車載式移動變電站的設(shè)計與研究

韓丹

摘? 要：車載式移動變電站機(jī)動靈活占地面積小，適用于多種場合，能夠帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。文章闡述了移動變電站的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了移動變電站的應(yīng)用場景，討論了車載式移動變電站建設(shè)的必要性。并針對國內(nèi)缺少大功率容量等級移動變電站的現(xiàn)狀，設(shè)計了一款50MVA容量等級的110kV車載式移動變電站。

關(guān)鍵詞：車載;移動變電站;移動變電站設(shè)計

中圖分類號：TM633+.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0088-03

Abstract： The flexible mobile substation covers a small area and is suitable for many occasions， which can bring great social and economic benefits. In this paper， the development status of mobile substation is described， the application scene of mobile substation is analyzed， and the necessity of vehicle-borne mobile substation construction is discussed. In view of the lack of high-power capacity grade mobile substation in China， a 110kV vehicle-borne mobile substation with 50MVA capacity grade is designed.

Keywords： vehicle; mobile substation design; design of mobile substation

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大負(fù)荷用戶日益增多，負(fù)荷密度較快增長，用戶對供電連續(xù)性、可靠性要求越來越高。車載式移動變電站是將傳統(tǒng)變電站的電氣一次設(shè)備、電氣二次系統(tǒng)安裝在平板拖車或集裝箱中的變電站，機(jī)動靈活占地面積小，適用于多種場所，可以解決多種突發(fā)性電力需求變化[1，2]。尤其是達(dá)到城市電網(wǎng)常規(guī)容量10～40MVA，35kV和110kV電壓等級的移動變電站，能極大提高供電可靠性，是降低客戶平均停電時間的有效解決方案，符合新一代智能變電站的發(fā)展趨勢。

2 車載式移動變電站建設(shè)研究與需求分析

國外移動變電站發(fā)展至今已有幾十年歷史，移動變電站有著廣泛的應(yīng)用。近年來投入電網(wǎng)運(yùn)行的移動變電站一次額定電壓等級多為66～132kV，容量多為20～50MVA，已經(jīng)達(dá)到中等城市電網(wǎng)中常規(guī)變電站的容量和電壓水平。目前，國際上的移動變電站最高電壓245kV，最大容量63MVA，由意大利西門子公司制造應(yīng)用于埃塞俄比亞[3]。2010年以來，國內(nèi)各電網(wǎng)公司為了解決所轄區(qū)域內(nèi)緊急和臨時突增性負(fù)荷對供電連續(xù)性及可靠性的要求，相繼投運(yùn)達(dá)到城市電網(wǎng)中常規(guī)變電站容量（主變?nèi)萘看笥?0MVA）和電壓水平（110kV）的智能化移動變電站。中電新源、北京科銳、山東泰開等多家國內(nèi)企業(yè)對車載式移動變電站的技術(shù)水平和建設(shè)工藝已經(jīng)趨于成熟，其生產(chǎn)的移動變電站已在全國多地投入使用[4-6]。2013年國內(nèi)首座110kV移動變電站在四川德陽電力公司投運(yùn)，2014年南方電網(wǎng)公司首座110kV移動變電站在貴陽供電局投運(yùn)[7，8]。云南電網(wǎng)公司計劃配置一批35kV移動變電站，容量包括5MVA、8MVA、10MVA多個容量等級。廣東電網(wǎng)公司在2015年開展了容量為40MVA的110kV移動變電站的研發(fā)。2016年，山東省電力公司與國內(nèi)一家公司簽訂了6座110kV、15座35kV等級的移動變電站。廣東電網(wǎng)公司計劃在2018年～2020年投資1.5億元人民幣，在廣東省內(nèi)分區(qū)域部署11座移動變電站，包括5座35kV/10MVA移動變電站，2座110kV/40MVA移動變電站，4座110kV/50MVA移動變電站。目前，國內(nèi)已投運(yùn)的移動變電站有35kV、66kV、110kV等多個電壓等級，容量涵蓋5MVA～40MVA，暫無50MVA以上容量等級。車載移動變電站有利于解決如下多種情況的應(yīng)急供電：

（1）滿足重大自然災(zāi)害時快速恢復(fù)供電的需要。中國東南沿海受自然災(zāi)害影響較大，南方電網(wǎng)域內(nèi)如粵東粵西等地區(qū)近幾年的災(zāi)情比較嚴(yán)重，每年經(jīng)常受到多個臺風(fēng)襲擊，變電站設(shè)備難免受到損壞，存在多個變電站同時失壓的風(fēng)險，如果受災(zāi)嚴(yán)重，設(shè)備沒辦法在短時間內(nèi)修復(fù)，難以快速恢復(fù)供電，需應(yīng)用移動變電站快速為災(zāi)區(qū)恢復(fù)供電，為救災(zāi)工作提供有力保障。

（2）在季節(jié)性高負(fù)荷時期或重大節(jié)日、重大事件中，投入移動變電站短時增容，以緩解某一區(qū)域供電容量不足。中山供電局預(yù)計2018年夏天負(fù)荷增加50～100MVA;惠州供電局預(yù)測2018年11臺110kV主變負(fù)載率將超過70%，涉及9個變電站，由于配網(wǎng)暫未全部環(huán)網(wǎng)，如發(fā)生變壓器故障需長時間修復(fù)的，將對片區(qū)客戶用電造成極大影響;2018年春節(jié)期間，汕尾110kV河西變電站利用移動變電站增容，充分滿足了春節(jié)期間汕尾陸豐地區(qū)負(fù)荷大幅增長的需要，保障了陸豐2萬多戶居民的春節(jié)用電。

（3）變電站建設(shè)出現(xiàn)延期的情況或供電設(shè)備故障時，移動變電站可以臨時投入運(yùn)行，滿足變電站應(yīng)急供電需求，保障按時供電。由于目前廣東電網(wǎng)仍存在單主變110kV變電站229座，單主變35kV變電站90座，這些地方往往地處偏僻，交通不便利，配網(wǎng)較為落后，難以轉(zhuǎn)供，主變故障或檢修后將損失負(fù)荷，需要得到車載移動變電站的支持。在發(fā)達(dá)地區(qū)同樣存在變電容量不足問題，如東莞市常平鎮(zhèn)，土地緊張，規(guī)劃的幾座變電站不能按期建設(shè)，常平、果合嶺等多座變電站長期重載運(yùn)行，正常方式不滿足主變N-1， 檢修方式將損失負(fù)荷，這時移動變電站可發(fā)揮作用。

（4）車載移動變電站可以提供臨時變電容量，不占用土地，是保供電較好的技術(shù)方案之一。東莞供電局在2018年改革開放40周年保供電和2019年國際籃聯(lián)籃球世界杯保供電期間，采用車載移動變電站代替停電設(shè)備供電方案，為保供電用戶提供可靠供電。

（5）變電站的改建、擴(kuò)建和檢修，尤其是單主變單母線變電站，主變需長時間停電時，使用移動變電站替代被改造或檢修的原有設(shè)備進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)在短暫的電力中斷后重新供電。2017年夏天，由廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院研發(fā)的首臺35kV移動變電站成功應(yīng)用于湛江35kV北和站1號主變增容改造期間的負(fù)荷轉(zhuǎn)供，將停電時間從3天縮短為半天，停電用戶從2萬戶減少為9千戶。目前，廣東電網(wǎng)正逐步開展抗短路能力不足的變壓器改造，據(jù)統(tǒng)計抗短路能力不足需進(jìn)行改造的變壓器數(shù)量較大。改造工程大，施工周期長，停電影響大，改造期間需接入移動變電站進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

（6）對大型建設(shè)項目或建筑工地進(jìn)行臨時供電。如近年廣東沙扒鎮(zhèn)旅游業(yè)得到蓬勃發(fā)展，用電負(fù)荷突增，超出規(guī)劃預(yù)期，過去對沙扒鎮(zhèn)供電的35kV沙扒站發(fā)生過負(fù)荷現(xiàn)象，緊急換大主變后，很快滿載，而新建110kV變電站需幾年工期，新建的大型用電項目——月亮灣度假區(qū)只能自建臨時變電站供電。這時可優(yōu)先考慮采用110kV移動變電站來臨時供電。

（7）客戶平均停電時間是“創(chuàng)一流”的重要評價指標(biāo)之一，需大力提升供電可靠性，降低客戶平均停電時間。廣東電網(wǎng)公司的目標(biāo)是2018年在一類供電局“1小時”區(qū)域客戶平均停電時間要率先達(dá)到世界一流水平，其中，2019年公司中心城區(qū)客戶平均停電時間要低于1小時。移動變電站可快速接入電網(wǎng)替代因故不能正常供電的常規(guī)變電站，有利于大大提高供電可靠性，有效降低客戶平均停電時間。

移動變電站的成功應(yīng)用，為解決我國局部地區(qū)由于自然災(zāi)害或者負(fù)荷突發(fā)性增長所帶來的變電站主變過載、電網(wǎng)改造過程中的停電改造、轉(zhuǎn)移負(fù)荷等問題做出了重大貢獻(xiàn)，大大提升了各電網(wǎng)公司應(yīng)急供電和防災(zāi)減災(zāi)的能力，確保電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

3 大功率車載式移動變電站的設(shè)計

目前，國內(nèi)5MVA～20MVA容量等級的35kV移動變電站和20MVA和31.5MVA容量等級的110kV移動變電站的設(shè)計、生產(chǎn)能力已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用十分廣泛，運(yùn)行經(jīng)驗豐富，可以滿足大部分電力應(yīng)急供電和計劃性負(fù)荷轉(zhuǎn)供的需求。40MVA容量等級的110kV移動變電站設(shè)計、生產(chǎn)能力已基本成熟，目前國內(nèi)已投運(yùn)了5座。但供電能力更強(qiáng)，適應(yīng)范圍更廣，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更好的50MVA/110kV移動變電站和更高電壓等級的移動變電站目前國內(nèi)暫無生產(chǎn)和應(yīng)用。

本文設(shè)計了一款50MVA容量等級的110kV車載式移動變電站，由主變車、HGIS車和中壓配電車組成，采用兩車三車自由組合方案。移動變電站主要由主變壓器模塊、110kV復(fù)合式組合電器HGIS模塊、10kV低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)室模塊、10kV箱式開關(guān)站模塊、拖車模塊五個模塊組成。按線變組的結(jié)構(gòu)形式，主要設(shè)備包括高壓避雷器、HGIS、電力變壓器、10kV柔性電纜、10kV開關(guān)柜、交直流一體化電源系統(tǒng)、測量、監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)、二次電纜。同時配置110kV高壓電纜、110kV架空線支架、接地線、照明燈、空調(diào)、消防設(shè)施、接地桿移動扶梯等。與其他接線形式相比，線路變壓器組的方式設(shè)備少，投資省，操作簡便，因此采用線變組接線方式。

3.1 移動變電站車體設(shè)計

為了方便實(shí)現(xiàn)主變保護(hù)，使得拖車之間連接電纜最少，將高壓側(cè)、主變、低壓側(cè)組合在一輛拖車上，即主變車。主變車主要由主變壓器模塊和10kV低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)室模塊組成，如圖1所示。由于移動變電站尺寸及重量的限制，主變模塊采用二繞組三相有載調(diào)壓電力變壓器，電壓等級為110/10.5千伏，容量50MVA。為了最大限度減小箱體，減小拖車長度，提高經(jīng)濟(jì)性，10kV低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)室模塊采用1面進(jìn)線柜，1面主變屏，1套壁掛直流電源系統(tǒng)，主要為HGIS組合電器和低壓側(cè)斷路器提供操作控制電源，同時也為主變保護(hù)提供電源。

HGIS車主要由110kV復(fù)合式組合電器HGIS模塊和避雷器組成。復(fù)合式組合電器HGIS，是綜合敞開式和封閉式開關(guān)設(shè)備優(yōu)勢的一種先進(jìn)的組合式 SF6高壓開關(guān)設(shè)備，把斷路器、隔離/接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、匯控柜等集成為一個模塊，通信協(xié)議遵循IEC61850，其占地少，安裝調(diào)試簡便，免維護(hù)。當(dāng)移動變電站在變電站等有避雷針場所運(yùn)行或存放時，如果避雷針的保護(hù)范圍能覆蓋移動變電站車所在位置，可不設(shè)計專用避雷針保護(hù)，在無避雷針的場所，可以使用移動的塔架式避雷針實(shí)現(xiàn)防雷。

中壓配電車主要由10kV箱式開關(guān)站模塊組成，包含10kV開關(guān)柜、小電阻接地裝置和綜合自動化系統(tǒng)等，中間由隔板隔開，單獨(dú)隔室。綜合自動化隔室內(nèi)包含交直流屏、電池屏、公共測控屏、監(jiān)控系統(tǒng)屏以及通訊屏。對外通信采用無線公網(wǎng)通訊，配置一套站端GPRS通信設(shè)備，采用TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)接入直接方便。GPRS的物理鏈路數(shù)據(jù)采用了加密傳送，監(jiān)控中心直接連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)質(zhì)為內(nèi)網(wǎng)方案，所有數(shù)據(jù)均與INTERNET隔離，大大增強(qiáng)了信息的安全性。調(diào)度側(cè)單獨(dú)配置調(diào)度監(jiān)控計算機(jī)，不與電力系統(tǒng)調(diào)度聯(lián)網(wǎng)，對電力調(diào)度網(wǎng)無任何影響。另外要在箱內(nèi)安裝空調(diào)設(shè)備，從而為一次設(shè)備和微機(jī)綜合自動化保護(hù)裝置營造一個非常理想的工作環(huán)境。為保護(hù)站內(nèi)設(shè)備及人身安全，綜合考慮變電站接地網(wǎng)的使用年限、地網(wǎng)材料、接地電阻、地質(zhì)情況、濕度溫度等自然因素的影響，以垂直接地極的人工接地網(wǎng)為主，在移動變電站的車體上設(shè)置接地端子，在變電站時接到變電站預(yù)留接地端子，如在其他用電區(qū)域運(yùn)行時須在變電車停放位置設(shè)置垂直接地極和水平接地極。主變車和HGIS車在路況允許時，可整體由一個車頭牽引運(yùn)輸，道路較窄，交通不便時也可分別牽引，主變車和HGIS車可以獨(dú)立使用，實(shí)現(xiàn)兩車三車自由組合模式?；谲囕d式移動變電站需要經(jīng)常移動的特殊性，涉及運(yùn)輸途中道路顛簸、施工安裝及安全運(yùn)行方面考慮，車上箱體內(nèi)設(shè)備均固定方式，變電站按地震基本烈度7度進(jìn)行設(shè)計。

3.2 移動變電站接線及拖車設(shè)計

110kV復(fù)合式組合電器HGIS接入電力系統(tǒng)，有架空線接入和電纜接線2種接入方式，能適應(yīng)多種情況下的移動變電站接入。主變壓器模塊，高壓側(cè)進(jìn)出線采用架空導(dǎo)線或工廠預(yù)制的整體式電纜終端接頭與復(fù)合式組合電器HGIS模塊連接。低壓側(cè)進(jìn)出線采用架空導(dǎo)線或工廠預(yù)制的整體式電纜終端接頭及電纜與低壓側(cè)的中壓開關(guān)進(jìn)出線連接?？紤]到額定電流與電纜接線等問題，10kV高壓開關(guān)柜為架空進(jìn)線，采用母線橋架連接，考慮到運(yùn)輸途中母線受力等問題，連接部位考慮有一定的調(diào)節(jié)能力，即采用Ω彎或軟連接。10kV隔室內(nèi)開關(guān)柜采用電纜進(jìn)出線方式，一回進(jìn)線、六回出線、一回PT柜、一回所變柜。整個移動變電站的進(jìn)出線均由電纜連接，電纜隔室與電纜溝相連接處，設(shè)有防小動物進(jìn)入措施。電纜頭的安裝位置和連接方式考慮檢修、試驗時便于拆、接線。電纜接線端子下端距開關(guān)柜底面高度≥500mm。拖車設(shè)計時滿足以下要求：（1）為確保電纜進(jìn)出線高度，拖車底盤距地面應(yīng)不小于1200mm;（2）為保證道路運(yùn)輸，拖車寬度應(yīng)不大于3500mm，牽引環(huán)直徑、牽引點(diǎn)高度應(yīng)與國內(nèi)主要品牌的牽引機(jī)頭相匹配，確保牽掛可靠;（3）拖車電路系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)七孔插座，通過連接機(jī)頭尾部的電插座來實(shí)現(xiàn)拖車的轉(zhuǎn)向、制動等信號;（4）為確保制動靈敏，拖車自身氣路系統(tǒng)采用雙管路斷氣制動備有儲氣罐，與牽引機(jī)頭連接采用標(biāo)準(zhǔn)氣路自封快換接頭;（5）拖車配置的牽引掛點(diǎn)、插座、制動接頭不使用時應(yīng)有良好的防潮、防雨等防護(hù)措施;（6）拖車在拖運(yùn)時行走方便、轉(zhuǎn)向自如，并考慮抗振及減振措施，不因運(yùn)輸而損壞設(shè)備，影響正常工作、運(yùn)行;（7）拖車固定用支撐采用“H”型支架，螺桿支腿，使用和停放時輪胎懸空;（8）配操作平臺，平時不用時可收起以減少空間，并配置護(hù)欄以確保操作維護(hù)人員安全;（9）安裝在線振動、加速度、定位監(jiān)測設(shè)備，對移動變電站運(yùn)輸?shù)缆返恼駝印⒓铀俣忍匦赃M(jìn)行動態(tài)響應(yīng)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)移動變電站車載穩(wěn)定性、安全性的結(jié)構(gòu)設(shè)計控制和動態(tài)監(jiān)控。

4 結(jié)束語

車載式移動變電站整體性好，運(yùn)行安全可靠，使用靈活，是“電力系統(tǒng)突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案”的重要組成部分。本文主要研究了移動變站的發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析，并設(shè)計了一款容量等級50MVA的車載式移動變電站，其供電能力更強(qiáng)，適應(yīng)范圍更廣，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更好，對推進(jìn)移動變電站的建設(shè)研究做出了貢獻(xiàn)。

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