智能化小型化箱变的难点分析

蔡冰华

（湖北省电力装备有限公司，湖北 武汉 430060）

由于我国经济的迅速发展，城市与乡村之间的电网建设蓬勃发展。针对城乡之间的电网构建，国家要求必须以高压的电流直接接入其负荷中心区域，这样就会造成高压受变降压。所以，供电中需要有方向有目的地进行调整，比如需要节省电源，研发小型化智能化设备。因为城乡居民需要比较便利的电力供应，所以箱变应用更加广泛且较安全，除此以外，还需要具有智能化的效果。但目前智能化的技术设备很多，分析起来比较困难，本文对此进行了探讨。纵观国内外，制造箱式变电站的企业有很多，不过制造小型箱式变电站的极少，但是它们在市场上的需求却日趋旺盛，小型化智能箱变具有很大的优势特点。例如：它们具有比较先进的技术支持；从箱体的材料来看，其选用的是镀铝锌钢板，其框架是运用极严格的工艺制造的，而且防锈防腐。占地面积比较小，这种箱变的体积仅仅是传统箱变的32%，所以，在有需求的环境中大多数角落均可直接安装。工厂化预定制：依据模块化的设计以及制造的步骤，这些设备所在的车间都是一次性地进行安装与调试，在安装现场中，只需要很少的几个步骤即可安装完成，整个过程只需要一周时间即可。

箱式变电站分为美式箱式变电站和欧式箱式变电站。美式箱式变电站的开关、保险丝等部件放置在变压器箱中，形成一个综合设备。采用变压器油作为带电部件与地面之间的绝缘介质，使部件体积最小化，结构更加紧凑，安装方便灵活。箱内装有压力表、油位表、油温表等仪表及其他监控装置。欧式箱式变电站在中国一般被称为组合变电站。它们一般是将开关柜以及低压配电装置在三个不同的隔间之中布置，然后通过电缆等实现母线的相互连接。比较高的电压一般是在3.6-40.5kV 范围，其中间还有一个或者多个变压器，便于调节其压力。

最近几年以来，我国对于智能化电网的规划进行了相关的建设与创新，由于社会的不断进步，智能化电网的发展步伐也比较迅速。各个企业商家之间的竞争法宝就是智能化的配电产品。因此智能化产品得到了很多厂家的大力研发和生产。先前比较古老的变电站无法满足智能化的要求，这为智能化变电站的发展提供了发展空间。智能化变电站在以后的市场上会成为最受欢迎的产品。

1 智能化小型化箱变的研究现状

1.1 国内智能化小型化箱变应用现状

在上个世纪，简单的箱式变电站开始问世，电力部门制定了相关的政策与指标，但是它的应用范围并不宽泛。到上世纪末，箱式变电站在乡村电网改革的基础上大力发展起来，得到了广泛的应用。电网改造的目的在于对城乡建设和改造的变电站进行工厂化和移动化运行，因为智能化小型化箱变对于负荷中心的深入比较方便，加之会很容易减小供电的半径，因此非常适合对于乡村电网进行改造。由于智能电网发展比较迅速，国家越来越注重环保问题，因此，其现在已经朝着一个更加环保、清洁的方向进行发展。箱式变电站的发展目标逐渐向模块化、智能化的方向进行发展，这样比较方便操作，而且还有利于环保，所消耗的成本也比较低。

模块化的结构被智能化箱变所应用。依据高压开关与电网连接可以将其分为：环网式、双电源式或终端式。按设备布局位置可将其分为：目字型和品字型。相反，智能变电站有这些相反的优势。因此，在全球，箱式的变电站被大力推广且得到了有效的应用，并且市场越来越大。因此，对智能变电站的研究具有一定的价值。

依据我国地形的分布以及各地的经济发展水平，对于我国的电网分布进行了一定的划分，这样的划分比较符合我国以后的发展。我国能源消耗大，大部分采用风力和太阳能进行发电，这样可以使得资源得到持续使用。目前中国的智能电网建设已经上升到国家战略的高度。智能变电站也会成为我国电网的主要平台，它的应用一定会有广大的发展空间。

这表明智能变电站有一个光明的未来。依据我国的十二五规划：截至2015 年，我国共构建了大约5182 座智能化的变电站，其中500kV 以内的变电站约两百多座，330kV 以下的约五千多座，110（66）千伏的变电站630 座。在“十二五”期间，新构建的智能化变电站大约投资五百多亿元，其中对其进行投资建造装修大约需要不到一百亿元。按照智能化改造环比20%的节约份额计算，智能化改造投资达到3200亿元左右。

1.2 国外智能化小型化箱变应用现状

箱式变电站是欧美发达国家在上世纪六七十年代推出的一整套户外变电站设备。本产品采用预装式设计，即箱内所有设备均在工厂内安装检查，并运至现场连接进出线电缆。

目前，美国电力公司已经开发出一套非常紧凑的箱式自动控制系统，这个系统具有多种功能，比如能够对系统进行良好的保护以及进行数据之间的统计与归纳，并且操控部位比较少，所需成本低。智能变电站在发达国家配电领域发挥了非常重要的作用，这个是截至目前为止，在变电站中实施的最大变革。

2 当前市场常规箱存在的问题

由于箱体体积大，运输不便，且散热设计不完善，所以夏季用电高峰期会出现故障，运行的安全性和稳定性不够好。另外，采用常规变压器，耗电量比较大，能耗也比较高。针对上述问题，目前研究人员对其进行了大量的研究和技术创新，极大地提高了设备的运行性能，有效地解决了相关问题。

2.1 箱体结构的改进

箱体采用双层幕墙和金属雕刻复合板，美观大方，而且隔热板重量轻。因为它可以长久地在室外进行应用，使用时间长，最重要的是比较方便在各种场合下进行安装。箱体的底部以及侧面和顶部都是大面积的设置，这样可以有利于增强空气流通和散热，可以增强设备运行的可靠性。

2.2 对高压电源的技术革新

2.2.1 可靠永磁机构真空断路器

断路器操动机构使用的是永磁机构，并且其运行线圈不会进行充电，防止线圈遭到烧灼，一般情况下，传动器的装备都是比较简单的，使用时间也比较长，应用起来也比较安全可靠。

2.2.2 全面智能精细保护

常规设备由于短路阻抗大、短路电流小、保护整定值步长大等原因，不能有效地保护终端故障，常常导致跳闸。作者公司箱变保护定值可连续调整，定值调整准确可靠地解决了跳闸问题。

2.3 对变压器的技术革新

2.3.1 节能环保的卷铁芯技术

损耗小：将磁芯片放在硅钢片的部位然后进行绕圈，可以将硅钢片的优势充分地显现出来，导致磁路的变形比较小，而且可以有效减小损耗以及电流。和其他的变压器进行比较，空载的电流大概是80%，空载的消耗量大概是30%。

环保低噪声：由于绕线式变压器铁芯的整体结构紧凑，而且声音比较小，所以满足环保要求。

设备防盗：绕线式铁芯是一个整体部件，而且其里面的芯片不能松，不能将里面的线圈去掉。因硅钢片属于比较硬的材质，所以它具有很好的防盗功能。

2.3.2 有载节能技术

根据数据显示，中国目前变压器的总耗损率大约为10%，其中大约五分之三的电网属于中低压，而且其损耗占到了五分之二左右。如果将其损耗稍微降低一点，每一年可以节省电量高达数百亿千瓦。因此对于配电变压器的损耗降低的研究，刻不容缓。对于配电变压器来说，在季节性和周期性用电低谷期间，变压器的损耗一般比较低。一般情况下，在负荷比较轻的时候，其空载的损失会极大降低，并且体积比较小的空载其损耗能力比体积大的三分之一还要小，它的节能效果也比较好。

3 箱式变电站智能化系统研究

截至到目前，箱式变电站已经慢慢地作为我国低压配变电站最核心的配电装置。由于电力系统迅速的发展与创新，其配电的技术及创新能力也得到了很大的发展，因此智能化小型化箱变被逐渐研发并应用。在这一研究的过程之中，需要对相应地区用电的需求进行合理的估计，对其发生意外的可能性进行合理性的预测，争取能够迅速区将智能化箱式变电站发展起来，增加企业经济效益，这对行业发展而言，具有举足轻重的意义。

一般情况下，智能化小型化箱变的实施方案主要是高低压系统。各个设备相对而言比较独立，可以完成各类数据的相关采集以及归纳，可以根据数据对于功能进行保护与运行。还可以使用相关的软件如Alpine进行很多事情的处理，并且能够发现一些由于局部问题造成的全面坍塌，确保尽快找出问题的根源进行维修，确保各个模块能够正常稳定地进行工作。因为箱式变电站需要对其进行一个统一的管理，所以各个模块还具备管理以及通信性能。一般其结构为CPU 协同工作模式，在每个智能化的末端，都会配置监控设备，实现各模块之间的相互通信。

3.1 DTU 监控模块

DTU 监控模块不仅是箱式变电站地区的数据传输设备，也是箱式变电站地区配电网的重要远程终端。主要完成数据传输、通信参数设置和通信协议验证，并通过局域网can/DeviceNet 对箱式变电站所有机柜进行管理，DTU 监控模块还可以进行人和机器协同工作，使得很多工作可以通过人为的操作来完成。

3.2 高压侧

压力比较高的情况下，箱式变电站应用方面比较智能化。截至目前，环网柜还不具备比较高效的监控功能。因为满足自动化设备的需求，需要建立三遥系统。由于我国城市化电网的改造以及配电自动化系统的迅速发展，因此很有必要研发一种以环网柜为基础的监控设备，这样可以使得环网柜的终端以及全部过程得到实时的监控与监测，能够对其有一定的保护作用。

3.3 变压器室

变压器室的功能是对于工作的各个设备进行实时在线的监控。在整个系统之中，变压器室主要是将高压转换为低压，为低压用户提供便利的电力设备。它的数据是整个系统最为重要的部分，比如功率、频率等，数据是决定了配电变压器是否能正常运行的关键。所以，需要对变压室的各个参数进行系统的整理以及分析，从而可以预测其是否可以正常稳定的运行。

4 结束语

由于我国小型化箱式变压器的发展才刚刚起步，理论还不够成熟，国内配套设备也不完善。但随着相关配套部件的开发和引进，箱式变压器的小型化设计将进一步完善。这一产品的质量比较轻，而且成本比较低，维修比较便利。其损耗量比传统箱式变压器明显要低得多，成本可降低25%左右。此外，箱变采用防盗结构，五防可靠，可深入负荷中心，显著提高供电质量。纵观以上特点，开发生产小型化箱式变压器将带来显著的经济效益。

随着智能电网建设的加快，智能高山设备的需求将不断增加，智能化、网络化设备的需求也将不断增加。因此，智能高山将成为一种发展趋势。本篇文章尽管对于智能化小型化箱变做了系统的研究，但还是存在几个问题：

（1）需要对于智能化的低压断路器进行系统详尽的分析研究，使其能够实现对于温度的监测并能够实现可以自动报警的功能。

（2）需设计一个视频系统来实时监控箱变的里外构件。