220 kV變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

何敏接

（東莞市輸變電工程建設(shè)有限責(zé)任公司，廣東東莞 523000）

1 課題研究背景及難點(diǎn)

我國(guó)電力行業(yè)的大力發(fā)展主要是從改革開(kāi)放之后開(kāi)始的。經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人們生活水平的提高，對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提升，以及國(guó)家對(duì)于能源的大力開(kāi)發(fā)，使得社會(huì)的電力需求量越來(lái)越大，因此，對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的速度和規(guī)模提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)與要求。而變電站作為整個(gè)電力系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的好壞將直接影響著供電的可靠性、穩(wěn)定性及安全性。所以，在進(jìn)行變電站的設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到其運(yùn)行的安全可靠，同時(shí)還要兼顧到投資的節(jié)約性，以保證用戶用電的方便性[1]。

2 220 kV變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)必要性及現(xiàn)狀分析

2.1 變電站建設(shè)必要性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的建設(shè)取得了很大的進(jìn)步與提升，在這個(gè)過(guò)程中，變電站的建設(shè)也成為非常重要的環(huán)節(jié)之一。而在變電站實(shí)際的運(yùn)行當(dāng)中，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且其規(guī)模較大，就會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題需要解決，比如線路短路、斷路器故障等，這就使得整個(gè)變電站的工作變得十分繁雜，而且還增加了維修的難度以及成本[2]。因此，為了能夠讓這些困難得以改善，就要對(duì)變電所進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，使其可以滿足用戶的需求和供電的可靠性要求。除此之外，對(duì)于一些大型的發(fā)電廠，都會(huì)有比較高的電壓等級(jí)，而在這種高壓輸電的情況下，如果發(fā)生了短路的現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)造成嚴(yán)重的后果；同時(shí)，短路還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量和電動(dòng)力，從而對(duì)設(shè)備的耐壓性、穩(wěn)定性、安全性都有一定的影響；此外，當(dāng)遇到雷擊的天氣時(shí)，會(huì)將引起的破壞比正常的時(shí)候還要大，這也將導(dǎo)致輸電網(wǎng)絡(luò)的損壞程度提高。

2.2 變電站電氣一次系統(tǒng)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及影響

在我國(guó)，電力系統(tǒng)的建設(shè)起步較晚，但隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，中國(guó)已擁有了世界上最大的發(fā)電廠和配電網(wǎng)絡(luò)。在過(guò)去的幾十年里，由于國(guó)家的大力支持，以及人們對(duì)生活質(zhì)量的要求和對(duì)電能的需求量不斷增加，使得電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，同時(shí)也使變電站的數(shù)量也越來(lái)越多。因此出現(xiàn)了許多新的技術(shù)、新設(shè)備，為滿足用戶的不同需要，各種新型的接線形式，如，微機(jī)控制的接線，電子式的接線，數(shù)字化的接地等。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，通過(guò)軟件模擬的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的研究與設(shè)計(jì)，并能準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，從而為決策者提供可靠的依據(jù)；另一方面，它也是一種利用數(shù)學(xué)模型來(lái)解決復(fù)雜的問(wèn)題或過(guò)程的分析手段。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外當(dāng)有大量的專家學(xué)者致力于變電站電氣一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中，以提高可靠性，降低成本減少投資，以達(dá)到最佳的使用效果。

3 220 kV變電站電氣一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略

3.1 總體規(guī)劃

220 kV 變電站的電氣一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和工程建設(shè)的實(shí)際情況進(jìn)行的，在進(jìn)行變電站設(shè)計(jì)時(shí)，要以經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性為原則，同時(shí)，也要結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件以及社會(huì)環(huán)境，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式做出合理的選擇與確定，從而使其達(dá)到最佳的供電效果[3]。

變電站的電氣一次部分主要包括主變壓器的接線形式、短路電流的計(jì)算及各種保護(hù)裝置的配置；站內(nèi)的配電設(shè)備的選型及校驗(yàn)繼電保護(hù)的整定，防雷的整定等。在此次變電站的電氣一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中，首先需要對(duì)主接線方案比較分析，然后再通過(guò)分析該線路的技術(shù)指標(biāo)，最后再?gòu)陌踩煽康慕嵌瘸霭l(fā)，選出最合適的設(shè)計(jì)方案來(lái)完成該任務(wù)。

3.2 變電站 電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行變電站的電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際環(huán)境來(lái)確定所選的電氣一次裝置的型號(hào)以及容量大小。同時(shí)，還要考慮到工程的具體情況，比如在某地區(qū)的地質(zhì)條件、地形地貌等方面的因素，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響等。

①可靠性。電力系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其可靠性包括許多方面，例如，供電的穩(wěn)定性、電壓的穩(wěn)定、頻率的高低以及故障的偶然性和不確定性等。所以在進(jìn)行變電站的設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到這些因素，保證在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，能夠有足夠的時(shí)間來(lái)解決問(wèn)題，確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行。②靈活性。電氣一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有一定的機(jī)動(dòng)性和可操作性，以滿足各種不同的用電需求。同時(shí)，還要能適應(yīng)多種負(fù)荷的變化要求。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)具體的情況來(lái)選擇合適的主接線形式，并對(duì)其進(jìn)行合理的配置與組合，從而使其能有效地發(fā)揮作用。③經(jīng)濟(jì)效益與安全性隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)電能的需要也越來(lái)越大，而為了保障人們的正常生活，必須提高電氣的技術(shù)水平，以達(dá)到減少投資，降低成本，節(jié)約資源的目的；另外，還應(yīng)該注意防火防盜，避免因火災(zāi)而造成人員傷亡。

3.3 變電站電氣一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

變電站的電氣一次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

①電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式和各部分所需的參數(shù)。②主接線的方案和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。③主線的設(shè)計(jì)方案與選擇原則、方法及其在單母子公司上的應(yīng)用等。在進(jìn)行電氣一次設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的工程情況，結(jié)合國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，以可靠性、靈活性以及操作方便性等系統(tǒng)來(lái)確定最終的設(shè)計(jì)方案與步驟。同時(shí)，還要考慮到未來(lái)可能出現(xiàn)的各種突發(fā)事件，例如一些重要的大型設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，是否會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的供電質(zhì)量，所以要做到提前預(yù)測(cè)，并做好應(yīng)急處理。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要充分思考如何提高工作效率，減少投資，降低成本。最后還應(yīng)注意的是，設(shè)計(jì)人員的綜合能力，不僅需要具備過(guò)硬的專業(yè)知識(shí)，還需要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這樣才能更好地完成任務(wù)。同時(shí)，必須嚴(yán)格的按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行，以確保電氣的安全可靠。

3.4 變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：對(duì)主接線進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和分析，選擇出合適的電氣設(shè)備，并且對(duì)主接線方案的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性以及合理性等方面做出綜合的評(píng)價(jià)；根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)和用電的要求來(lái)確定變壓器的容量與臺(tái)數(shù)，并通過(guò)校驗(yàn)短路電流，來(lái)保證安全可靠運(yùn)行；在繼電保護(hù)的整定計(jì)算中，要考慮到未來(lái)的發(fā)展情況，使其能滿足今后的發(fā)展需求。

①變電站電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以國(guó)家電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以電能生產(chǎn)與輸送的實(shí)際需要為前提，充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，保證整個(gè)電氣一次裝置的安全運(yùn)行。②在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性以及可靠性，使其能滿足未來(lái)的發(fā)展需求。③在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，盡量減少投資降低成本。④在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要注意保護(hù)環(huán)境，做到節(jié)能環(huán)保，提高能源的綜合使用效率。⑤根據(jù)變電所的具體情況，對(duì)其電氣主接線進(jìn)行方案選擇，并確定最終的設(shè)計(jì)方案是否可行。同時(shí)，還應(yīng)該考慮到后期的維護(hù)工作，防止發(fā)生故障時(shí)，影響日后的正常供電。因此必須認(rèn)真對(duì)待。⑥還需了解設(shè)備的性能參數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。⑦再確認(rèn)最佳的接線方式。如果出現(xiàn)了問(wèn)題，也可以盡快解決，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

3.5 變電站電氣一次系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于變電站一次系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，主要是根據(jù)工程的具體情況來(lái)確定還要充分的考慮當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，如：地形、地質(zhì)、水文等。

①變電站的一次設(shè)備的數(shù)量和占地面積是影響其運(yùn)行的主要因素。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量滿足其最大負(fù)荷的需求以及供電的能力需要。②電力變壓器的容量和臺(tái)數(shù)的多少對(duì)二次側(cè)的主接線的電氣裝置的選取有著很大的決定性的作用；如果沒(méi)有足夠的臺(tái)數(shù)，那么就會(huì)導(dǎo)致后期的維護(hù)費(fèi)用的增加或者引起事故的發(fā)生等。③主接線的方案比選，首先應(yīng)該從技術(shù)的先進(jìn)程度上綜合的比較來(lái)選出最合理的一種方案。其次就是按照短路電流的計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合所選的型號(hào)來(lái)選用斷路器。

3.6 一次系統(tǒng)主接線配置要求

主接線的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

①供電可靠。在電力系統(tǒng)中，各種電氣設(shè)備的正常工作，必須保證其安全穩(wěn)定，盡量避免故障的影響；在發(fā)生短路的時(shí)候，能盡快切除，以減少更多用戶的損失；當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式不改變時(shí)，應(yīng)盡可能的縮小線路長(zhǎng)度，以便節(jié)約投資。②調(diào)度方便。當(dāng)變電站的規(guī)模較大時(shí)，應(yīng)該考慮到未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃，使電廠的建設(shè)可以快速的進(jìn)行并投入運(yùn)營(yíng)，同時(shí)也要為將來(lái)可能出現(xiàn)的事故做好準(zhǔn)備。③擴(kuò)建便利。由于我國(guó)的能源分布不均，所以對(duì)電網(wǎng)的輸送能力也有一定的限制作用。因此，為了提高傳輸?shù)男屎凸?jié)省成本，需要將主接線的設(shè)計(jì)改為單母線的形式即可。根據(jù)上述的分析可知，一次系統(tǒng)的配置是有多種方案的：?jiǎn)文妇€及分段接線、雙回路、雙斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等。

3.7 電氣設(shè)備設(shè)計(jì)

根據(jù)變電站的具體情況，選擇合適的電氣設(shè)備，是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。在實(shí)際工作中，必須要結(jié)合電網(wǎng)的基本狀況，合理地配置各種電氣設(shè)備，使其能夠滿足不同負(fù)荷的要求和特點(diǎn)。

①主變壓器的設(shè)計(jì)。首先，要確定出變電站的主變壓器類型，然后對(duì)其進(jìn)行比較，最后，再對(duì)主接線的方案做詳細(xì)的分析計(jì)算。②短路電流的計(jì)算和繼電保護(hù)的選擇。短路電流的計(jì)算主要包括三相短路、兩相或單相接地的可能性，如果發(fā)生單相故障時(shí)，則會(huì)造成跳閘的問(wèn)題；而出現(xiàn)單相短路的時(shí)候，則會(huì)導(dǎo)致跳閘，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的安全與可靠。所以，需要依據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)資料來(lái)判斷是否屬于非正常的狀態(tài)。

3.8 接線形式

接線方式有兩種：?jiǎn)文妇€接線和雙母分段帶旁路。

①單母線及旁路。在正常運(yùn)行中，兩段配電裝置都采用單母線及旁路，且在故障情況下，兩回路的進(jìn)、出線路的斷路器合投時(shí)，可以使用的時(shí)間也比較多。②雙條帶旁路。當(dāng)一條進(jìn)、出線路發(fā)生短路過(guò)動(dòng)的時(shí)候，該段短路過(guò)動(dòng)的區(qū)段一般是斷開(kāi)后的兩條干線。當(dāng)其中一條路由臺(tái)架空導(dǎo)線的設(shè)備損壞時(shí)，另一條則會(huì)被斷開(kāi)。雙條帶旁道的作用是如果一段由隔離開(kāi)關(guān)的另一段配電裝置停電，那么另一個(gè)段的負(fù)荷就會(huì)停止供電，并不會(huì)影響到另一段的電力供應(yīng)；同時(shí)，若兩股饋電線的絕緣水平不一樣，則允許的最大輸送功率小于或等于額定輸電電壓。這種方法適用于距變電站5～10 km 的變電站。由于本次設(shè)計(jì)的為220 kV 及以下的高壓電網(wǎng)，所以選擇的接線為單條出線。

3.9 短路

由于電力系統(tǒng)中的故障在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，所以導(dǎo)致的后果是非常嚴(yán)重的，例如，短路的破壞和影響設(shè)備的安全。因此，必須采取必要的措施來(lái)限制可能會(huì)出現(xiàn)的各種危害。

①當(dāng)短路電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，使其的電壓下降，從而使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，甚至燒毀電氣設(shè)備。②當(dāng)短接地過(guò)載時(shí)，電路中的點(diǎn)將會(huì)有較大的電功率，這將會(huì)造成巨大的損失；同時(shí)，如果導(dǎo)線的截面積過(guò)大，也會(huì)對(duì)附近的通信設(shè)施帶來(lái)不利的影響；并且，還會(huì)引起其他的電氣事故。③在正常工作的情況下，線路上的負(fù)載也不會(huì)因?yàn)榻^緣損壞而減少。但在過(guò)載的時(shí)候，卻無(wú)法恢復(fù)到之前的狀態(tài)或繼續(xù)使用。為了防止這些問(wèn)題的發(fā)生，以及避免它們的再次重演，應(yīng)該盡可能的選擇最合適的方案來(lái)進(jìn)行計(jì)算。通常來(lái)說(shuō)，可以把三相的單相的接線方式分為3種，即單母線、雙母線及多角形接線。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是220 kV 的變電站一次電氣系統(tǒng)部分，該設(shè)計(jì)包括主變壓器的選擇與校驗(yàn)，主接線方案的確定，以及短路電流的計(jì)算等。此次設(shè)計(jì)的內(nèi)容涉及的知識(shí)點(diǎn)比較多，其中有工程的相關(guān)理論、電氣規(guī)范、繼電保護(hù)、防雷接地技術(shù)等。