屋顶分布式光伏电站开关柜与箱变设计

林明敬

（维电云电力技术（上海）有限公司，上海）

引言

我国太阳能资源较为丰富，多数地区年平均日辐射量在4 kWh/m2.d 以上，与同纬度其他国家相比，较欧洲、日本更为优越，因而具有广泛建设光伏电站的优渥条件。但从光伏电站开发设计角度而言，保障开关柜与箱变设计合理性，确保其有效发挥作用，并最大限度保证安全，则是值得深入研究的课题。

1 项目概述

本文所述项目中，拟定光伏装机容量为2 333.76 kW；采用10 kV 自发自用、余电上网的并网方式；光伏发电系统通过光伏接入柜接至用户变电所内原单母线接线型式的10 kV 母线。设计规划过程中，主要设备为6 台10 kV KYN28 柜、2 套YMB-12 预装式光伏箱式变电站；保护装置采用ISA-392GA-MP 保测合一装置；配套后台监控设备：远动通信屏、公用测控屏、监控主机屏、AGC 与AVC 服务屏、交流屏、直流屏等。

2 开关柜及光伏箱变设计

项目规划设计过程中，拟定装机容量为2.33376MWp，采用分块发电、集中并网方案。为了切实达到预期目标，总体方案部署时，加强了技术实现、经济性分析，在综合对比下，决定选用660 Wp 单晶硅双面双玻电池组件，数量共计3 536 块；选用110 kW 组串式逆变器18 台；选用1 250 kVA/10.5 kV 箱式升压变压器2 台。为确保开关柜及光伏箱变设计有效实现，对电池组安装进行优化分析，基于2 座建筑工程特点，决定将电池组件采用顺坡平铺安装方式；每20 块电池组件为1 个光伏组串、每8-10 路光伏组串并联汇入1 台110 kW 组串逆变器，每9 台逆变器汇入1 台箱式升压变压器，继而构成1 个光伏子方阵，在两栋建筑屋顶共建设2 个光伏子方阵[1]。

2.1 电气设计

电气设计环节，主要涉及电气一次、电气二次的规划。电气一次设计主要是整体电路走向，即：2.33376MWp 光伏并网电站系统由2 个厂房屋面组成，光伏就地升压至10 kV 后，以1 回10 kV 线路接至用户变电所新增光伏开关站10 kV 母线上，然后以1 回10 kV 线路接入变电所内新增光伏接入柜，通过母线桥由接入柜并入用户原10 kV 母线，见图1。光伏电站为10 kV 电压等级，1 回出线后就近接入用户负荷，二次电气线路设计以地方管理规范为基准，具体按照无人值守原则设计，电站运行以计算机控制系统为基础。

图1 光伏接入柜电气平面布置示意

2.2 设计计算

在对现场实际情况深入了解后，发现A6 厂房与箱变所在位置较远，电力传输过程中，可能产生较大压降，当压降过大时则不利于电力电压的有效供应并对并网产生严重影响。对此，针对压降问题进行详细分析并给出优化措施。具体而言，对现场进行详细勘察、采用红外测距仪进行测定，结果表明A6 建筑房顶的逆变器与光伏箱之间约有2.1 km 距离，且基于原电缆型号为ZRC-YJLHV22-0.6/1kV-3*95 mm2铝芯电缆，通过以下公式计算：

最终得出压降为29.2 V，这已然超出规范规定的电压值。为了有效解决该问题，加强了与业主的沟通，其希望制定多种技术方案综合考量解决压降问题。基于该诉求，最终制定箱变变更选址、特殊定制变压器调压分接头、增加电缆截面等三方面解决方案。考虑到项目施工进度及方案经济性、实效性，最终采用增加电缆截面，将电缆参数变更为ZRC-YJLHV22-0.6/1kV-3*120 mm2，变更后重新计算压降值满足并网电压要求[2]。

2.3 开关柜设计

开关柜设计过程中，以实际需求为基准选择了10 kV 开关柜，其额定技术参数见表1；该开关柜为金属铠装移动柜，为了切实保障安全，增强了绝缘结构。

表1 10 kV 开关柜额定技术参数

开关内一次元件包括真空断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、接地开关、零序电流互感器、带电显示器等。鉴于实际情况，变电站10 kV 系统短路电流的额定标准为25 kA，因此开关柜的短路电流同样按照25 kA 配备。在对开关柜设计展开进一步分析时，针对光伏电站10 kV 系统三相短路电流进行分析，其电流为15.215 kA，故10 kV 侧短路电流水平按25 kA 选择设备。开关柜额定电流计算按照2.33376MW 计算：2333.76/（√3×10）=134.74 A。断路器选用630 A、25 kA，光伏进、出线柜电流互感器推荐选用10 kV、200/5 A、25 kA 的设备，PT 柜电压互感器选用。开关柜内避雷器推荐选用1 组10 kV 氧化锌避雷器YH5WZ-17/45。

2.4 升压箱变设计

2.4.1 箱变结构

箱变参数及结构组成见表2，变压器内部硅钢片采用优质、低损耗产品，具有结构紧凑、安全可靠等特征。外壳钢板厚度2.0 mm、箱体骨架为焊接式，进出线均位于箱变底部，外箱体上预留安装智能子阵控制器空间[3]。

表2 箱变参数及结构组成

另外，设计初期的光伏箱变，为三合一保护测控装置，电源取自二次监控室的直流屏。然后在技术研讨会议中，施工单位提出将测控装置电源从监控室引至箱变中的建议，以便于施工作业。该方案涉及穿墙、预埋等，甚至会伴有积水问题，故决定对于原有计划进行优化，即将测控装置的电源直接取自箱变，同时考虑到直流电源的属性、电源稳定性、可靠性等问题，给出了进一步的优化方案，在高压AH1 柜装设分布式直流电源HZ-DY220F 并配2 节20 AH 电池，保证孤岛时主回路电源断电情况下还能持续供电6 h，使后台监控系统正常读取测控装置上传信号，进而解决故障问题[4]。

2.4.2 通风设计

箱变内部结构设有自然通风口，并配备机械排风设施，保障相关电子元件在高温环境下正常运行，将温度控制在标准范围内。但存在一个问题，箱变装置常年曝晒，该情况下将导致箱体内部异常高温的现象发生，既有排风设施可能无法满足实际降温需求，例如夏季高温阶段，箱变内部温度可高达60 ℃左右，这将严重影响电气设备的性能，甚至影响到有关电气设备元件的使用寿命。对此，为了有效达到降温效果，针对通风降温给予了细化设计，加装1 台1.5 匹变频空调，由HGWK-P-J 面板式温度传感器根据环境温度自行启闭及调节温度；增加箱变各室外壳的通风栅及外壳加工成内外双循环结构。

2.4.3 保护测控装置

为保障箱变安全，在每台箱变的低压开关柜内均设置一台箱变保护测控装置，其工作条件见表3，可记录箱变内各种电气量参数、非电气量参数，相关数据会被及时上传，从而满足自动化系统测控需要。该测控装置具有非电量保护功能，包括高温报警、超温跳闸、温控器故障等。

表3 保护测控装置工作条件

2.4.4 高/低压侧元件

高压侧元件主要有负荷开关、熔断器、避雷器等，其中高压负荷开关必须具有手动、电动及远程自动操作等功能，并与高压接地开关连锁，高压负荷开关选用了国产优质产品，其电气参数见表4。

表4 高压负荷开关参数

高压熔断器选用优质产品，其电气参数见表5。

表5 高压熔断器参数

低压侧元件主要有框架断路器、塑壳断路器、电流互感器、浪涌保护器、温湿度控制器、UPS 电源等。其中，框架断路器为固定式开关，其技术特性符合GB标准要求；浪涌保护器参数见表6；UPS 容量为2 kVA，维持时间为60 min。

表6 浪涌保护器参数

2.5 试验分析

2.5.1 例行检验

例行性检验分析主要是对系统设备运行工况、电力资源运输情况等进行检测、测定，包括针对检测问题进行调整、校正，对电气柜通风性能、电阻、阻抗等检查。进一步而言，对成套设备防护等级、电气间隙和爬电距离、电击防护和保护电路完整性等内容进行测定。其中，开关柜例行试验主要内容见表7。

表7 开关柜例行试验

2.5.2 型式检验

待例行检测完成后，针对光伏电站的工作极限情况、温度变化情况、绝缘性能、振动与冲击影响、噪声、气候影响等进行检测测定；其中，开关柜应按GB3906“3～35kV 交流金属封闭开关设备”有关规定进行型式试验。通过标准化的检验流程，以及基于重要设备元件的深度测评，最终完成了对光伏站开关柜及箱变的型式检验，结果表明满足国家有关标准要求。

3 综合效益分析

光伏电站正式投入使用后，可正常稳定输送电力资源，平均每年可为电网提供225.585 万kWh，与相同发电量的火电相比，相当于每年可节约标煤688.036 t（以平均标煤煤耗为305 g/kW·h 计），同时每年可减少多种大气污染物的排放，其中减少二氧化硫（SO2）排放量约13.985 t，二氧化碳（CO2）约177.304 t，氮氧化物（NOX）4.739 t，还可节约大量淡水资源。由此表明，此项目是一个环保、低耗能、节约型的光伏发电项目，不仅具有极高的经济效益，还有良好的社会效益，对于促进社会的和谐、稳定发展具有积极意义[5]。

结束语

此次屋顶分布式光伏电站设计时，先对电气进行了设计规划，并展开了相关计算分析工作；然后基于开关柜、升压箱变特点进行了设计、选型，最后给予了例行测试、型式测试，成功实现该光伏电站的建设，对于推动社会可持续发展具有积极作用，希望能够为有关从业人员提供帮助。