt kontaminerar transformatorolja.

Principen för ventilation och värmeavledning för transformatorer är: huvudsakligen naturlig ventilation, kompletterad med tvingad luftkylning. En vanlig metod för tvingad luftkylning är att installera fläktar på toppen av transformatorrummet eller på boxväggpanelerna för att blåsa luft ut ur boxen, vilket stimulerar cirkulationen av varm luft i rummet. Ibland placeras fläktar också under transformatorn för att försörja kall