10kV预装式箱式变电站设计

摘 要： 箱式变电站是由高压设备、变压器、低压设备、外壳通过电气连接组合成的终端配电站，文章简述了箱变高压设备、低压设备、变压器及外壳的选型原则及注意事项。

关键词：箱变；高压；低压；变压器

中图分类号：TM63 文献标识码：A

10kV箱式变电站可分为：欧式箱变、美式箱变、华式箱变。

美式箱变的主要特点是：高压负荷开关和变压器本体均油浸在油箱中。

华式箱变主要特点是：变压器高、低压接线端子在箱变外壳中，变压器散热部分裸露在外。

以下主要介绍欧式箱变即预装式箱式变电站的设计。

10kV预装式箱式变电站（以下简称箱变），是由高压室、变压器室、低压室通过电气连接组合在箱变外壳内的户外终端配电设备。因其具有组合灵活，结构紧凑，占地面积小，安装施工周期短，能深入负荷中心，便于运输、迁移，运行费用低，无污染，免维护等特点，广泛应用于工厂企业，住宅小区，城市公用，医院，施工电源，公路隧道，铁路沿线等。

自上世纪90年代后期，箱变逐渐成为替代常规土建变电站，配电站的理想终端配电设备。虽然习惯上把它分类：预装式箱变、一体化箱变、紧凑式箱变、景观式箱变、GRC箱变等，但其核心是由高压室，变压器室，低压室，箱变外壳几部分组成，文章对以上几部分选型要点简要介绍。

1 高压室

高压室一般由具有完备的“五防”联锁功能的10kV高压设备组成。因箱变以紧凑小巧为特点，比较适合箱变的高压设备为环网柜HXGN-10，XGN15-12，高压设备内一般装配负荷开关+熔断器组合，隔离开关+真空断路器组合。

1.1 HXGN-12环网柜

负荷开关+熔断器组合安装在环网柜HXGN-10中，一般適用630kVA及以下容量的变压器，负荷开关+熔断器组合目前使用较多，它能满足大部分终端客户要求，结构简单，价廉物美，但它不能开断短路电流。

负荷开关有：SF6负荷开关，压气式负荷开关，真空负荷开关。

当变压器内部出现故障时，熔断器可以在10ms内动作，切除短路故障，避免故障进一步扩大[ 1 ]。熔断器选型见表1。

1.2 XGN15-12环网柜

隔离开关+真空断路器组合一般安装在环网柜XGN15-12中，适用800kVA-1600 kVA容量的变压器。国内10kV断路器型号众多，常规的为ZN28-12，ZN63-12，VS1-12，还有固封极柱式的，另外，国内有些开关厂家，开发的一种集隔离开关、真空断路器、接地开关为一体的组合电器也特别适合安装在环网柜中。断路器不仅能开断、关合负荷电流，还能在微机保护控制下，切断故障后的短路电流。微机保护可以通过接入的电压互感器、电流互感器等测量元件的参数信号，对回路的运行状态进行监视，控制以及保护。比如速断保护、过电流保护、电压保护，瓦斯、温度保护等。

1.3 避雷器

目前多选用金属氧化物避雷器，HY5WS-17/50，HY5WZ-17/45，前者适用于线路保护，后者适用变电站。它具有吸收各种雷电过电压、工频暂态过电压、操作过电压的能力，同时还可以吸收开关开合闸的浪涌电流，良好的密封性能、解污秽性能、机械性能和高可靠性能。

1.4 高压计量

安装在箱变内的高压计量柜，一般是对额定容量315 kVA及以上变压器。计量电流互感器一般选用LZZBJ9-10，变比参见表1，精度等级为0.5/0.2S，计量电压互感器一般选用JDZ10-10 10/0.1 kV，精度：0.2级，容量：30VA。计量电流互感器，电压互感器由供电公司效验后，才能投运，所以，它们应方便拆卸和安装。高压计量柜表箱一般不得小于：600X500X150mm，并加铅封锁。

1.5 配网自动化

箱变作为配电的终端设备，将逐步实现配网自动化，智能化。目前国网招标的箱变就要求预留FTU、TTU安装位置。它利用现代电子、通讯、网络、计算机技术与配电设备结合，将配电正常运行和事故突发情况下的参数检测、设备保护、控制、计量以及供电公司的企业管理结合在一起，保证用户用电质量，协调用户关系，达到最佳经济效益和社会效益。

2 变压器室

2.1 变压器选择

箱变内的变压器一般选用配电变压器。配电变压器的长期工作负载率不宜大于85%；设置在民用建筑中的变压器，应选用干式或非可燃液体绝缘变压器；预装式变电站变压器，单台容量不宜大于800kVA[ 2 ]；箱变内尽量选用D，yn11接线组别的三相配电变压器[ 3 ]。油浸式变压器有硅钢片叠铁芯：S11-M、S13-M，有硅钢片卷铁芯：S11-R、S13-R，有非晶合金：SH15-M。800 kVA及以上油浸变压器都装设气体继电器，它可以反映油箱内的一切故障，包括：油箱内三相短路、绕组匝间短路、绕组与铁心或与外壳短路、铁心故障、油面下降或漏油等。干式式变压器有硅钢片环氧树脂浇注：SCB10、SCB11、SCB13，有非晶合金环氧树脂浇注：SCBH15。选择变压器时，除满足国家标准和规范要求，还应综合考虑节能和价格因素，达到最佳经济效果。

2.2 变压器接线方式选择

配电变压器的连接组别主要有两种D，yn11、Y，yn0。常用的是D，yn11[ 3 ]，它不仅有很好的防雷效果，还有效解决了中性点漂移问题，最主要的是能抑制3次谐波。

谐波对电网以及配电设备有很大的破坏性，其中3次谐波特别明显、突出，它会对电子、通讯一类的弱电元器件以及弱电线路形成干扰，也会降低配电变压器的工作效率，降低变压器和配电设备的使用寿命，甚至降低供电系统的运行效率和质量。

因原边绕组为“D”形连接，励磁电流中的3次谐波分量，可在原边绕组三相线圈中产生环流。每一相绕组中的励磁电流相互叠加后，呈现尖顶波形，铁芯中的磁通因铁芯饱和呈现正弦波形，感应相电势在原边、副边绕组中保持正弦波形，3次谐波分量被大量消除，有效抑制了3次谐波。D，yn11接线方式在抑制谐波方面比 Y，yn0接线具有很大优势。

2.3 负荷谐波

有些工业用户，负荷中有中频炉、高频炉、盐浴炉、交流弧焊机、炼钢电弧炉、各种电力变流设备（整流器、逆变器、变频器）调压装置、大容量的电力晶闸管可控开关设备等产生谐波的设备时，最好选用过载能力强、谐波电流小、冷却效果好的整流变压器。如果使用普通的电力变压器，因谐波造成的过电流、过电压，会使变压器内部绝缘遭到破坏，使用寿命将大大缩短。曾有用户负荷有谐波，变压器使用不到三年就坏了，需、供双方还打起官司。

2.4 并列运行

按照《民用建筑电气设计规范》的设计要求，单台箱变变压器容量不宜大于800kVA[ 2 ]，而有些配电工程所需容量比较大，可以采用2台变压器并列运行。2台变压器并列运行要求变压器的电压等级、变比、额定容量、接线方式、阻抗均相同。

2.5 变压器与隔板距离

变压器与箱变隔板距离越大散热效果越好。有实验表明：变压器与箱变隔板距离为300mm时，散热效果较好，比较经济实用。所以，变压器与与箱变隔板距离一般设计为300mm左右，如果距离太大，箱变外壳也就大，不经济；太小，达不到散热效果[ 4 ]。

3 低压室

3.1 低压开关柜

低压室配置的低压开关柜，主要是改进型GGD，把标准高度2200mm改为1900mm，宽度和深度一般为1200（1000、800、600）X800（600）mm。也可以用标准的MNS、GCK、GCS低压抽出式开关柜，它们的高度均为：2200 mm，箱变高度相应增加；但是，箱变高度应控制在2500 mm以下，否则，汽车运输时可能会超高。低压开关柜一般由进线柜，出线柜，电容补偿柜组成，为了使箱变更紧凑，还可以把进线柜和出线柜合并，设计成进出线柜。为了使低压开关柜操作方便、安全，应避免在箱变中设计操作走廊，尽量在箱变外部操作。有操作走廊的箱变一般宽度会超过2500mm，运输时超宽。

3.2 低压断路器

低压断路器的选用，应根据具体使用条件选择使用类别，选择额定工作电压、额定电流、脱扣器（热磁、电子）整定电流和分励、欠压脱扣器的电压、电流等参数。

低压总断路器额定电流选择见表1，可选择ME（DW17）、DW15框架断路器，DW45、□W□等智能框架断路器。ME、DW45、□W□选用电动抽出式，均有明显的断开点，目前使用较多；DW15要与隔离开关配合，占用空间较大，目前使用较少。

低压出线断路器按照配电用、照明用、保护电动机用以及漏电保护用等不同选择；根据控制、保护对象的相数，选择单极、二极、三极、四极低压断路器。低压出线断路器一般连接出线电缆，出线电缆应预固定，避免电缆重量直接让断路器承受，使断路器开关出现分、合闸不灵活或其他故障[ 5 ]。

3.3 低压计量

变压器额定容量小于315kVA的变压器才会采用低压总计量。低压计量电流互感器变比参见表1，一般精度等级为：0.2S、0.5S，一般用防盗箱封在变压器低压端子上。低压计量表计有单相表，有三相表，均应铅封在不小于尺寸：600X500X150mm的表箱内，防止窃电。

3.4 电容补偿柜

常规补偿一般按照变压器额定容量的20-30%，工矿企业等特殊场合可补偿40-50%。普通电容补偿，一般选用隔离开关，熔断器，接触器CJ19，热继电器JR36，电容器BSMJ；如果考虑一般谐波因素，可以串联电抗器CKSG。

电抗器会抬高电容器端电压，其计算公式：

Un（串电抗器后的电容器电压）=U（系统电压）/1-K（电抗率）。

例：串6%电抗率的电容器，线路电压400V，Un=400V/1-0.06=425.5V，宜选450V电容器。

因选用的电容器额定电压升高，其实际电容补偿量会有所降低，Q=（400/450）2×Qn=0.79Qn，实际容量只有标称容量的79%。

举例：额定容量20 kvar，标称电压450V的电容器，其额定电流：

I=Qc/（1.732*Ue）=20/（1.732*0.45）=25.66A，

熔断器电流按照电容器额定电流的1.43倍选取：

1.43*25.66=36.69A，可以选用RT18-40A；

接触器电流按照电容器额定电流的1.3倍選取：

1.3*25.66=33.358A，可以选用CJ19-43A；

热继电器电流按照电容器额定电流的1.15倍选取：

1.15*25.66=29.51A，可以选用JR36-60（22-45）A，

电抗器选用CKSG-1.2/0.45-6即可。

电容器回路中的合闸涌流以及谐波电流，可以通过串接电抗器在电容器回路中加以抑制。电抗器自身的感抗与电容器的容抗部分抵消。反方向电压降抬高了电容器的端电压，而降低了电容器的实际有效补偿量。

因此，在进行补偿量的计算时，要综合考虑系统运行线电压、电抗率的大小和电容器的额定电压，详细计算，加以修正，得出正确的补偿容量。假设上例共10路，其标称总补偿容量为200 kvar，实际电容补偿量为0.79*200=158 kvar。

智能电力电容器是由智能测控单元、快速同期过零投切开关电路、线路保护单元、两台（△型）或一台（Y型）低压电力电容器组成。结构紧凑，接线、安装方便快捷，已逐渐被用户所接受。因其把元器件组装在一起，按照产品说明书选型即可。

3.5 CCC认证资质

箱式变电站属于10kV产品，不属于中国质量认证中心的强制认证产品。个别地方质量技术监督局对这个理解有异议，会对箱变内低压柜检查CCC标志。

中国国家认证认可监督管理委员会的回复是：箱变内装配的低压开关柜如果是自己公司生产的，可以不具备CCC认证资质，如果是外购的，则需要具备CCC认证资质[ 6 ]。

4 外壳

4.1 箱变外壳材质

箱变外壳材质一般分为：非金属外壳、金属外壳。非金属外壳以玻璃纤维增强水泥（GRC）外壳用量较大。墙板、顶盖、门都用GRC材质的是压铸成型的，浇注成型的墙板、顶盖，大门一般使用复合夹芯板材料，用铝合金包边。

金属外壳一般有：不锈钢、覆铝锌板、钢板。201不锈钢在室外，会生锈，304不锈钢防腐效果就好些，也最常用，海边盐雾比较大的恶劣环境，需要用316不锈钢。覆铝锌板具有优良的耐腐蚀性和耐热性，良好的导电性和加工性，镀层与漆膜的附着力好，使用寿命可达25年。特别要注意断口处的防腐处理。当使用钢板时，表面应进行喷砂处理，并喷涂优质防腐涂料；还可以热喷锌或达克罗处理，保证箱变外壳20年不锈蚀。

4.2 其它要求

箱变由高压室、变压器室、低压室三个独立小室组成。其内部结构可按品字形或目字型布置。箱变可采用自然通风和强制通风两种方式，在自然通风条件下，额定负荷运行状态下的变压器温升，应符合国家标准规定，达不到要求温控仪可启动轴流风机，强制排风。

箱变内部宜采取除湿、防爆和防凝露措施，并具有照明功能。箱体整体防护等级不低于IP33D，除变压器室外的其他隔室对外界的防护等级不得低于IP43D。各隔室之间的防护等级不得低于IP3X。顶盖尽量采用双层、斜顶结构，有隔热作用，減少日照引起的变电站室内温度升高，并确保站顶不渗水、滴漏。箱变大门锁盒宜采用户外铝合金锁盒，所有的大门应向外开，开启角度应大于90°，并设定位装置。

箱变外侧立面除明确标示“高压室”、“变压器室”、“低压室”字样外，还应设置明显的安全警告标识和标志，如“有电危险”、“禁止攀登”，闪电符号。箱变外形宽度尺寸不宜超过2200mm，高度尺寸不宜超过2500mm。

5 结论

箱变高压侧设备采用负荷开关+熔断器组合，能够满足大多数用户使用要求，箱变实现配网自动化、智能化是今后的发展方向。箱变内宜选用Dyn11连接方式的变压器。箱变低压侧设备宜选用改进型GGD开关柜。设计箱变时，特别要注意用户负荷有无谐波，正确计算修正补偿容量。正常情况下，箱变不宜超宽，超高。

参考文献：

[1] 黄绍平.配电变压器的熔断器保护[J].变压器，2004，41（2）：28-29.

[2] 注册电气工程师执业资格考试复习指导教材编委会.注册电气工程师执业资格考试相关标准（供配电专业）[M].北京：中国电力出版社，2010：757-758.

[3] 中国机械工业联合会，GB50052-2009，供配电系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[4] 张耀华，李汛.地下箱式变电站内通风换热的模拟计算[J].科学技术与工程，2006，6（19）：24-25.

[5] 姜明珠，王庆保，彭成强，郭敬然.一种箱式变电站底部穿引电缆用密封固定装置[P].中国专利：201520166883.3，2015，07，22.

[6] CNCA- C03-01：2014，强制性产品认证实施规则 低压成套开关设备[S].2014.

作者简介：

王庆保（1964-），男，工程师，从事电气成套设计工作20年，研发中心主任，拥有实用新型国家专利4项，发明专利实质审查1项，已受理发明专利1项，实用新型2项。

1）专利号：ZL 201520126576.2

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2）专利号：ZL 201520126559.9

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3）专利号：ZL 201520166883.3

一种箱式变电站底部穿引电缆用密封固定装置

姜明珠 王庆保 彭成强 郭敬然

4）专利号：ZL 201521140456.4

一种变压器模拟运输试验台

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