箱变在我国的应用现状及存在问题

  当前由于城市电网改造和市场化建设，架空线改为电缆入地，城市变电站向小型化、节地、节能、无人值班发展，带来箱式变电站(即预装式变电站，以下简称箱变)的迅猛发展和大量应用。了解各种箱变的特性，发现并解决应用中出现的问题将有利于箱变更好地服务于配电网络的发展。

  欧式箱变具备变(配)电站所需的功能，但和我国的供用电法规要求相比，缺少无功补偿和计量功能。其高压开关大多是充SF6气体绝缘开关和专为配套箱变、开闭所而设计RM6、CGC型等环网单元开关柜。欧式箱变体积小，一般高度不超过1.6m。有的把变压器室做成沉到地下的船型槽，以降低高度。

  欧式箱变遵循的是IEC-1330标准，其特点之一是变压器在箱体内采取自然冷却方式；并将正常使用条件下，变压器在外壳内的温升和同一台变压器在外壳外的温升之差分为10K、20K、30K三个等级，规定了外壳级别有10、20、30三种。由于箱体内外的温升差值，箱变的负载能力必然小于内装的变压器容量，而就整台箱变的成本来说，变压器占重要成分，箱变的价格是按整台箱变的标称负载能力(kVA)定的，因此装配了大容量的变压器而只能依小容量的箱变出售，制造厂利润下降，这一点在我国行不通，因此都普遍采用在重载时吹风冷却的措施，避免降容。

  20世纪80年代中期，前电力工业部进口了梅兰，日兰公司(现并人施耐德公司)箱变并分发给有关供电局试用，对在我国推广箱变，起了促进作用。

  美式箱变的真正名称是“台置式变压器”(pad·mountedtransformer)。在美国教科书上配电变压器就分为两大类：一类是“杆装式变压器”(pole－mountedtransformer)，另一类就是这种安装在平台(包括地上)上的台置式变压器，其高压侧内部装有避雷器和熔断器。1995年，我国科锐公司将此产品介绍到中国，起名为“美式箱变”。

  (1)中性点接地问题。美国10kV电网为中性点接地系统，而我国为中性点不接地系统，按照国标及IEC－420标准，当高压组合电器的熔断器任何一相熔断时必须由联动机构撞开三相负荷开关，以避免缺相运行。如此规定的原因是由于箱变是无人进行运行监视的设备，较长时间维持不对称运作时的状态，会使低压侧有的工作相严重偏离正常工作电压(偏高或偏低由线圈接线方式而定)，因此导致低压侧所接电气设备损坏。我国国家计委交通能源司于1998年4月8日颁发的(由国电公司科技局、安运部领导会签的)计司交能函(1998)26号文指出：此类箱变如不进行改进，则不适用于我国10kV中性点不接地电网系统。

  (2)负荷开关引起的污染问题。美式箱变中的负荷开关基于多油开关灭弧原理，在上世纪中期这不失为聪明的选择，但这也带来一系列问题，尤其是每次开断电流时的游离炭留在箱体内，污染位于下部的变压器器身。GE公司对此的解释是其采用非晶合金铁心，励磁电源仅是安培级，因此游离碳很少，只要在操作时先断开低压开关即可减少污染。但实际上，美国生产的箱变大部分还是硅钢片铁心，切断励磁电源所产生的游离炭不容忽视，而且游离炭沉淀时刚好沉至下部线圈和铁心上，对绝缘及散热会造成严重影响。

  (3)短时耐受电流时间过短。美式箱变中油浸式负荷开关的额定短时耐受电流，不论是GE、Cooper还是美国ABB公司的产品，都只能达到12kV／2s。由于我国电力系统迅猛发展，电网愈联愈大，短路容量增加，10kV电气设备额定短时耐受电流至少需要16kV／3s以上，而美国ABB公司不能解决此问题。这可能是引起美式箱变在我国曾经发生的多起爆炸和火灾事故的原因之一。

  (4)不符合我国中压开关“无油化”政策。中压开关“无油化”是我国国策，目前全国无油化率已达到80％以上。而美式箱变又将多油式负荷开关带入电网中来，并且与之串联的保护用主熔断器是“爆炸式”(英文原文)。虽有限流式后备熔断器，但位于油箱内，正常动作全由插入式主熔断器来完成，而熔断器位于上层油中，油温升高散热不利，并且随负载而变化，其保护特性变差。另外，该熔断器动作时无限流功能，极易造成事故扩大以致油箱炸开。

  (5)散热不利。当高压侧为环网结构时，由于负荷开关浸在油箱内，此时油箱已被变压器加热，负荷开关散热不利，而此时串在环网电路中的两台负荷开关中所流过的电流是“穿越功率”，此功率远大于箱变本身变压器的功率(特别是靠近电源侧的箱变)，与变压器热量相互影响造成温升过高。国内某地区使用中就发生过“箱壁烫手”的现象。

  (6)实现遥控操作的困难。10kV配电网络中，为了达到高供电可靠率，发展“故障定位，自动切除功能”的配电网自动化是必然方向。而美式箱变的“四工位”负荷开关，在手动切换操作时还得仔细找正位置，要实现遥控操作找正位置在机构上、可靠性上都是十分困难的。

  (7)出线开关少。有人说美式箱变价格实惠公道，其实不然。美式箱变低压出线端仅四个接线端子，实际应用时用户在户内另配有低压柜。国内生产厂对美式箱变加装出线开关，但是由于箱体空间存在限制而受限制，往往再加一个箱体来装无功补偿等设备，二者相加价格并不低，而变压器厂出售美式箱变远比出售变压器利润高。

  (8)标准问题。美式箱变并不符合变电站的全部功能，此点逐渐为人所知。为此沈阳变压器研究所特地制定了一个组合式变压器的JB标准，同时电力行业标准DI/T537-2002《高压／低压预装箱式变电站选用导则》也声明组合式变压器不包括美式箱变。

  由于以上原因，国内有识之士提出要限制美式箱变在电网中的应用，以实现可持续发展。

  在南方一些地区，箱变的应用正在日益普及，但是有些产品的结构不太合理，既浪费材料(特别是铜母排)，又增加事故隐患。现提出主要几点，和用户单位、设计部门及电力部门专业同志研讨。

  当前，箱变能获得广泛的推广使用，得益于高压(12kV)侧组合电器(负荷开关 高压限流熔断器)一箱变主保护的发明和逐渐完备。其功能是在变压器内部出现故障时，高压侧的开关电器快速、及时地断电，避免变压器内部故障扩大。在油浸变压器中，由于液体的不可压缩性，绝缘油在电弧作用下所分解的气体(85％以上为氢和乙炔等可燃性气体)膨胀而将油箱炸开，因此主保护电器的特性配合至关重要。1989年国际配电网会议提供的资料表明，若能够在20ms内切除故障，变压器油箱不会被炸开。断路器因为有继电保护动作时间，再加上断路器固有动作时间和燃弧时间，一般全开断时间不少于60ms，不能有效的防止油箱炸开、故障扩大。高压限流熔断器则具有速断功能，可在10ms内熔断而切除电源，防止故障扩大。

  欧洲一些电力公司的实践更能证明这一点。德国RWE公司在其城乡电网中使用的46000台配电变压器均用高压限流熔断器保护。在1977～1987年间，变压器发生87次故障，均及时切除，没有油箱炸开。而法国电力公司取消用高压熔断器保护，在1960～1970年间，7500台配电变压器中发生50次变压器故障导致油箱炸开的事故。因此法国的两大电力设备供应商——阿尔斯通和梅兰·日兰都在完善组合电器上下功夫，后者开发了专为箱变量身定做的RM6型产品。在1991年国际配电网会议上，比利时也提供了有力的证据。比利时对40000台配电变压器观察了10年以上，统计资料表明，在此期间，没再次出现一次箱体炸开事故。国内箱变运作情况也表明，不论进口或国产产品，用组合电器保护的箱变都没发生过油箱炸开事故。

  西安熔断器厂引进英国Brush公司高压熔断器技术，经消化、吸收、完善，并推广到一些熔断器厂后，技术、工艺日趋成熟，甚至每一支熔管均有检查熔丝可靠性的X光片档案，质量放心可靠。规格已经能满足容量达到1600kVA箱变的配套要求，价位合适，并且没有对操作电源的需求，为配套箱变的应用和发展提供了现实条件。

  一些地区在800kVA以上箱变的变压器上加装了气体继电器并高压(12kV)侧用断路器保护，而继电器的动作原理决定了必需再加上一个变压器。除了上述60ms外再加上内部油在电弧作用下分解产生气体积累(轻瓦斯)及油气流冲动(重瓦斯)的动作时间，非常容易导致油箱炸开，故障扩大。此方法既把箱变搞复杂、增加投资，又不利于安全可靠性。

  必须指出，不论IEC标准和国标规定，在装有限流元件的回路中，由于已经免除了动热稳定作用的威胁，不再需要做动热稳定试验，标准中已经肯定了限流熔断器的卓越保护功能并列入法制规定。

  箱变本身是一个紧凑、宜简不宜繁的电气设备，过去由于IEC及国标都列出了在箱变中装定型开关柜的条款，因此生产厂都是将PGL、GGD定型低压开关柜装入箱变。在电气一次接线上有一个总开关柜，然后再有分路馈线柜、电容补偿柜，每一个柜的塑壳断路器前还有隔离开关，这些措施都是在元器件可靠性较差时采用的。但是近几年来，特别是城乡电网改造开展的近三年来，我国的电器设备有了很大改进，馈线用塑壳断路器的开断能力增强，且塑壳断路器的可靠性也有长足进步，很多产品是免维护的。此外，总开关的下部接线端子处、闸刀的刀口处以及母排的搭接处都是抗温升的薄弱环节，采用上述传统作法，不仅体积大，耗铜材、元器件用量大，还增加了不少抗温升薄弱环节和事故隐患。在当前元器件突飞猛进发展的基础上，我们大家可以从主接线上、结构上将箱变改进得更为合理、节材、节能、安全可靠，使箱变得到更优秀的推广使用。

  为此最新颁布的电力行业标准DL／T537－2002《高压／低压预装箱式变电站选用导则》中第5、7条“对由电器元件组装而成的开关设备和控制设备的要求”一节中，对其结构、安装、接线、试验作出了有关要求和规定，并给出了认可的标准依据。

  我国电网的线个百分点，其中欧、美一些国家低压供电电压还是110V，这些国家采取的措施都是“高电压、密布点”。伸长高压配电线，缩短低压配电线，对单独的用电点则是采取高压线路送到门口，杆上吊一个杆变，低压线立即进入户内，当容量不够时则再加一个杆变。而公共电缆配电网中，所用的箱变单台容量都很小，一般在315kV左右。有鉴于此，我国城乡电网改造采取的技术政策也是“高电压、密布点”，从理论上来讲每伸长1km10kV线，因此城市中单台配电变压器容量不宜超过315kVA，低压出线m。但有些地区不仅箱变单台容量很大，还出现双变压器构成的箱变，是很不合理的。

  自从建筑材料彩钢夹芯板(中间夹聚氨酯泡沫绝热材料)问世以来，我国就有生产厂用它采做箱体成型材料，主要是取其在盛夏时日晒热传不进去的优点(非金属箱体与此类似)，但是仅考虑这点是不够的，因为箱体在运行中特别是变压器温度很高，装在箱体内时散热不利。在欧洲按IEC标准将箱体分为10、20、30三个级别采取降容措施，在我国为了不降容，不降价，采取自起动通风冷却措施，实际上在型式试验时，温升这一关也是很难通过的。箱变的技术难点之一是怎样解决外面热量进不去与内部热量散出来这一矛盾。我国电力行业标准为此对箱体增添了一个“0”级，也就是不降容的，重载时采取强迫风冷措施。国内产品实际上都是采取“O”级设计和生产的。

  国产箱变是在欧式箱变基础上根据我们国家电力部门供用电法规完善化的产品，由于一开始就有供电部门参与，所以产品符合我国国情，计量、无功补偿一应俱全。

  但是受当前标准的限制，箱变内装配定型柜可免做柜的型式试验，因此传统的作法是用型钢焊接一个骨架，包上铝合金或钢板等外皮，里面再装高、低压开关柜，形成“铁柜子内装铁柜子”，存在外观尺寸减不下来、外壳加工时期长、质量大等缺点。

  为了给配网自动化发展打好设备基础，国内搞了两次联合设计工作，分析了欧式、美式、国产式传统箱变的优缺点，结合城乡电网改造的技术政策，以节地、节能小型化、免维护、不检修、2O年内不再改造为目的，对箱变进行了改进。

  美式箱变的优点是变压器外壳在大气中直接散热，充分的发挥了油浸自冷式变压器的优点。为此将国产箱变做了如下改进：①将变压器全部改为横出线；②高压进线用肘型电缆头和环氧插头组合；③高压开关用SF6气体绝缘全密封环网开关柜，使高度压低至1.6m；④高压连线为全绝缘电缆结构，杜绝任何爬电放电的通路，不怕凝露、污秽；⑤低压侧不用GGD、PGL等成套柜装入箱变，而用电器元件组装，但遵循成套柜标准的各项要求；⑥低压室内出线断路器、专用电能计量箱、无功补偿装置，全部符合电力部要求。

  国电公司对城市电网改造的供电可靠率要求是城市中心地区为99.99％，即每年停电时间不超过52min。没有“故障定位、自动切除、负荷转带、网络重构”的配电自动化功能是不可能达到这个指标的。因此，作为主要配电设备的箱式变电站，一定要有智能化终端功能。本次改进旨在“测、控、讯、调”方面实现智能化功能。

  （1）测本箱变运行的各项参数：各相电压、电流零序电压、电流有功功率、无功功率、有功电度、无功电度。

  改进后的箱变集国内外产品优点于一体，将智能开闭所和箱变合而为一，降低综合造价，并为慢慢地发展配网自动化打好一次设备基础。该产品性能价格比优良，是我国城市电网改造和小区建设的合适装备。

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