一种双层双变压器箱式变电站的设计及应用

刘建光，张小明

（1.广东电网公司仁化供电局，广东 仁化 512300；2.海鸿电气有限公司，广东 开平 529339）

节能减排是世界性的共同话题，2020年中国提出“碳达峰碳中和”的发展战略目标，绿色低碳发展已成为全球发展的重要方向。电力行业的碳达峰、碳中和进展将直接影响“双碳”目标的实施进程。加快数字配电网建设、打造更加灵活高效的能源资源优化配置平台、大力提升新能源消纳和储存能力等是推动构建以新能源为主体的新型电力系统的重要手段；与此同时，降低电力的能耗，也是有助于电力行业实现碳达峰、碳中和目标的措施之一。箱式变电站具有数量多、分布广等特点，降低箱式变电站本体能耗，能有效解决电力能耗问题。

1 箱式变电站设计方案

箱式变电站集成了变压器、高压柜、低压柜的多功能需求，所以传统箱式变电站体积较大，在生产制造中须要用到大量的金属或非金属材料，在运行过程损耗大，在建设中须要占用较多的土地资源，所以传统箱式变电站不符合绿色低碳发展的要求。本文提出了两种箱式变电站的技术方案。第一种是箱式变电站的节能技术：通过降低箱式变电站中变压器设备的空载损耗和负载损耗，同时在箱式变电站中加装光伏新能源，从而有效降低箱式变电站能耗，达到节能的效果。第二种是箱式变电站的小型化设计：通过紧凑式设计方案[1]，减小箱式变电站的尺寸，减少生产制造过程中的材料用量，在建设过程中减少土地资源的占用。

1.1 箱式变电站设计方案

为了减少箱式变电站本体的损耗，达到箱式变电站容量大，损耗低的目的，方案可以从以下两个方面入手：研究节能型变压器[2]和在箱式变电站中加入光伏发电系统。

1.1.1 节能型变压器设计

变压器在传输功率的过程中其自身要产生有功功率的损耗（即空载损耗与负载损耗的总和）。也就是说如果要让变压器节能，即减少变压器的空载损耗和负载损耗。

变压器铁芯设计：变压器的空载损耗俗称“铁损”，由变压器铁芯决定，为了从源头解决变压器空载损耗高的问题，本文对比了现有的叠片铁芯和立体卷铁芯两种结构的设计[3]，如图1所示，两者的重量对比如表1 所示。从表1 中可以看出，立体卷铁芯比叠片铁芯重量平均下降18%，由于叠片铁芯在生产过程中须要冲掉上下铁轭及芯柱部分的三角形废料，约占叠铁芯总重的5%，综合起来，立体卷铁芯结构比叠片铁芯结构重量平均降低了23%，空载损耗下降18%～28%。立体卷铁芯横截面是接近圆形的准多边形，其填充系数比叠片铁芯高4%～6%。综合利用立体卷铁芯变压器空载损耗低、填充率高的优点，其铜材用量比叠片铁芯变压器下降24%以上，铁芯用量可下降26%以上。

表1 两种容量变压器立体卷铁芯结构与叠片卷铁芯结构的对比

图1 立体卷铁芯与叠片铁芯

变压器线圈设计：在以往的干式变压器中，通常将线圈设计为多饼结构以降低饼间电压，且通过分开饼间距离来满足电强度的要求，但电压越高，所需的线圈饼数越多，饼间距离的总和也越大，因此干式变压器的线圈整体高度升高，体积增大[4]。为了设计小型变压器，饼式线圈的内线圈与外线圈分离以形成空气通道，并且两个相邻饼式线圈的内线圈由第二分离块分离以形成空气通道，两个气道配合，使饼卷再次工作时产生的热量有效迅速地散失，与传统干式变压器线圈相比，饼间电压大大降低，从而降低了干式变压器的整体高度，达到了小型化的目的，如图2 所示。综合分析，立体卷铁芯敞开式干式变压器与叠铁芯干式变压器相比较，重量可以减少30% 以上，体积可以平均减少1 m³以上，对比表如表2所示。

图2 变压器饼式线圈

表2 立体卷铁芯敞开式干式变压器与叠铁芯干式变压器体积对比

变压器年运行成本：变压器的损耗只要变压器在使用中就会产生，因此这里引入“变压器全年运行成本”这个参数，可反映出变压器运行一年所消耗的电费。对比两台容量800 kVA，短路阻抗6%的立体卷铁芯敞开干变SGB-RL-NX2和叠铁芯敞开干变SGB10，立体卷铁芯敞开干变SGB-RL-NX2的年耗电量减少10463 kWh，年运行成本减少7638 元，对比如表3所示。

表3 立体卷铁芯敞开干变SGB-RL-NX2 与叠铁芯敞开干变SGB10对比

1.1.2 箱式变电站顶盖光伏系统设计

箱式变电站长期处在户外运行，为了更好地利用太阳能，本文设计一套箱式变电站顶盖光伏系统，由于储能设备造价昂贵，且储能设备易发热存在安全隐患，所以选择了光伏并网方案。在发电材料选型方面，晶硅材料与CdTe（碲化镉）材料这两种发电材料，发电性能的对比如图3所示，从图3可已看出，相同辐照条件下CdTe电池的发电性能比晶硅电池要高，且弱光性好，所以选用CdTe电池的方案为优选方案。

图3 不同辐照条件下发电性能对比

光伏组件的输出电压须要大于或等于逆变器的启动电压，小于或等于逆变器的最高电压。光伏组件的输出电压在逆变器的满载MPPT电压范围内时，效率较高。由于箱式变电站顶盖面积较小，整体光伏容量小于6 kW，优先考虑采用单相逆变器，逆变器的输入电压为90～560 V，工作额定输入电压为360 V，满载MPPT电压范围为315～480 V。配置功率为105 W、开路电压59 V、最大工作点电流2.30 A，长宽高分别为1200 mm×300 mm×6.8 mm 的共计24块，将24块分成4组，每组6块。将这6块第一种规格光伏板串联，串联电压相加，那么每组电压为59 V，串联总电压为354 V，在单相逆变器的输入额定电压342 ～378 V的范围，可以保证逆变器有较高的效率工作，若是多一块或者少一块光伏板都会对逆变器的工作效率有较大的影响。箱式变电站箱盖上方的面积长宽分别为5500 mm、1900 mm，则箱盖的面积为10.45 m2。单个光伏板上表面的面积为0.36 m2，共计24块，占据的总面积为8.64 m2，那么铺设完后还剩下1.81 m2的空间。而8块光伏板共须要2.88 m2的空间，大于剩下的1.81 m2，可见剩余的面积不足以再安装多块光伏组件，且由于光伏组件形状和剩余部分的面积限制，单个光伏板也无法安装在箱盖上，剩余的面积不用会浪费，因此采用安装第二规格的光伏板来增加发电量：功率为25 W，开路电压28.8V、最大工作点电流1.08A、长宽高分别为600 mm×300 mm×6.8 mm的光伏板共计6块，总面积为1.08 m2，小于剩余部分的面积，可以成功安装到箱盖上。剩余部分的面积考虑安装的间隙、误差等因素，不能再继续安装多余的光伏组件。将6 块第二种规格的光伏板分成2 组串联，最后得到电压86.4 V，得到的串联总电压不在315～480 V 的范围，为了让逆变器运行处在最优状态，将24 块第一规格和6 块第二规格的光伏板分为4 组，并联后输入逆变器，所以对于逆变器的MPPT 来说，有1 组电压为354 V，1 组电压为440.4 V，均处在满载MPPT 电压范围内（315～480 V），所以可以达到最大的发电效率，是最优的计算方案如图4所示。

图4 光伏板布置

1.2 双层双变压器箱式变电站设计方案

1.2.1 双层双变压器箱式变电站设计结构

为了实现箱式变电站的小型化设计，减小箱式变电站的尺寸，从而减少生产制造过程中的材料用量，本文设计了一种双层双变压器结构的箱式变电站（变压器容量2台800 kVA，如图5所示）[5]，将2台变压器布置在箱式变电站的第二层，高压柜和低压柜布置在箱式变电站的第一层。

图5 双层双变压器结构

通过表4 可以看出，与功能一致的配置两台普通的单层箱式变电站（欧变）相比，双层双变压器结构的箱式变电站占地面积减少41%，减少42%土地占用资源，材料碳排放量减少33%。

表4 双层双变压器箱式变电站与单层单变压器机构箱式变电站对比表

1.2.2 双层双变压器安装稳固性评估

本文设计的双层双变压器箱式变电站中双变压器采用立体卷铁芯敞开干变SGB-RL-800 kVA，重量为2450 kg，使用16b 槽钢比台架式配电变压器留有更大的裕度。所以可以看出双变压器的安装稳固性是非常可靠的。

1.2.3 双层双变压器箱式变电站的维护

双层双变压器箱式变电站，分为上下两层结构，上层为两台800 kVA敞开式立体卷铁芯干式变压器，下层配置4面高压柜和9面低压柜，在维护方面，布置在第二层的变压器成为难点，在实际运行中，对于变压器的维护包括2个方面的内容：第一是变压器日常维护测温，箱式变电站中设计测温窗口，在箱式变电站第一层位置就可以实现变压器日常测温维护；第二是对变压器的调档维护，虽然在实际维护中，变压器调节档位的次数很少，如果须要调档维护，其维护的流程和常规变压器类似。步骤一：箱变停电处理，按照安全规定要求保证变压器的高低压侧均不带电。步骤二：通过变压器自带的档位开关调节变压器的电压档位，使其满足运行电压的要求，考虑到变压器在第二层的位置，离地面约1.6 m的高度，对于部分维护人员来说，可以采用箱式变电站自带的操作梯进行变压器调节档位的操作。综上所述，双层双变压器箱式变电站的维护与常规单层箱式变电站类似。

2 双层双变压器箱式变电站应用案例

项目原方案：项目原计划新建的双层双公变配电房，长10.88 m×宽4.13 m×高7.5 m，占地面积约44.93 m2，建成后会阻挡周边居民楼阳台、窗户，遭到居民的强烈反对，项目建设难度大。

优化方案：采用双层双变压器箱式变电站，总占地面积由44.93 m²下降为9 m²，减少35.93 m²；纵向高度由7.5 m下降为2.9 m，减少4.6 m；土建由双层电房土建建筑，改为双层箱式变电站基础，减少90%土建投资。应用在城中村项目的双层双变压器箱式变电站如图6 所示，安装过程克服城中村道路狭窄、运输卸货难、人流车流密集、管线多、安装位置受限等重重困难，建成后有效满足周边400 多户居民用电需求，且保证居民正常生活。

图6 应用在城中村双层双变压器箱式变电站

2.1 变压器节能效益

从表3可以看出，对比两台容量800 kVA，短路阻抗6%的立体卷铁芯敞开干变SGB-RL-NX2 和叠铁芯敞开干变SGB10，本项目使用的立体卷铁芯敞开干变SGB-RL-NX2 的年耗电量减少10463 kWh，年运行成本减少7638 元，按变压器30年的使用寿命，可以减少229140元运行成本。

2.2 光伏效益

项目应用在广州地区，装机容量1350 Wp。

投资成本：共计5805元（其中CdTe（碲化镉）光伏组件2.8元/W，逆变器0.3元/W，电缆费0.2元/W，并网设备0.5元/W，施工其他费用0.5元/W）。

光伏效益计算：居民用电电价0.9元/kWh；由于光伏装机容量较小，所以消纳比例100%；首年发电量1228.5 kWh，按系统效率0.8 计算，25年发电量27764.1 kWh；所以投资回收年限6年，25年总收益24987元，净赚19182元。

综上所述，双层双变压器箱式变电站顶盖光伏可以带来19182元的收益。

3 结束语

本文提出了双层双变压器箱式变电站设计方案，评估了变压器在二层位置的安装稳固性以及变压器维护方便程度，方案的经济效益明显，与功能一致的配置两台普通的单层箱式变电站（欧变）相比，双层双变压器结构的箱式变电站占地面积减少41%，减少42%土地占用资源，产品体积小，重量轻，减少50%安装、运输成本。同时，结合更高能效的变压器设计及光伏安装，带来更多的经济效益，为小型化箱式变电站的设计带来了可借鉴的新思路。