预装式变电站与预制舱式变电站的比较

中能电气股份有限公司 汪童志

预装式变电站在国内已有四十年发展历史，产品技术成熟、应用广泛、生产企业众多，对应的国际标准和国家标准不断完善。有些企业在典型设计基础上推陈出新，提供非标设计方案，衍生出新型结构的产品。预制舱式变电站是近十年来根据国家电网推广标准配送式智能变电站试点工程建设，以及新能源发电领域升压站快速建设需求而发展起来的一种新型变电站构建方式，它将不同电压等级变电站的不同设备与装配式钢结构建筑一体化设计，全面实现标准化设计、工厂化加工、装配式建设。相对而言预制舱式变电站发展历史不长，相关标准规范还不完善、生产企业不多，有人错误认为预制舱式变电站是尺寸更大、电压等级更高的预装式变电站。

1 发展历程简介

1.1 预装式变电站的发展历程

预装式变电站是预装的、并经过型式试验验证的、安装在一个外壳中的成套设备，包括电力变压器、高压和低压开关设备和控制设备、高压和低压内部连接、辅助设备和回路等。预装式变电站是20世纪60年代首先从欧洲发展起来的，当时在德国Siemens公司英文名为Packaged Substation(箱式变电站)，AEG公司英文名为Factory－Assembled Substation(工厂组装式变电站)、Kiosk Outdoor Type Substation(亭子式户外变电站)；在法国MG公司英文名为HV/LV Distribution Factory－Built Assemblies(工厂组装式高/低压配电装置)，Prefabricated Outdoor Transformer Substation(预装式户外变电站)，在Alstom公司英文名为Compact Substation(紧凑型变电站)。1995年IEC 1330标准将预装式变电站正式定名为高压/低压预装式变电站(High-voltage/Low-voltage Prefabricated Substation)。

我国预装式变电站是在70年代末期首先从欧洲引进而发展起来的。最早的名称为箱式变电站，简称“箱变”；以后有称组合(装)式变电站的、也有称户外成套变电站的。1998年8月GB/T 17467-1998《高压/低压预装式变电站》发布，该标准是根据IEC 1330:1995《高压/低压预装式变电站》而制定的，除额定电压和绝缘水平因电力系统而有差异外，在技术内容和编制思想上与IEC 1330等效。2010年9月GB 17467-2010《高压/低压预装式变电站》发布，该标准采用IEC 62271-202:2006《高压开关设备和控制设备第202部分：高压/低压预装式变电站》，并成为强制性国家标准；该标准主要增加了内部电弧故障、电磁兼容性、内部元件等项目的技术要求和试验要求。2020年3月GB/T 17467-2020《高压/低压预装式变电站》发布，该标准进一步完善了内部电弧故障试验和电磁兼容性试验、增加了对电磁场的要求、辅助回路和控制回路的附加试验要求等，并恢复为推荐性国家标准。

预装式变电站的高压侧额定电压一般为12kV或40.5kV，早期其高压侧曾采用隔离开关+熔断器保护，后采用压气式负荷开关及负荷开关+熔断器组合电器保护，现在一般采用SF6负荷开关及负荷开关+熔断器组合电器保护。预装式变电站的低压侧额定电压一般为400V或690V，一般采用固定式或固定分隔式开关柜、一台或多台液浸式变压器或干式变压器，高压连接和低压连接采用电力电缆或铜排。一般安装在地面上，在一些特殊场合也可以部分或全部安装在地面以下，构成所谓的半埋式或地埋式变电站（变压器）。

早期的预装式变电站一般应用于城市配电系统中，后扩展应用于电气化铁路系统、新能源发电场（站）、沿海码头、电动汽车充电站等场合。近十多年来，一些企业逐渐推出了铁路电力远动预装式变电站、光伏预装式变电站、风电预装式变电站、岸电用预装式变电站、充电桩用预装式变电站等新产品；这些产品是在典型的城市配电系统用预装式变电站基础上，对局部结构进行修改、对部分元件组合进行调整、对部分功能进行完善、对部分技术参数进行调整而发展起来的，其基本设计思路和结构并没有发生重大创新或实质性改变。

1.2 欧式箱变和美式箱变名称的由来

早期的高压/低压预装式变电站在国内简称“箱变”。90年代末期电网公司从美国进口了Pad－Mounted Transformer(落地式变压器)产品，该产品符合IEEE/ANSI C57.12系列标准，主要生产企业包括美国COOPER、GE、HI、WII、ABB等。从美国引进的落地式变压器开始也被简称为“箱变”，因为体积小、结构紧凑、散热好、高压侧采用屏蔽型可分离连接器（肘型电缆插头）、环网接线灵活、造型美观等优点，国内变压器企业纷纷引进生产，在城市架空线入地改造工程中得到大量应用，2000年前后甚至有取代高压/低压预装式变电站的趋势。为区分这两种类型的“箱变”，把高压/低压预装式变电站简称为“欧式箱变”，把从美国引进的落地式变压器简称为“美式箱变”。

2000年11月，JB/T 10217-2000《组合式变压器》发布；Pad-mounted transformer产品在国内有了统一的名称；组合式变压器被定义为“将变压器器身、开关设备、熔断器、分接开关及相应辅助设备进行组合的变压器”。但直到目前“欧式箱变”和“美式箱变”在口语及部分文献中仍被广泛使用。2013年4月JB/T 10217-2013《组合式变压器》发布，该标准适用的产品标称电压范围由6kV、10kV扩展到20kV和35kV。就像“洋瓷碗”、“洋瓷缸”之于从西洋引进的搪瓷工艺一样，“欧式箱变”和“美式箱变”承载着预装式变电站和组合式变压器产品技术引进和消化的历史背景。一方面随着这类产品技术的消化吸收再创新，“欧式箱变”和“美式箱变”的名称必将淡出历史，另一方面也没必要再造出“中式箱变”、“华式箱变”这类不严谨的名称。

1.3 预制舱式变电站的发展历程

2013年国家电网公司基建部在总结装配式变电站试点经验基础上，发布了《国家电网公司基建部关于开展标准配送式智能变电站建设工作的通知》（基建技术【2013】11号）。该通知要求第一阶段于2013年6月建成首批5项标准配送式智能变电站，采用“预制舱式二次组合设备”；第二阶段建成后续25项标准配送式智能变电站。2014年12月国电电网公司发布企业标准Q/GDW 11157-2014《预制舱式二次组合设备技术规范》，对预制舱体、预制舱式二次组合设备、预制电缆、预制光缆等术语做了定义，适用于110（66）kV～220kV智能变电站新建工程。

2018年12月国家电网公司在总结标准配送式智能变电站试点建设经验基础上，发布Q/GDW 11157-2017《预制舱式二次组合设备技术规范》，修订版适用电压等级提升至750kV电压等级变电站，增加了“机柜”、“舱体智能环境控制单元”等概念，修订了一些技术参数，完善了试验项目和试验方法。2019年10月国家电网公司发布企业标准Q/GDW 11882-2018《预制舱式10kV～35kV一二次组合设备技术规范》，定义了“拼接单元“术语。该标准适用于国家电网公司系统内35kV变电站新建、扩建、改造工程。

在国家电网公司开展标准配送式智能变电站建设期间，国内新能源建设如火如荼。在国家补贴退坡机制影响下各地光伏电站建设与时间赛跑，预制舱式变电站的建设模式在新能源升压站中得到广泛应用，充分体现了预制舱式变电站建设周期短的巨大优势。2018年6月国家能源局发布了行业标准NB/T 42167-2018《预制舱式二次组合设备技术要求》；国家市场监督管理总局和中国国家标准化管理委员会发布了GB/T 36283-2018《智能变电站二次舱通用技术条件》。

除上述已形成国家标准、行业标准或国家电网企业标准的预制舱式二次组合设备、预制舱式10kV～35kV一二次组合设备以外，国内许多企业还设计开发了预制舱式10kV开关设备、预制舱式35kV开关设备、预制舱式GIS、预制舱式主变、预制舱式站用变及低压配电设备、预制舱式SVG、预制舱式消弧线圈，以及生活预制舱，可实现35kV～220kV变电站全部设备预制舱化建设。

2 对比分析

预装式变电站是一种电力成套设备的结构形式，是一台成套设备（可能含有一台或多台运输单元），电压等级一般为10kV～35kV；预制舱式变电站则是一种变电站的建设模式，它将变电站的一次设备、二次设备、辅助设施集成在不同的钢结构预制舱体中，通过提高变电站设备工厂预制化程度及接口的标准化程度实现变电站建设效率的大幅提升，电压等级一般为35kV～220kV。预装式变电站一定含有变压器，预制舱式变电站的各种舱体中可只包含一种开关设备、也可把主变单独设计在变压器舱中。

预装式变电站与预制舱式变电站的主要区别为：本质属性。电力成套设备的结构形式/变电站的建设模式；适用电压等级。10kV～35kV/35kV～220kV；成套设备数量。一台/一台或多台；变压器。含/不含（变压器舱除外）；高压侧开关设备。设在独立隔室中/设在独立舱体中；低压侧开关设备。设在独立隔室中/设在独立舱体中；高压连接线。隔室间，电缆或铜排/舱体间，电缆或母线槽（桥）；低连接线。隔室间，电缆或铜排/舱体间，电缆或母线槽（桥）；主要使用场所。配电系统末端或新能源发电场（站）集电线路中/升压或降压变电站中；照明设施。选配/标配；空调设施。无/标配；壳体保温隔热。无要求/有要求；火灾报警设备。无/标配；安防设备。无/标配；消防设备。无/标配；通信设备。选配/选配；环境控制系统。无/选配；智能化运维设备。无/选配；可扩展性。无/可选预留。其中预制舱式二次组合设备可适用于750kV及以下电压等级的变电站中。

3 常见的故障或问题及解决方案

3.1 预装式变电站常见的故障及解决方案

3.1.1 过热故障

变压器在运行时因各种损耗而导致自身发热；预装式变电站的壳体如没有设计有效隔热措施，在夏季高温环境条件下会造成各隔室内部空气温度过高；预装式变电站内部各电气元件连接部位如电接触不良会造成局部温升过高；变压器室如空气流通不畅也会造成隔室内温度过高。如预装式变电站各隔室内部温度或各部位的温升超过规定值，会造成绝缘老化、保护设备误动作、设备寿命缩短，严重时甚至会烧毁设备。

解决方案：选择合格的电气元件，对于变压器要选择低损耗节能型产品；预装式变电站的壳体内应填充聚氨酯、岩棉或陶瓷纤维毯材料，内外壁间应设计断桥隔热措施，顶部还要设计空气隔热层；应使用红外测温仪器定期检查各元件，特别是连接部位的温度是否异常；应定期检查通风窗口及附近空气流通是否顺畅、风机功能是否正常，及时清理灰尘、异物；还可加装温度报警装置，方便运行维护人员及早发现过热问题并消除故障隐患。

3.1.2 过电流故障

预装式变电站发生过流故障包括过载、相间短路，对地短路和过电压引起的过电流，其一般在额定容量的80%范围内长期正常运行，如长期过载运行可能会导致过载保护动作；其自身直接导致相间短路故障的概率很低，一般是绝缘部件老化后由系统中其他设备故障诱发引起的；引起对地短路的原因很多，包括绝缘老化后对地闪络、电容器击穿、凝露造成的绝缘表面闪络等；如接地电阻不满足规范要求，雷电过电流也可能会引起对地过电流故障。

解决方案：合理配置变压器容量，尽量保证三相负载平衡，防止变压器长期过载运行；保证变压器室通风散热良好，防止变压器各部位温升超标；定期检查电器元件，特别要检查无功补偿设备运行是否正常，对于运行时间超过10年以上的设备应提高巡检的频次；安装时，预装式变电站底部电缆进出口应有效封堵，防止电缆沟潮气和小动物进入；保证接地电阻满足规范要求。

3.1.3 过电压故障

当电力系统因为雷击、开关操作或系统参数配置不当造成谐振时会产生过电压，一般通过在预装式变电站的高压侧和低压侧安装避雷器进行保护。如避雷器参数选择不当、避雷器质量不合格或避雷器阀片老化，系统过电压会引发设备故障；解决方案：合理选择无间隙金属氧化物避雷器，定期监测避雷器状态，必要时同时更换A、B、C三相的避雷器。

3.2 预制舱式变电站常见的问题及解决方案

密封问题。预制舱体积较大、长度甚至达到数十米，一般由两个以上拼接单元在变电站拼接而成，外壳防护等级一般要求达到IP54以上。在顶部焊接部位、拼接部位、门缝、通风窗口、空调安装口等部位如设计不当或工艺不良，在雨天会造成渗漏等密封问题；解决方案：严格控制焊接和安装工艺，通过结构防水和工艺防水相结合。在安装部位和开启部位，至少有一道结构防水措施+一道工艺防水措施，拼缝部位可设计多重结构防水或多重工艺防水措施，保证设备寿命周期内密封有效。

保温隔热和凝露问题。预制舱的骨架和外部围护结构一般采用钢材，在保温结构上可看成是内保温结构，热桥部位较多。在实际工程项目中，部分预制舱存在保温隔热效果不佳、空调系统能耗大，局部凝露等问题；解决方案：我国幅员辽阔、各地气候差异很大，应根据预制舱安装地点的气候特征合理确定保温隔热结构，提高舱体的热阻、降低其传热系数。夹芯隔热层可采用“聚氨酯发泡+空气间隙+岩棉”组合方式，内饰墙体可采用非金属阻燃材料。对于严寒地区，舱体底部也需设计成保温结构，辅助加热措施，对于湿热地区预制舱内需配置除湿设备。

耐腐蚀问题。预制舱使用的材料主要是钢材，包括碳素结构钢型材、冷轧钢板及镀锌钢板、热轧钢板、不锈钢板等，钢材构件的耐腐蚀性能直接影响其使用年限。如果选材不当或者表面防腐处理不严格，预制舱在安装数年后、甚至几个月后就会出现局部锈蚀现象；解决方案：在金属表面涂层防腐失效的原因中大约一半是底材处理质量不合格，另一半是涂料达不到要求及涂层施工不符合要求。对底材应采用机械处理（如喷砂、抛丸、吹尘）或化学处理（如酸洗、磷化等），应处理均匀、不能有点状或短线性的处理空缺。对于涂料选择及涂层施工，一般选择“环氧富锌底漆+环氧云铁中涂层+聚氨酯面漆”组合方式，严格控制各涂层膜厚和外观质量。

耐火极限问题。预制舱应满足防火规范要求。因预制舱采用钢材作为骨架，内外层表面一般也采用钢板，如隔热断桥设计不合理，耐火隔热性达不到标准要求，门板也达不到隔热防火门或部分隔热防火门的要求，耐火极限偏低；解决方案：预制舱的内、外表面应采用不燃材料做防护层，内部填充的绝热层材料燃烧性能不应低于B1级，用不燃性材料作为隔热断桥，墙体厚度应达到120mm以上。

超限运输问题。预制舱在工厂内集成安装调试后，一般通过公路运输到变电站现场。根据《超限运输车辆行驶公路管理规定》，车货总高度从地面算起超过4米、或车货总宽度超过2.55米、或车货总长度超过18.1米都属于超限运输车辆，需办理相关申请、经许可后方可按要求通行，超限车辆的运输时间和运输成本会不同程度增加；解决方案：对于工程项目，在进行方案设计时首先需考虑运输单元的分割方案。运输单元的高度最好不超过3.2米、一般不超过3.5米，宽度最好不超过2.5米、一般不超过3.0米，长度最好不超过12.2米、一般不超过15米。对于超高、超宽、超长的预制舱，应通过巧妙的模块化设计将其分割成不同的运输单元。

3.3 技术发展趋势

智能化。将一次设备和二次设备深度融合，实现一次设备智能化。电子式互感器与一次设备融合设计，实现数据源头的数字化、数据共享。基于共享信息的设备操作自动化与互动化。多种在线监测装置协同工作，配合专家系统使得设备状态检修更方便、更科学；网络化。将一次设备和二次设备深度融合，实现二次设备网络化。在IEC 61850标准基础上，将间隔层设备与过程层设备融合设计，将过程层设备与通信网络融合设计。辅助设施通过无线网络灵活组网；模块化。变电站设备按照功能类别放入不同的舱体模块，舱体拼接单元的模块化设计、积木式灵活拼接。舱内辅助设施和内饰部件也按模块化设计。

标准化。电气设计、土建设计标准化，形成典型通用方案。电气设备、辅助设施、装修装饰部件选用通用设备，具有互换性。预制光缆、预制电缆的标准化，数字化信息接口和通信协议的标准化；一体化。将预制舱体结构部件与辅助设施和电气设备壳体一体化设计，例如将配电箱嵌入墙体设计、暖通风管嵌入舱顶设计、开关设备和控制设备骨架与舱体构件融合设计、走线槽与踢脚线和收边条融合设计、安装元件与装饰部件融合设计等，提高舱体空间利用效率，优化施工工艺。

综上，预装式变电站是一种成熟的电力成套设备，在国内有四十年的发展历史；该产品在实际应用中可能会发生过热故障、过电流故障或过电压故障；应搞清楚发生这些故障的原因并采取必要的措施消除故障隐患。预制舱式变电站是一种新兴的变电站建设模式，近年来在国内发展迅速；它与预装式变电站既有联系、又有本质的区别；采取适当的设计方案，消除该产品在实际应用中经常产生的密封问题、保温隔热和凝露问题、耐腐蚀问题、耐火极限问题、超限运输问题等，对其推广应用具有重要的意义。未来预装式变电站和预制舱式变电站将向智能化、网络化、模块化、标准化，一体化等方向发展。