變電站站用不停電改造技術(shù)

郭 威，陳曉芳，李 曄，周成龍，鄭劍斌，鄢 園

（國(guó)網(wǎng)廈門(mén)供電公司，福建 廈門(mén) 361000）

0 引 言

變電站交流系統(tǒng)是全站設(shè)備用電的來(lái)源，與變電站直流蓄電池組形成站內(nèi)電源系統(tǒng)。當(dāng)交流電源消失時(shí)，蓄電池組的任一蓄電池異常都將導(dǎo)致全站設(shè)備用電丟失，造成不可估量的后果。目前，變電站交流站用電柜均采用雙電源切換（ATS）方式，也可采用備自投方式。長(zhǎng)期以來(lái)，改造站用交直流系統(tǒng)均采用停電的方法，存在極大的安全隱患。一旦全站交流電源消失，蓄電池帶載能力不足時(shí)，將可能造成全站二次設(shè)備失電。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)將無(wú)法快速切除故障，可能造成大面積停電。為營(yíng)造更安全的站用電改造環(huán)境，亟需研究出新型的站用電改造方式，降低站用變停電改造時(shí)間，同時(shí)保障重要負(fù)荷改造期間的可靠轉(zhuǎn)移。

本文提出的變電站交流系統(tǒng)改造新方法，是優(yōu)化傳統(tǒng)400 V站用交流電改造方案，搭建400 V站內(nèi)用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移的專(zhuān)用配電箱。交流系統(tǒng)改造時(shí)，直接轉(zhuǎn)移重要負(fù)荷和停電段的電源、負(fù)荷至專(zhuān)用配電箱，從而有效防止交流電源失電，極大地提升了交流負(fù)載和站用電改造期間系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性[1]。

1 新型站用電停電改造方案

根據(jù)站用變停電改造時(shí)所需轉(zhuǎn)移的重要負(fù)荷和負(fù)荷容量，在負(fù)荷轉(zhuǎn)移的專(zhuān)用配電箱空開(kāi)級(jí)配滿足電力行業(yè)要求的前提下，分別對(duì)采用備自投方式和ATS方式下的站用電改造方案設(shè)計(jì)。

1.1 備自投方式下的新型站用電停電改造方案

采用備自投方式的站用電改造，如圖1所示。以400 V Ⅰ母改造為例，400備自投退出，401、400、402各占一個(gè)屏柜，401、402進(jìn)線柜無(wú)相互關(guān)聯(lián)的母排與二次接線。改造401進(jìn)線柜時(shí)，可先申請(qǐng)停電951高壓開(kāi)關(guān)和401低壓開(kāi)關(guān)，將#1站用工作變壓器低壓側(cè)進(jìn)線電纜轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用配電箱。配電箱應(yīng)可轉(zhuǎn)接低壓側(cè)150～185 mm2電纜，同時(shí)配有至少4個(gè)空開(kāi)，供直流充電交流電源1、主變冷卻器交流電源1、消防系統(tǒng)電源1以及通信電源1負(fù)荷引接。空開(kāi)級(jí)配應(yīng)滿足四路負(fù)荷級(jí)配要求。四路重要負(fù)荷引接后，可對(duì)951和專(zhuān)用配電箱內(nèi)的重要負(fù)荷送電，保證兩路負(fù)荷在改造過(guò)程中正常供電。另外，可將次級(jí)重要單電源負(fù)荷直接轉(zhuǎn)移至運(yùn)行中的#2站用電備用空氣開(kāi)關(guān)，將原本至少需要停電951、401開(kāi)關(guān)3 d的時(shí)間縮短至2 h，極大地提高了安全可靠性。同理，改造402進(jìn)線柜時(shí)，可申請(qǐng)停電952、402開(kāi)關(guān)，將#2站用工作變壓器低壓側(cè)進(jìn)線電纜轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用配電箱。配電箱應(yīng)可轉(zhuǎn)接低壓側(cè)150～185 mm2電纜，同時(shí)配有至少4個(gè)空開(kāi)，供直流充電交流電源2、主變冷卻器交流電源2、消防系統(tǒng)電源2以及通信電源2負(fù)荷引接，且空開(kāi)級(jí)配應(yīng)滿足四路負(fù)荷級(jí)配要求。四路重要負(fù)荷引接后，可對(duì)952及專(zhuān)用配電箱內(nèi)重要負(fù)荷送電。另外，可將次級(jí)重要單電源負(fù)荷直接轉(zhuǎn)移至運(yùn)行中的#1站用電備用空氣開(kāi)關(guān)。

站用變改造前的具體操作流程如下：

（1）退出400 V備自投裝置；

（2）斷開(kāi)400開(kāi)關(guān)；

圖1 備自投方式下的站用變接線圖

（3）斷開(kāi)951、401開(kāi)關(guān)；

（4）負(fù)荷轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用配電箱（負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程約1 h）；

（5）合上951、配電箱內(nèi)進(jìn)線總開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)送電；

（6）400 V Ⅰ母相關(guān)屏柜改造。

站用變改造后具體操作流程如下：

（1）斷開(kāi)951；

（2）斷開(kāi)配電箱內(nèi)進(jìn)線總開(kāi)關(guān)；

（3）配電箱內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)移至新的400 V Ⅰ母相關(guān)屏柜；

（4）合上951開(kāi)關(guān)送電；

（5）投入400 V備自投功能。

1.2 ATS方式下的新型站用電停電改造方案

采用ATS切換方式的站用變改造，如圖2所示。以400 V Ⅰ母改造為例，兩進(jìn)線柜分別包含了另一進(jìn)線母排，如12DL13DL開(kāi)關(guān)上端母排或者22DL23DL開(kāi)關(guān)上端母排。無(wú)論單獨(dú)停951還是952高壓開(kāi)關(guān)，兩進(jìn)線柜內(nèi)均有一側(cè)帶電，無(wú)法保證站用電改造時(shí)的人身安全。因此，改造前分別停951和952高壓開(kāi)關(guān)，將#1站用工作變壓器低壓側(cè)進(jìn)線電纜轉(zhuǎn)移至一專(zhuān)用配電箱，將直流充電交流電源1、主變冷卻器交流電源1、消防系統(tǒng)電源1以及通信電源1引入該專(zhuān)用配電箱；將#2站用工作變壓器低壓側(cè)進(jìn)線電纜轉(zhuǎn)移至另一專(zhuān)用配電箱，將直流充電交流電源2、主變冷卻器交流電源2、消防系統(tǒng)電源2以及通信電源2引入該專(zhuān)用配電箱。兩個(gè)配電箱可轉(zhuǎn)接低壓側(cè)150 mm2電纜，同時(shí)配有至少4個(gè)空開(kāi)，供直流充電交流電源2、主變冷卻器交流電源2、消防系統(tǒng)電源2以及通信電源2負(fù)荷引接，且空開(kāi)級(jí)配應(yīng)滿足四路負(fù)荷級(jí)配要求。以上重要負(fù)荷轉(zhuǎn)移后，可以對(duì)951、952開(kāi)關(guān)及專(zhuān)用配電箱內(nèi)的重要負(fù)荷開(kāi)關(guān)送電。將需要從站外引入一臨時(shí)電源的改造前安全措施的時(shí)間和停用站用電951、952開(kāi)關(guān)改造工程的時(shí)間，縮短為951、952共只需停電6 h（改造前3 h負(fù)荷轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用配電箱，改造后3 h將負(fù)荷轉(zhuǎn)移回站用電低壓側(cè)負(fù)荷母線），極大地縮短了停電時(shí)間和施工工期，且無(wú)人身觸電風(fēng)險(xiǎn)，保證了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

圖2 ATS方式下的站用變接線圖

站用變改造前具體操作流程如下：

（1）將ATS1、ATS2裝置電壓切換由自動(dòng)打至手動(dòng)；

（2）斷開(kāi)951開(kāi)關(guān)；

（3）斷開(kāi)4011、4022刀閘；

（4）負(fù)荷轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用配電箱1；

（5）合上951、配電箱1內(nèi)進(jìn)線總開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)送電；

（6）斷開(kāi)952開(kāi)關(guān)；

（7）斷開(kāi)4012、4021刀閘；

（8）負(fù)荷轉(zhuǎn)移至專(zhuān)用配電箱2；

（9）合上952、配電箱2內(nèi)進(jìn)線總開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)送電；

（10）400 V Ⅰ母相關(guān)屏柜改造。

站用變改造后具體操作流程如下：

（1）斷開(kāi)951開(kāi)關(guān)；

（2）斷開(kāi)配電箱1內(nèi)進(jìn)線總開(kāi)關(guān)；

（3）將配電箱1內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)移至新的400 V Ⅰ母相關(guān)屏柜；

（4）合上951開(kāi)關(guān)送電；

（5）合上新的400 V Ⅰ母相關(guān)屏柜內(nèi)4011、4022開(kāi)關(guān)；

（6）將新的400 V Ⅰ母相關(guān)屏柜內(nèi)ATS裝置由手動(dòng)打至自動(dòng)投入運(yùn)行；

（7）斷開(kāi)952開(kāi)關(guān)；

（8）斷開(kāi)配電箱2內(nèi)進(jìn)線總開(kāi)關(guān)；

（9）將配電箱1內(nèi)負(fù)荷轉(zhuǎn)移至新的400 V Ⅱ母相關(guān)屏柜；

（10）合上952開(kāi)關(guān)送電；

（11）合上新的400 V Ⅰ母相關(guān)屏柜內(nèi)4012、4021開(kāi)關(guān)。

通過(guò)上述技術(shù)可實(shí)現(xiàn)400 V站用電改造期間的不停電工作。

2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移平臺(tái)搭建

根據(jù)前述原理，本文提出的新型站用電停電改造方案主要通過(guò)搭建負(fù)荷轉(zhuǎn)移平臺(tái)即專(zhuān)用配電箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，而普通配電箱難以滿足站用電改造的要求。因此，在考慮設(shè)備和人身安全的前提下，設(shè)計(jì)了一種專(zhuān)用配電箱。

專(zhuān)用配電箱滿足以下技術(shù)性能及指標(biāo)：

（1）配電箱進(jìn)線空開(kāi)應(yīng)適應(yīng)站用電改造時(shí)進(jìn)線電纜接頭的轉(zhuǎn)接；

（2）配電箱進(jìn)線空開(kāi)容量應(yīng)滿足所有轉(zhuǎn)接負(fù)荷運(yùn)行而不跳閘，并與各級(jí)負(fù)荷滿足級(jí)配要求；

（3）配電箱內(nèi)負(fù)荷空開(kāi)容量應(yīng)滿足轉(zhuǎn)接負(fù)荷運(yùn)行而不跳閘，并與進(jìn)線空開(kāi)滿足級(jí)配要求；

（4）配電箱內(nèi)用銅排連接，銅排截面積應(yīng)滿足空開(kāi)運(yùn)行的最大載流量的要求，同時(shí)應(yīng)能與各元器件可靠連接；

（5）箱體尺寸及重量應(yīng)趨向于便攜式，滿足兩個(gè)成年人輕松搬運(yùn)的要求；

（6）箱體應(yīng)有防止人身觸電傷害的設(shè)計(jì)。

針對(duì)要求（1），本文提出采用“外八式方塊接頭”設(shè)計(jì)，以有效防止因進(jìn)線空開(kāi)尺寸限制導(dǎo)致電纜接頭間距不足而發(fā)生的短路。方塊樣截面滿足各種交流電源進(jìn)線電纜接頭銅鼻子截面，通過(guò)加裝墊片實(shí)現(xiàn)各種接頭的連接，同時(shí)為承受進(jìn)線電纜重力及扭力，其厚度不小于5 mm。

針對(duì)要求（2）～要求（4），分別對(duì)四個(gè)重要負(fù)荷進(jìn)行容量校核。

主變冷卻器電源空開(kāi)容量計(jì)算式為：

其中，K為可靠系數(shù)，一般取1.35；n1為主變滿載時(shí)運(yùn)行的冷卻器組數(shù)；n2為每組冷卻器風(fēng)扇電機(jī)數(shù)；Ib為每組冷卻器中油泵電動(dòng)機(jī)的額定電流；If為每組冷卻器單臺(tái)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的額定電流。

直流充電交流電源和通信電源空開(kāi)容量計(jì)算式為：

消防電源空開(kāi)容量計(jì)算式為：

其中，n為消防水泵電動(dòng)機(jī)數(shù)量，Ic為電動(dòng)機(jī)額定電流。

由式（1）～式（3）可得，220 kV變電站站用電主變風(fēng)機(jī)電源、消防控制電源、直流充電交流電源及通信電源空開(kāi)，分別選取為75 A、75 A、40 A和40 A。根據(jù)級(jí)配要求，進(jìn)線空開(kāi)選擇200 A，銅排選擇截面積分別為2 cm×0.3 cm和1 cm×0.3 cm。

針對(duì)要求（5），箱體總體尺寸應(yīng)控制在50 cm×50 cm×50 cm以?xún)?nèi)，重量控制在60 kg以?xún)?nèi)。不銹鋼304密度為7.93 g/m3，根據(jù)50 cm×50 cm×50 cm，厚度5 mm的空殼箱體重量為39.6 kg；箱體骨架選擇空心鋁管，50 cm×50 cm×50 cm的箱體所需材料估算重量小于1 kg；空開(kāi)布置于絕緣性能良好的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣擋板上，50 cm×50 cm的1 cm厚環(huán)氧樹(shù)脂板密度為0.98 g/cm3，重量為2.45 kg；銅排（密度約8.9 g/m3）計(jì)算用量約5 m的2 cm×0.3 cm和7 m的1 cm×0.3 cm，總用量約重量4.5 kg；所選空開(kāi)總重量應(yīng)不超過(guò)12 kg。

綜上，滿足各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)的專(zhuān)用配電箱設(shè)計(jì)圖，如圖3所示。

3 無(wú)線數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸裝置

為在改造期間實(shí)現(xiàn)無(wú)線采集現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)計(jì)了集成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示功能的專(zhuān)用配線箱，可在技改過(guò)程中推送相關(guān)信息至手機(jī)客戶端。

圖4為無(wú)線數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該無(wú)線裝置通過(guò)采集器采集現(xiàn)場(chǎng)溫度、電壓等工況，經(jīng)由路由器（需插入4G通信卡，通過(guò)在路由器內(nèi)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議的消息推送）發(fā)送到用戶手機(jī)，同時(shí)將此類(lèi)220 V/380 V交流信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器轉(zhuǎn)換成模擬量直接接入PLC，以實(shí)現(xiàn)即時(shí)采集、越限報(bào)警等功能，從而支撐技改項(xiàng)目的全過(guò)程控制。

4 結(jié) 論

本文提出的新型站用電停電改造方案克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過(guò)提供更安全、穩(wěn)定的變電站交流電源改造方式，極大地提升了站內(nèi)用電的安全性和可靠性，推廣價(jià)值極大，目前已在廈門(mén)供電公司多項(xiàng)技改工程中成功應(yīng)用。本方案不僅適用于站用電改造，還適用于電力系統(tǒng)的其他技術(shù)改造項(xiàng)目，如變電站主變冷卻器控制箱的改造，可使技改項(xiàng)目由停電作業(yè)轉(zhuǎn)為不停電作業(yè)，從而有效提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 配電箱設(shè)計(jì)圖

圖4 無(wú)線數(shù)據(jù)采集及信號(hào)傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖