城市郊區(qū)110 kV變電所及其配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁 航

（珠海泰坦科技股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的逐步提升，人們生產(chǎn)生活中對(duì)電力的需求也逐步呈上升趨勢(shì)[1]。變電所的電能主要來(lái)源于電力系統(tǒng)，通過(guò)電氣裝置和配電線路的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有轉(zhuǎn)化、配置、傳送等功能[2]。但是，現(xiàn)實(shí)中變電所存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象，特別是110 kV變電所，主要包括電網(wǎng)構(gòu)建的資源浪費(fèi)、污染環(huán)境、電能質(zhì)量低等，這一系列不良問(wèn)題對(duì)有關(guān)項(xiàng)目成本和電能品質(zhì)造成了極大影響，也背離了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[3,4]。在110 kV變電所及配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要多維度考慮,通過(guò)剖析和核算負(fù)荷信息，計(jì)算短路與最大工作電流，從而選擇合適的裝置型號(hào)與良好的主線路連接方式，以此完成變電所的相關(guān)設(shè)計(jì)[5]。

1 負(fù)荷分析及設(shè)備選擇

1.1 負(fù)荷分析

整體區(qū)域提升電力體系的安全應(yīng)用水平，就是為使用者的持續(xù)性電能應(yīng)用打造基礎(chǔ)性的條件。依照使用者對(duì)電能供應(yīng)具有的可靠性要求不同，可以把當(dāng)前中國(guó)的負(fù)荷分成下面3個(gè)等級(jí)。第1級(jí)負(fù)荷：如果此級(jí)負(fù)荷斷開(kāi)，其結(jié)果是非常嚴(yán)重的。例如：可能發(fā)生危及人身安全的事故；導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)的主要裝置遭受無(wú)法修復(fù)的破壞，從而造成各種嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；市政生活的重要部門發(fā)生混亂等。第2級(jí)負(fù)荷：如果此級(jí)負(fù)荷斷開(kāi)，則會(huì)導(dǎo)致很大程度的減產(chǎn)，人們生活受到影響等。第3級(jí)負(fù)荷：只要不是第1、2級(jí)的且影響也不大的負(fù)荷均是此級(jí)負(fù)荷，如工廠的下屬車間，其造成的損失不大。

通過(guò)某城市郊區(qū)的用電情況，電負(fù)荷可以分為如表1～表3所示的3個(gè)等級(jí)。

表1 第一級(jí)負(fù)荷表

表2 第二級(jí)負(fù)荷表

表3 第三級(jí)負(fù)荷表

1.2 變壓器的選擇

對(duì)于城市近郊的一次變電站來(lái)講，如果中、低壓側(cè)已形成環(huán)狀電網(wǎng)，那么變電站最好安設(shè)2臺(tái)主變壓設(shè)備。同時(shí)，因?yàn)榇俗冸娬緦儆诒容^重要的中間變電站，和體系息息相關(guān)，并且在一次主線路連接中已經(jīng)準(zhǔn)備使用旁路代主變的方法，所以選擇2臺(tái)并列應(yīng)用的主變壓設(shè)備且是容量相同。對(duì)于主變壓器的容量選擇，通常依照變電站建好5～10年以后的計(jì)劃負(fù)荷進(jìn)行，也相應(yīng)地考慮到10～20年的長(zhǎng)遠(yuǎn)性發(fā)展。依照變電站的負(fù)荷性質(zhì)和電網(wǎng)構(gòu)造對(duì)主變壓設(shè)備的容量進(jìn)行評(píng)定。

在變電站中存在3個(gè)電壓級(jí)別，分別是110 kV、35 kV和10 kV，其主變壓設(shè)備最好使用3繞組變壓器。選擇變壓器的相數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下原則：如果無(wú)傳輸要求，那么對(duì)于低于330 kV的發(fā)電廠和變電站都應(yīng)使用3相變壓器。與這個(gè)變電所的現(xiàn)實(shí)狀況相結(jié)合，主變壓器選擇3相。對(duì)變壓器的電壓實(shí)施調(diào)節(jié)時(shí)，采用分接開(kāi)關(guān)去對(duì)變壓器的分接頭實(shí)施轉(zhuǎn)換，從而讓變壓設(shè)備的變比發(fā)生改變以完成電壓調(diào)動(dòng)。切換方式有2種：一是不帶電切換，稱為無(wú)激勵(lì)調(diào)壓；二是帶電轉(zhuǎn)換，也叫做有載調(diào)壓，其調(diào)節(jié)的范圍能達(dá)到30%。設(shè)置有載調(diào)壓的原則中提到，對(duì)低于110 kV的變壓器最好使用有載調(diào)壓的方法。對(duì)于這個(gè)變電所的整體狀況進(jìn)行考慮，其主變壓器應(yīng)該選擇使用有載調(diào)壓的方法。主變壓設(shè)備通常使用的冷卻方法為自然風(fēng)冷卻、油循環(huán)風(fēng)冷卻與水冷卻等。容量比較小的變壓設(shè)備通常使用自然風(fēng)的方式實(shí)施冷卻，容量比較大的變壓設(shè)備通常使用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷卻的方式。經(jīng)由前文相關(guān)解析可知，選擇的變壓器容量為40 MVA，是容量比較小的變壓設(shè)備，因此冷卻方式為自然風(fēng)冷卻。

1.3 主要電氣設(shè)備選擇

電氣設(shè)備選擇的一般原則如下：一是達(dá)到正常應(yīng)用維護(hù)短路及過(guò)電壓狀況下的需求并且要對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展進(jìn)行考慮；二是達(dá)到安設(shè)位置與相關(guān)環(huán)境情況校核；三是力求技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理；四是同類設(shè)備應(yīng)盡量減少品種；五是與整個(gè)工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致；六是選擇使用的新型產(chǎn)品都應(yīng)該具備可靠的測(cè)試和合格證明，如果使用沒(méi)有合格證的新型產(chǎn)品，則需要相關(guān)上級(jí)同意方可。

（1）高壓斷路器的選擇。選擇高壓斷路器的形式與安裝場(chǎng)所、配電裝置的結(jié)構(gòu)等條件有關(guān)，同時(shí)必須考慮開(kāi)斷時(shí)間、頻度、使用壽命等參數(shù)。依照中國(guó)當(dāng)前對(duì)于高壓斷路設(shè)備制造的狀況來(lái)看，通常在6～35 kV選擇使用真空形式的斷路器，35 kV也能夠選擇使用SF6斷路器；在110 kV及以上選用SF6斷路器。

（2）電流互感器的選擇。依照電流互感設(shè)備安設(shè)的場(chǎng)地及運(yùn)行條件，挑選電流互感設(shè)備的絕緣構(gòu)造、安設(shè)方法、構(gòu)造方式等。通常6～20 kV的戶內(nèi)配電設(shè)備中的電流互感設(shè)備經(jīng)常使用戶內(nèi)式的瓷絕緣或者是樹脂絕緣構(gòu)造；6～20 kV戶內(nèi)配電設(shè)備中額定電流高于2000 kA的電流互感設(shè)備經(jīng)常使用母線方式；超過(guò)35 kV的電流互感設(shè)備經(jīng)常使用油浸形式或油浸瓷箱形式的瓷絕緣構(gòu)造。

（3）電壓互感器的選擇。依照電壓互感設(shè)備安設(shè)的場(chǎng)地和運(yùn)行條件挑選電壓互感設(shè)備的絕緣構(gòu)造和安設(shè)方法。通常6～20 kV戶內(nèi)配電設(shè)備經(jīng)常使用戶內(nèi)式瓷絕緣或樹脂絕緣的電磁式電壓互感設(shè)備；35 kV配電設(shè)備中最好使用電磁式電壓互感設(shè)備，等于和高于110 kV的配電設(shè)備盡量選擇電容式的電壓互感設(shè)備。在選擇時(shí)，應(yīng)該依照線路連接盒的各種用途去確立單相式、3相式以及5柱式等不同副繞組的各種電壓互感設(shè)備。

2 電氣主接線設(shè)計(jì)

2.1 主接線基本要求

依照電力工業(yè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與發(fā)電廠和變電廠的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況，為達(dá)到電力體系的各種需求，對(duì)于電氣主線路連接提出下列要求。

（1）運(yùn)行的可靠。斷路設(shè)備維護(hù)的時(shí)候?qū)╇姛o(wú)影響；裝置及電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行維護(hù)時(shí)，停電范圍的大小、時(shí)間的長(zhǎng)短可以保障重要使用者的電能供應(yīng)。

（2）具有一定的靈活性。主線路連接處于正常應(yīng)用時(shí)能夠依照調(diào)度的需求進(jìn)行靈便的轉(zhuǎn)換應(yīng)用方法，以實(shí)現(xiàn)調(diào)度目的，并且在各類問(wèn)題或者是裝置維護(hù)時(shí)可以快速退出裝置。最終使停電的區(qū)域和時(shí)間都降到最小，還能夠保障維護(hù)人員的施工安全。

（3）操作應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、方便。主線路連接應(yīng)該簡(jiǎn)捷清楚、便于操作，過(guò)于繁雜的線路連接不但影響操作。還易導(dǎo)致工作人員的錯(cuò)誤操作，線路連接太簡(jiǎn)捷又無(wú)法達(dá)到應(yīng)用的需求，因此應(yīng)該進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

（4）經(jīng)濟(jì)合理。主線路連接在保障安全、可靠及運(yùn)用便捷的前提下，還應(yīng)該讓投資及年費(fèi)用盡量小一些，在占地方面應(yīng)盡量減小面積，從而獲得最佳經(jīng)濟(jì)收益。

（5）具有擴(kuò)建的可能性。因?yàn)槲覈?guó)工農(nóng)業(yè)處于快速發(fā)展階段，電力負(fù)荷增長(zhǎng)的速度非?？?，所以在挑選主線路連接時(shí)應(yīng)當(dāng)注意未來(lái)擴(kuò)建的情況。

2.2 110 kV電氣主接線

該變電所是為某區(qū)域電力體系的發(fā)展及負(fù)荷提高而進(jìn)行計(jì)劃性建設(shè)。對(duì)110 kV設(shè)置的出線回路數(shù)量不高于2回的能夠使用單母線進(jìn)行連接，連接成內(nèi)橋的形式。結(jié)合負(fù)荷分析，110 kV具有2回進(jìn)線，因此110 kV側(cè)使用回路采用內(nèi)橋的方式。

2.3 35 kV電氣主接線

35 kV側(cè)負(fù)荷共7回，并且其電壓級(jí)別是35～60 kV，出線是4～8回，能夠使用單母線的分段形式線路連接，也能使用雙母線線路連接。為保障電網(wǎng)維護(hù)時(shí)不用斷電，使用單母線分段接線方式的線路連接。

2.4 10 kV電氣主接線

此處的10 kV側(cè)出線回路是12回，依照相關(guān)規(guī)定6～10 kV的配電設(shè)備出線回路數(shù)量大于等于6回時(shí)，能夠使用單母線分段線路連接的方式。對(duì)于比較復(fù)雜的情況，可以使用雙母線線路連接。從經(jīng)濟(jì)方面講，單母線分段接線更好，其靈便的調(diào)換也能夠保障供電更加可靠。

3 無(wú)功補(bǔ)償?shù)男问郊把b置選擇

3.1 無(wú)功補(bǔ)償功率

從發(fā)電廠到使用者需要進(jìn)行多級(jí)的變壓處理，較多的變壓設(shè)備損耗相加，導(dǎo)致電力體系中的無(wú)功損耗總量也是巨大的，那么從發(fā)電廠至使用者之間的無(wú)功損耗是使用者負(fù)荷的50%～70%。此外，輸電線上還有較大的無(wú)功損耗。如果只有發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)作為無(wú)功電源來(lái)供給，那么不能保證電力系統(tǒng)之間的無(wú)功平衡。因此，電力體系通常需設(shè)定別的無(wú)功電源從而實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償。該變電站的電壓最高電壓等級(jí)為110 kV，且用戶屬于高壓供電的工業(yè)用戶，因此做無(wú)功補(bǔ)償時(shí)至少應(yīng)將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.90以上，本設(shè)計(jì)選擇的功率因數(shù)是0.94。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的選擇

在對(duì)補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行設(shè)置時(shí)，應(yīng)該從體系專業(yè)依照電網(wǎng)的電壓、體系穩(wěn)定性以及限制諧波電壓等相關(guān)需求去確立補(bǔ)償設(shè)備的安設(shè)位置、類型、容量及電壓級(jí)別等。而對(duì)于電氣專業(yè)應(yīng)該從安設(shè)位置的自然環(huán)境、設(shè)備的線路連接方法、管控保護(hù)方法以及防止或限制補(bǔ)償設(shè)備形成運(yùn)行過(guò)電壓與諧振過(guò)電壓等方面進(jìn)行考慮，并實(shí)施合適的配置。為讓無(wú)功補(bǔ)償能夠達(dá)到所有體系的需求，將無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安設(shè)于10 kV側(cè)。

4 短路點(diǎn)的確定

依照電氣裝置在應(yīng)用中應(yīng)該達(dá)到的動(dòng)穩(wěn)定及熱溫度的相關(guān)規(guī)定去挑選合適的電氣裝置型號(hào)，按照短路電流的相關(guān)核算去確立合適的電氣主線路連接方法，從而為繼電保護(hù)整定核算供應(yīng)相關(guān)的依照。短路故障是電力系統(tǒng)中最多見(jiàn)的也是最為嚴(yán)重的故障，它會(huì)使系統(tǒng)的電壓急劇減少，引起回路電能轉(zhuǎn)換流的升高，不僅會(huì)破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且會(huì)影響用戶的用電情況。因此，要重視短路故障，對(duì)短路電流進(jìn)行更為嚴(yán)格的檢查與核算。

對(duì)短路電流進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)依照會(huì)出現(xiàn)最大短路電流來(lái)確定線路連接方式。在挑選相關(guān)導(dǎo)體與電器時(shí)，對(duì)于沒(méi)有電抗器回路的短路位置進(jìn)行運(yùn)算，也應(yīng)該挑選在正常線路連接時(shí)短路電流最大的位置。一般3相短路最為嚴(yán)重，且發(fā)生在母線上。所以說(shuō)可能會(huì)出現(xiàn)最大短路電流的短路點(diǎn)就有3個(gè)，即110 kV母短路，35 kV母線短路點(diǎn)，10 kV母線短路。

5 結(jié) 論

在電力體系中，變電站屬于其中的重要構(gòu)成之一。變電站作為傳送和管控電能的重要中樞，就一定要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)形式的設(shè)計(jì)與管控方式，才可以符合現(xiàn)如今的電力體系、工業(yè)生產(chǎn)及人民大眾生活的發(fā)展需求。110 kV的變電站是高壓線路，這個(gè)區(qū)域中的變電所涉及很多方面，需要對(duì)很多問(wèn)題進(jìn)行考慮，要全方位地解析其承擔(dān)的責(zé)任和使用負(fù)荷等狀況。同時(shí)，要對(duì)其建設(shè)的地址進(jìn)行挑選，對(duì)區(qū)域內(nèi)使用符合數(shù)據(jù)實(shí)施準(zhǔn)確運(yùn)算，確立使用者無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備。此外，要對(duì)各類變壓器實(shí)施挑選，進(jìn)而確立變電站的線路連接方法，挑選送配電線路和相應(yīng)的導(dǎo)線，實(shí)施短路電流運(yùn)算。