建筑电气——图解箱式变压器

1、箱变概述

1.1什么是变压器

变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：电力变压器和特殊变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。

▲ 配电变压器

1.2什么是箱变

箱式变电器，又叫箱式变压站、预装式变电所或预装式变电站，简称“箱变”。箱式变压器作为整套配电设备，其是由变压器、高压电压控制设备、低压电压控制设备有机组合而成。其基本原理在于，通过压力启动系统、铠装线、变电站全自动系统、直流点和相应的技术设备，按照规定顺序进行合理的装配，并将所有的组件安装到特定的防水、防尘与防鼠等完全密封的钢化箱体结构中，从而形成的一种特定变压器。

▲ 配电箱式变电器

1.3箱变优点

因箱变将传统变压器集中设计在箱式壳体中，具有投资低、体积小、施工周期短、维修方便、高可靠性、外形多样化易与周围环境相协调，重量轻、低噪声、低损耗、操作便捷、组合方式灵活、运行安全性高等诸多优势等特点被广箱式变压器泛应用在各个领域之中，并成为现如今电力工程施工中不可或缺的重要电力设备。优点有如下：

1.3.1 占地面积小

因为箱式变压器的内部构造安排较为合理，所以占用的空间较小。相对于传统的变压器而言，箱式变压器通过科学合理的手段将高压配电设备安装到一个密封的钢结构箱子之中，其内部结构十分紧凑，各个组件之间缝隙也相当小，所以，箱式变压器所占用的空间也相对较小。

1.3.2 操作简单

箱式变压器操作方法十分简单、便捷，方便进行快速组装。由专门的设计人员通过对电力工程施工要求的了解，按照不同要求做出简单、便捷操作的单独主接线以及配套的箱外设备，方便进行快速组装。

1.3.3 自动化程度高

对箱体内湿度、温度进行控制和远方烟雾报警，满足无人值班的要求；根据需要还可实现图像远程监控。

1.3.4 投资省见效快

箱式变压器的应用收益高。我们从创建成本来看，可以清楚的看到箱式变压器的创建成本往往在30万到50万之间。从运行成本来看，则可以看到即便是在全负荷的运行状态之下，箱式变压器每年比普通的变压器消耗的电量少100万度左右，即便是出现问题所进行的维护成本也较少。所以，箱式变压器具有较高的应用收益。

1.3.5 工厂预制化

设计时，只要设计人员根据变电站的实际要求，作出一次主接线图和箱外设备的设计，就可以选择由厂家提供的箱变规格和型号，所有设备在工厂一次安装、调试合格，真正实现变电站建设工厂化，缩短了设计制造周期；现场安装仅需箱体定位、箱体间电缆联络、出线电缆连接、保护定值校验、传动试验及其它需调试的工作，整个变电站从安装到投运大约只需5～8天的时间，大大缩短了建设工期。

1.3.6 组合方式灵活

箱式变压器组合方式灵活。由于箱式变压器具有结构紧促、简单的特点，所以其每一个单体都是一个独立的系统，这样就造成了箱式变压器在组合的方式上面就具备了相当强的灵活性。

1.3.7 技术先进安全可靠

箱式变压器运行的安全性、稳定性较高。因为箱式变压器的外壳采用的是具有较强防腐能力的金属导体，其内部设备与设备之间所用接口采用的也是绝缘材料，箱内设有空调与除潮设备，这样就大大提高了箱式变压器对外界环境的抵抗能力，提高了其运行的安全性与可靠性。

1.3.8 外形美观，易与环境协调

通过选择箱式变电站的外壳颜色，从而极易与周围环境协调一致，特别适用于城市建设，如：城市居民住宅小区、车站、港口、机场、公园、绿化带等人口密集地区，它既可作为固定式变电所，也可作为移动式变电所，具有点缀和美化环境的作用。箱变蓝色考虑到与大自然的协调统一，成蓝色为的是和蓝天相互辉映。

▲ 配电箱式变电器

1.4箱变不足

箱式变电站，是当前电网改造应用的主要方向，但就某些方面还存在着一些不足，具体表现在：

箱式变压器选点多数在居民核心区和道路两旁，施工产生的噪音及粉尘污染，会对城市环境及居民正常生活造成一定影响；

传统的现浇混凝土基础施工时需开挖市政设施和放置建筑性材料，必然占用较大施工场地，给交通带来不便，不利于居民的正常出行；

按传统方法箱式变压器从基础施工到安装完成一般需要12天左右，施工时间过长，不利于大规模使用；

传统的现浇混凝土基础在基础开挖、养护期内，如因警示标志不清晰或安全围栏损坏，附近居民、行人误入施工场地，可能造成人身伤害，增加安全风险；其五，如为箱式变压器增容改造工程，停电时间过长，将对居民的基本生活用电造成严重影响。

1.5箱变应用

广泛应用于城网中道路两旁的配电线路住宅小区、街道，大型工地，高层建筑，公园，商业中心、轻站、机场、厂矿、企业、医院、学校及临时性设施等场所。

2、箱变的分类

2.1按外观及外壳材质分

2.1.1 景观式外壳箱变：木条式

抗晒性能强，不易导热，降低了内部设备的运行温度。抗冻性，耐腐蚀，不生锈，不需要维修，寿命长。有较好的防潮性能，不会因冷热变化而产生凝露。

▲ 木条式箱变

2.1.2 景观式外壳箱变：石材式

有较好的阻燃性能，防火性能好。可根据周围环境选择外型和颜色，同时起到美化环境的作用。

▲ 石材式箱变

2.1.3 普通铁壳式箱变

有较好的阻燃性能，防火性能好。有较好的机械性能，耐冲击性好

▲ 铁壳式式箱变

2.1.4 按用户要求的外观形式

可根据周围环境选择外型和颜色，同时起到美化环境的作用。

▲ 定制式箱变

2.2按结构分

2.2.1 组合式变电站（简称美式箱变）

组合式变电站（简称美式箱变）按照油箱结构分为共箱式和分箱式两种，

优点：

体积小占地面积小、便于安放、便于伪装，容易与小区的环境相协调。可以缩短低压电缆的长度，降低线路损耗，还可以降低供电配套的造价。

缺点：

供电可靠性低；无电动机构，无法增设配电自动化装置；无电容器装置，对降低线损不利；由于不同容量箱变的土建基础不同，使箱变的增容不便；当箱变过载后或用户增容时，土建要重建，会有一个较长的停电时间，增加工程的难度。

应用：

美式箱变适用于对供电要求相对较低的多层住宅和其他不重要的建筑物的用电。根据我们的实际使用情况看，美式箱变配上小型的环网开关站后，完全适用多层住宅的供电需求。因为就是箱变发生故障，对居民的影响不大，但不适应于小高层和高层。

▲ 美式箱变

2.2.2 预装式变电站（简称欧式箱变）

预装式变电站（简称欧式箱变）采用环网型和终端型两类。

优点：

辐射较美式箱变要低，因为欧式箱变的变压器是放在金属的箱体内起到屏蔽的作用；可以设置配电自动化，而且还有美式箱变的主要优点。

缺点：

体积较大，不利于安装，对小区的环境布置有一定的影响；

应用：

欧式箱变适用于多层住宅、小高层、高层和其他的较重要的建筑物。

▲ 欧式箱变

3、箱变结构

箱变包括高压室，变压器室，低压室。箱式变压器内、外部结构如下图所示：

▲ 箱变结构图

▲ 主要设备

3.1高压室

高压室一般由高压进线柜、高压计量柜、高压出线柜组成，如果为环网型箱变还有高压环网柜。

▲ 高压柜接线示意图

3.1.1.高压进、出线柜

高压进线柜与高压出线柜是变压器高压侧电流流经的路径，根据需要其中包含了高压负荷开关（或断路器、熔断器），高压避雷器，带电显示器，接地刀闸、故障显示器及电缆接头等元件。根据需要，部分还会配置电流互感器、电压互感器、零序电流互感器、电流表及电压表等原件。上图中高压进线柜采用的是带电显示器（DXN）与压避雷器（FV）等组成，高压出线柜一般由高压负荷开关（QF）、带电显示器（DXN）、高压接地刀闸等组成。

一般高压负荷开关、高压熔断器及高压接地刀闸组合到一块组成的高压负荷开关。

带电显示器DXN显示装置由电压传感器和显示器两部分组成，两部分经安装连线组成了电压显示装置。

电压传感器为环氧树脂浇注型的支柱绝缘子，10kV的高压经电压传感器取出70V的电压信号。

作用用以反映显示装置处高压回路电源有电或无电情况。

▲ 显示器

▲ 电压传感器

高压负荷开关（QF）

接通和切断额定电压和额定电流下的电路，并造成可见的空气间隔，不能切断短路电流，与高压熔断器串联使用，用负荷开关切断负荷电流，高压熔断器切断短路及过载电流。

▲ 高压负荷开关、熔断器图

熔断器（FU）

高压熔断器又称变压器保护用高压限流熔断器 。由于于高压负荷开关只能切断负荷电流，当遇到短路和过载情况时，电流变大，负荷开关就不能切断此时的电流，遇到大电流，则由熔断器来切断大电流。作短路和严重过载保护用。

接地刀闸

接地刀闸就是户内高压接地开关，是配用于12kV户内交流金属铠装移开式金属封闭开关设备及其它高压开关设备的主要元件，也可单独使用。作为在12kV及以下的交流50Hz电力系统中接地保护之用。具有关合短路电流能力。结构合理、体积小、操作灵活、易安装调整。

它具有一定的关合能力以保护开关设备内其它电气设备不受损坏，可与各种高压开关柜配套使用，作为高压电器设备检修时接地保护。

避雷器（FV）

金属氧化物避雷器是当前限制过电压最先进的一种保护电器，被广泛地用于发电、输变、变电、配电系统中，使电气设备的绝缘免受过电压的损害。

有机外套金属氧化物避雷器是有机绝缘材料和传统的瓷套式金属氧化物避雷器技术优点相结合，具有电气绝缘性能好，介电强度高、抗漏痕、抗电蚀、耐热、耐寒、耐老化、防爆、憎水性、密封性等优点。

限制过电压保护交流电力系统的电气设备免遭大气过电压和操作过电压损坏 。

▲ 金属氧化物避雷器

3.1.2.高压环网柜

环网是指环形配电网，即供电干线形成一个闭合的环形，供电电源向这个环形干线供电，从干线上再一路一路地通过高压开关向外配电。这样的好处是，每一个配电支路既可以同它的左侧干线取电源，又可以由它右侧干线取电源。当左侧干线出了故障，它就从右侧干线继续得到供电，而当右侧干线出了故障，它就从左侧干线继续得到供电，这样一来，尽管总电源是单路供电的，但从每一个配电支路来说却得到类似于双路供电的实惠，从而提高了供电的可靠性。

如无特殊情况，这方面在我们实际使用中是不需要的。

高压进线柜接线示意图中高压进线柜采用的是带电显示器（DXN）与压避雷器（FV）等组成，高压出线柜一般由高压负荷开关（QF）、带电显示器（DXN）、高压接地刀闸等组成。

3.1.3.高压计量柜

高压计量柜的主要组成是电流互感器、电压互感器以及相关保护设备（如熔断器等）。

高压计量柜并不是硬性要求，主要是看客户需求，一般情况下是不需要的。

如果是低压侧需要计量柜，其原理与布线与高压计量柜是一样的，都是通过电流互感器和电压互感器进行测量。

电压互感器（PT）

作电压、电能测量及继电保护之用 。

▲ 电压互感器

电流互感器（CT）

全封闭支柱式结构，作电气测量和电气保护之用 。

▲ 电流互感器

高压熔断器（FU）

户内高压限流熔断器，用于电压互感器的保护。其断流容量为1000MVA。在短路时以限制线路电流到最小值的方式进行瞬时开断 。

▲ 高压熔断器

3.2变压器室

箱变内可装各种型号的油变，干变。

在此需要注意的是油浸式变压器的成本低，但对环境的要求更高，它的危险性程度要高，故今后在人口密集处应尽量避免使用油浸变压器。

干式变压器成本更高，但其安全性要好，一般使用在人员比较密集的场所。

应选用难燃型，外壳防护等级不得低于IP23D（D电线无法接触危险部位或零件)。

▲ 变压器及变压器室

3.3低压室

低压室一般由低压进线柜、低压补偿柜、低压出线柜组成。

▲ 低压柜接线示意图

3.3.1 低压进线柜与低压出线柜

低压进线柜与出线柜就是分配变压器二次侧电路的电柜，这其中需要注意的是低压出线柜往往不止一个，因为一台低压出线柜一般只允许4-6路出线，而在实际使用中往往不止4-6路，故低压出线柜一般都是好几台一起使用上图低压柜接线示意图低压进线柜由三个电流表（A）、一个电压表（V）、一个万能转换开关（测量电压用）、一个温度控制仪（WK）、合闸按钮、分闸按钮、合闸指示灯、分闸指示灯、隔离开关（QS）、断路器（QF）、电流互感器（TA）等元件组成。

▲电流表

▲电压表

低压隔离开关（ QS）

普通的隔离刀开关不可以带负荷操作，通过与断路器配合使用，在断路器切断电路后才能操作隔离开关，刀开关起隔电作用，造成一个明显的断开点，以确保检修人员的安全。主要用于配电设备的控制电路中，作不频繁地电动接通和切断或隔离电源之用，操作应在无负荷下进行。隔电作用，造成一个明显的断开点，以确保检修人员的安全。

▲ 隔离刀开关

低压断路器（QF）

低压断路器，又称低压自动开关，是一种带保护装置的开关，当负荷电路发生过载、短路及欠压故障时，能自动切断电路，也可用于不频繁启动电动机或接通、分断电路。常用的低压断路器有框架式断路器（万能式）、塑料外壳式短路器（装置式）、智能型断路器、快速断路器和限流式断路器。

▲低压断路器

壳断路器（QF）

用来分配电能且作为线路及电源设备的过载、短路和欠电压保护。与低压进线柜的断路器同样的作用，但是分断能力不同。低压出线的分断能力要比低压进线柜的小的多。

▲ 塑壳断路器

电流互感器（CT）

把大电流按比例变成小电流，作电流、电能测量和继电保护保护之用

▲电流互感器

3.3.2 低压电容柜

原来日常用电设备中除了电阻性负载，大部分是感性负载，像日光灯、变压器、发动机等。这些感性负载，使电源相位发生变化，导致电压波动大，无功功率增大，浪费电能。而通过电容补偿柜进行无功因素的补偿，可以有效的解决这个问题，提供供电效率。电容补偿柜的自动补偿装置可以根据用电负荷的变化，自动设置电容组数的投入，减低大量无功电流，从而减少无功用电。

低压电容柜中的电容器是容性负荷的装置，与感性负荷的装置连接在同一电路中，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，当感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两者之间转换。这样感性负荷吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率得到补偿，从而将控制因素控制在0.9以上。这就是电容柜的补偿原理。

上图低压柜接线示意图低压进线柜由三个电流表（A）、一个功率因数表（COS）、功率控制器（PK）、万能转换开关、电容工作指示灯、隔离开关（QS）、电流互感器（TA）、小型断路器（QF）、切换电容接触器（KM）、电容器（C）、避雷器（FV）等元件组成。如下图：

▲低压电容柜

▲功率因数表

电流互感器

把大电流按比例变成小电流，作电流、电能测量和继电保护保护之用。

▲电流互感器

切换电容接触器（KM）

供低压无功功率补偿设备投入或切除低压并联电容器之用.以改善功率因数。接触器带有抑制涌流装置,能有效地减小合闸涌流对电容的冲击和抑制开断时的过电压 .

▲切换电容接触器

电容器(C)

用来补偿电网中的感性电流，降低线路损耗，提高线路输电能力，并提高电网的功率因数。

▲电容器

避雷器(FV)

限制过电压，护交流电力系统的电气设备免遭大气过电压和操作过电压损坏 。