石油化工電驅(qū)系統(tǒng)兩級(jí)供電電壓設(shè)計(jì)技術(shù)

姜?dú)g笑

（中石化上海工程有限公司）

0 引言

如果將電驅(qū)壓氣站110kV電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行簡化，可以節(jié)約占地面積，減少供配電環(huán)節(jié)，簡化供配電流程，提高供電可靠性，減少運(yùn)行費(fèi)用，提高管理水平，促進(jìn)國內(nèi)設(shè)備國產(chǎn)化制造水平的提高具有重要意義。

1 傳統(tǒng)大型壓氣站配電方案

1.1 傳統(tǒng)大型壓氣站配電系統(tǒng)

以某大型天然氣壓氣站為例，壓氣站設(shè)計(jì)有4套20MW大型壓縮機(jī)組，采用三用一備的方式，國內(nèi)外調(diào)速方式均采用變頻調(diào)速，一般配置有雙路110kV電源進(jìn)線，分別進(jìn)入兩臺(tái)110/10kV主變，為其配套的110kV變電所采用三個(gè)電壓等級(jí)供電：國內(nèi)110kV/10kV/0.38kV；國外132kV/11kV/0.45kV一次系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.2 傳統(tǒng)壓氣站配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

配電系統(tǒng)主要由2臺(tái)110/10kV變壓器，2臺(tái)10/0.4kV變壓器，110kV GIS 4個(gè)，10kV移相變壓器、變頻器4臺(tái)組成。

新建110kV變電站主廠房一座，三層樓房結(jié)構(gòu)，110kV主變戶外布置，一層為電纜夾層；二層為10kV開關(guān)室、SVG室；三層為GIS室、保護(hù)室、控制室和電池間等。新建變頻器及輔助用房主廠房一座，三層樓房結(jié)構(gòu)，一層為變頻器室、隔離變室；隔離變?yōu)橛徒阶儔浩?，半戶?nèi)安裝；二層為電纜夾層；三層為低壓配電室、10kV開關(guān)室、UPS室、MCC室、EPS室等。

2 壓氣站兩級(jí)電壓供配電方案

2.1 新型壓氣站配電系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多大容量的整流變壓器，不經(jīng)中間變壓，而直接接在了110kV電源上，這時(shí)整流變壓器采用主（變）調(diào)（變）合一的結(jié)構(gòu)，即所謂的直降式整流變壓器，這種整流變壓器在容量較大時(shí)具有投資省，效率高，節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。

本文提出一種新型配電應(yīng)用方案，由原來三個(gè)電壓等級(jí)供電110kV/10kV/0.4kV模式變?yōu)閮蓚€(gè)電壓等級(jí)110kV/0.4kV供電模式；兩回110kV雙電源進(jìn)線，移相整流變壓器直接接在110kV出線間隔，給壓縮機(jī)變頻器提供電源，站內(nèi)400V低壓電源由110kV/0.4kV油浸式變壓器提供電源。

依然以上述大型天然氣壓氣站的配置為例，新型兩級(jí)配電系統(tǒng)方案示意圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)組成

新型配電系統(tǒng)主要由2臺(tái)110/0.4kV變壓器，110kV GIS 8個(gè)，110kV移相變壓器4臺(tái)組成。與傳統(tǒng)壓氣站配電系統(tǒng)相比，取消壓氣站10kV/0.4kV變壓器及10kV開關(guān)柜，增加2臺(tái)110/0.4kV變壓器，110kV GIS 4個(gè)，110kV移項(xiàng)變壓器4臺(tái)，將110kV變電所和10kV及以下配電裝置樓合一布置。系統(tǒng)方案的核心是110kV移相整流變壓器的研發(fā)，下面分別從幾方面進(jìn)行闡述。

中后臺(tái)管理提效可期，供應(yīng)鏈整合強(qiáng)化優(yōu)勢。2018年底公司啟動(dòng)一二集群合并，整合原一二集群全國性品牌采購至大供應(yīng)鏈?zhǔn)聵I(yè)部，再次推動(dòng)組織變革。近三年中后臺(tái)員工人數(shù)年均減少12%，但工資年均上漲59%，通過中后臺(tái)管理提效，費(fèi)用有望明顯下降，業(yè)績彈性可期。

2.3 110kV移相整流變壓器

圖1 110kV/10kV/0.38kV配電系統(tǒng)示意圖

圖2 110kV/0.4kV配電系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)移相整流變壓器一般為10kV、6kV居多，110kV電壓等級(jí)較少，針對(duì)本類工程的應(yīng)用， 通過配置輸入110kV油浸式整流移相變壓器，變頻器可直接輸出驅(qū)動(dòng)6～10kV高壓電機(jī)。新型變頻系統(tǒng)方案示意圖如圖3所示。

圖3 變頻系統(tǒng)單線圖

（1）110kV移相整流變壓器輸出脈波數(shù)

110kV移相整流變壓器輸出脈波數(shù)研究直接影響著用戶和電網(wǎng)適應(yīng)性。采用移相變壓器使其輸入多重化，系統(tǒng)的輸入諧波大幅減少，且輸入電流的基波因數(shù)增大，進(jìn)而達(dá)到提高系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)的目的。提出了一種基于延邊三角形36脈沖移相整流變壓器，變壓器由6組移相單元組成，單臺(tái)移相整流變壓器輸出的脈波數(shù)為6×6=36脈波。則二次繞組的相位差為360／36=10°，那么移相角為：+25°、+15°、+5°、 -5°、-15°、-25°；移相整流變壓器的二次繞組的相位差是由整流的脈波數(shù)決定的，也就是由高壓變頻器的功率單元的串聯(lián)數(shù)量所決定。各移相單元一次側(cè)采用三角形接法，二次測采用延邊三角形的聯(lián)結(jié)方式，輸出6組相位相差10°，幅值相等的相電壓，每組移相單元后變壓器輸出接6組晶、閘管整流橋，整流輸出的6脈直流電壓經(jīng)平衡電抗器均流后36脈波波動(dòng)的直流電壓。

（2）110kV移相整流變壓器調(diào)壓方式

110kV及以上的整流系統(tǒng)中多采用中性點(diǎn)調(diào)壓方式，此時(shí)變壓器宜采用主變高壓側(cè)曲折形接線的移相方式。具體來講，設(shè)計(jì)時(shí)若側(cè)重解決整流機(jī)組間的均流問題時(shí)，則宜采用主變高壓側(cè)為兩個(gè)同相位曲折形接線、低壓側(cè)為Y—D配合使用的移相接線方式；若側(cè)重解決主變低壓的大電流強(qiáng)漏磁問題時(shí)，則宜采用主變高壓側(cè)為左右曲折形接線、低壓側(cè)為D—D配合使用的移相接線方式。

在選擇110kV直降式移相整流變壓器時(shí)，在有載調(diào)壓開關(guān)觸頭滿足整流變壓器容量需要時(shí)，應(yīng)首選中性點(diǎn)調(diào)壓方式，并選用結(jié)構(gòu)較為簡單、額定絕緣為110kV CV 型的有載調(diào)壓開關(guān)，不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠而且故障率低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（3）110kV移相整流變壓器絕緣性能、制造工藝

由于變壓器在同一個(gè)鐵心柱上的二次繞組具有U、V、W三組（相）繞組，這三組繞組間工作電壓為變頻器的相間電壓，而且它們絕緣屬于爬電距離，因此，二次繞組對(duì)高壓及地，以及U、V、W組間的絕緣水平應(yīng)按6kV選擇，工頻耐壓試驗(yàn)應(yīng)一組通電耐壓，其他兩組接地。器身絕緣結(jié)構(gòu)：主變繞組排列從里至外依次為調(diào)壓、移相、高壓和低壓繞組；變壓器器身的繞組壓板由絕緣紙板熱壓而成，100mm厚，并開有出線槽和孔。紙壓板的應(yīng)用不僅強(qiáng)度達(dá)到要求，還能改變端部漏磁場，使結(jié)構(gòu)損耗降低。

110kV移相整流變壓器高壓線圈采用糾結(jié)連續(xù)式結(jié)構(gòu)，以改善沖擊電壓下的電壓特性，使能得到較均勻的電壓分布。變壓器繞組內(nèi)部有曲折油導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，能使繞組內(nèi)部區(qū)域都能得到充分的冷卻，降低了繞組的溫升和繞組熱點(diǎn)溫升，延長了絕緣壽命。

（4）110kV移相整流變壓器抗短路強(qiáng)度的主要設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)上，按相應(yīng)電網(wǎng)的短路容量，對(duì)變壓器各繞組及線圈的各個(gè)部位在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的力和發(fā)生最嚴(yán)重突發(fā)短路時(shí)的各種軸向和輔助電磁力進(jìn)行計(jì)算，確定合理結(jié)構(gòu)。在工藝制造上，采用帶壓緊和緊靠裝置的繞線設(shè)備，既能保證線圈徑向繞緊實(shí)，又能避免軸向壓縮而引起徑向松動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不留裝配裕度；采用換位導(dǎo)線，組合導(dǎo)線，高電壓產(chǎn)品的線圈采用內(nèi)屏蔽代替?zhèn)鹘y(tǒng)的糾接式，減少故障點(diǎn)，提高了工效。采取絕緣件預(yù)干燥；線圈，相裝配和器身裝配后分別進(jìn)行施加帶恒壓的預(yù)壓力，并進(jìn)行干燥。保證線圈高度一致安匝平衡，保證線圈的抗拉，抗彎曲，抗剪切強(qiáng)度；同時(shí)線圈采用硬紙筒，撐條墊塊加密處理，保證線圈支撐的穩(wěn)定性。能保證變壓器承受各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的短路沖擊而不損傷。

（5）110kV移相整流變壓器抗震、低局放設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)上，按相應(yīng)電網(wǎng)的短路容量，對(duì)變壓器各繞組運(yùn)用特殊設(shè)備，預(yù)先進(jìn)行相裝配，調(diào)整每項(xiàng)各個(gè)線圈的電抗高度完全符合設(shè)計(jì)要求，最大限度地減少端部漏磁，降低雜散損耗和機(jī)械力。變壓器的抗震，運(yùn)輸受力均經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，并采取了相應(yīng)可靠和細(xì)致的密封處理，保證變壓器在現(xiàn)場可免吊芯，可免維護(hù)運(yùn)行。

變壓器絕緣件全部進(jìn)行倒圓角去毛邊處理，并采用優(yōu)質(zhì)絕緣材料，保證紙板及其制品無異物無缺陷。引線包扎采用加屏蔽辦法，保證電極光滑。引線連接采用焊后去尖角毛刺，油箱接地電極均進(jìn)行倒圓角鈍化處理，到達(dá)降低局放的目的。

2.4 國產(chǎn)變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件升壓后技術(shù)研究

國產(chǎn)變頻器在升壓之前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過110/10kV降壓變壓器，直接接在10kV母線上，通過10kV隔離變壓器通過移項(xiàng)連接變頻器功率單元實(shí)現(xiàn)給壓縮機(jī)電機(jī)調(diào)速的目的。國產(chǎn)變頻器升壓之前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.5 VSDF系統(tǒng)基于升壓后各項(xiàng)技術(shù)性能整體提升

以MV7000變頻器為例，通過將10kV電壓調(diào)整到110kV，可以將變頻器通過110kV隔離變壓器，直接接在110kV母線上，減少了10kV供電環(huán)節(jié)，110kV隔離變壓器通過移項(xiàng)連接變頻器功率單元實(shí)現(xiàn)給壓縮機(jī)電機(jī)調(diào)速的目的，如圖5所示。

2.6 經(jīng)濟(jì)性

壓氣站取消110kV變壓器及10kV開關(guān)柜后，減少變電站設(shè)備一次性投資670萬元；將110kV變電所和10kV及以下配電裝置樓合一布置后，預(yù)期減少占地面積33%；取消2×63MVA變壓器，增加80MVA移項(xiàng)變壓器，增加2×3MVA主變，基本容量費(fèi)按25元/kVA計(jì)算，每年節(jié)省變壓器容量費(fèi)960萬元；由于省掉了2套10/0.4kV 2MVA大容量變壓器，整體減少1%～2%損耗。按照系統(tǒng)整體減少1.5%損耗、同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷80%、0.65元/kWh電價(jià)計(jì)算，每年能夠節(jié)能電費(fèi)410萬元。

3 結(jié)束語

隨著新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，變壓器制作工藝和水平進(jìn)一步提高，本文通過研究兩級(jí)電壓供配電技術(shù)，特別是對(duì)110kV移相整流變壓器的研究，形成電驅(qū)壓氣站高可靠性安全供配電技術(shù)，是輸氣管道供配電技術(shù)的創(chuàng)新。此次創(chuàng)新不僅可以減少一次性投資、減少征地、降低運(yùn)行費(fèi)用和管理費(fèi)用、減少由于110kV變壓器運(yùn)行維護(hù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，提高壓氣站生產(chǎn)的可靠性、連續(xù)性。

圖4 國產(chǎn)變頻器升壓之前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5 MV7000變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖