風(fēng)峪溝35 kV變電站預(yù)制艙式改造方案分析

郭玉峰

(西山煤電集團(tuán)公司 發(fā)電事業(yè)部， 山西 太原 030053)

西山煤電集團(tuán)官地礦風(fēng)峪溝35 kV變電站負(fù)擔(dān)著井下供風(fēng)的重任，是官地礦“一通三防”工作的重要環(huán)節(jié)，運轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)一旦出現(xiàn)事故，將直接威脅井下工作人員的生命及礦井的生產(chǎn)安全。該變電站主要設(shè)備多為2005年制造，主變壓器為兩臺20 MVA三相兩繞組油浸式有載調(diào)壓變，現(xiàn)階段運行正常。但是站內(nèi)無功補(bǔ)償裝置因故障已退出運行，造成主變功率因數(shù)低，無功損耗增大，設(shè)備老化加速。站內(nèi)設(shè)備老化，監(jiān)控系統(tǒng)不能接受站內(nèi)所有信息，保護(hù)及監(jiān)控信息無法向煤礦調(diào)度上傳，影響運行人員對保護(hù)裝置運行狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)報文監(jiān)視；且保護(hù)裝置無備件，若裝置元件發(fā)生故障時不能快速消除，直接影響到一次設(shè)備的正常運行。因此，為保障官地礦日常安全生產(chǎn)需要，杜絕因失電而造成的生命財產(chǎn)損失，同時改善官地礦電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低電網(wǎng)損耗，保證電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)的供電可靠性、穩(wěn)定性和靈活性，滿足該地區(qū)的安全和發(fā)展要求，亟需對該變電站進(jìn)行改造。

1 變電站概況

1.1 廠區(qū)概況

官地礦風(fēng)峪溝35 kV變電站地處太原市西山風(fēng)峪溝源頭北面山坡風(fēng)峪溝古滑道的滑坡平臺上，同時處于官地礦采空變形區(qū)內(nèi)，該處山體滑坡、地殼運動頻繁、地質(zhì)不穩(wěn)定。

1.2 電網(wǎng)現(xiàn)狀

風(fēng)峪溝35 kV變電站兩回電源進(jìn)線分別由杜兒坪礦110 kV變電站不同母線提供，線路長度約5.8 km，再由風(fēng)峪溝35 kV變電站35 kVⅠ段母線出一回線作為安家溝35 kV變電站的電源，由變電站6 kV母線各出2回專線作為黃冶風(fēng)機(jī)房和要子莊風(fēng)機(jī)房的電源。電網(wǎng)示意圖見圖1.

圖1 風(fēng)峪溝35 kV電網(wǎng)示意圖

1.3 設(shè)備現(xiàn)狀

35 kV開關(guān)柜是長城電器集團(tuán)生產(chǎn)的KYN-40.5-10型開關(guān)柜，于2005年8月投運，現(xiàn)已運行15年，設(shè)備老化，操作機(jī)構(gòu)卡澀，手車合閘和分閘操作不能就位，且制造廠已經(jīng)停產(chǎn)，無法提供備品備件和技術(shù)服務(wù)。

6 kV開關(guān)柜是長城電器集團(tuán)生產(chǎn)的KYN28A-12型中置式開關(guān)柜，布置于主體建筑一層，為雙列背對背布置，柜后無預(yù)留檢修巡視通道。

出站6 kV電纜露天敷設(shè)，隨意擺放，末端負(fù)荷均為煤礦重要負(fù)荷，敷設(shè)未滿足《電力工程電纜設(shè)計規(guī)范》要求，雙電源電纜未采取防火分隔等措施。

2 改造方案

遵循“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)，投資合理、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、切實可行、適應(yīng)地址”的原則，結(jié)合電網(wǎng)現(xiàn)狀、場地及設(shè)備現(xiàn)狀，原主變利舊，其它電氣設(shè)備選用技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠并且適合風(fēng)峪溝35 kV變電站地質(zhì)情況的電氣設(shè)備。

2.1 現(xiàn)場問題分析

變電站場地位于滑坡輕微變形區(qū)，該變電站的主體建筑為二層磚混結(jié)構(gòu)，預(yù)制蓋板，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)等多種原因，變電站地表出現(xiàn)較大裂縫，建筑外墻開裂嚴(yán)重，樓面層也出現(xiàn)開裂現(xiàn)象等，在原位置更換設(shè)備，從技術(shù)角度上分析，房屋依然達(dá)不到現(xiàn)有抗震要求，存在安全隱患。從經(jīng)濟(jì)角度分析，更換設(shè)備需在變電站場區(qū)空地上放置臨時箱式35 kV開關(guān)站作為施工過渡措施，臨時箱式35 kV開關(guān)站造價高，會造成投資浪費。變電站除主變壓器外的一次設(shè)備運行情況較差，綜合自動控制系統(tǒng)也無法滿足無人值守變電站的要求，需考慮全站改造，且需一次性完成，分步實施會造成主要設(shè)備之間、一次和二次系統(tǒng)的重復(fù)調(diào)試，增加設(shè)備帶病運行的時間，影響變電站的安全穩(wěn)定運行。

2.2 方案選擇分析

我國現(xiàn)有變電站中建筑結(jié)構(gòu)型式主要有磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制艙式等。預(yù)制艙式變電站是采用先進(jìn)、可靠、環(huán)保的智能模塊化單元組成集約型封閉式的變電站，它以信息數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)版為基本要求，具備自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和檢測等功能。從全壽命周期成本來看，預(yù)制艙式變電站造價要稍高于其他布置型式，但其具有設(shè)備通用、布局靈活、安裝便捷、建站快捷、運維簡單等特點，可減少現(xiàn)場施工周期和人員的配置，設(shè)備及材料可回收和利用[1]. 預(yù)制艙自身具備抗變形能力，不同模塊互相獨立，能有效降低地質(zhì)變動對整站造成的影響。結(jié)合風(fēng)峪溝特殊的地質(zhì)條件和近年由于地質(zhì)沉陷的變電站改造先例，將風(fēng)峪溝35 kV變電站改造為預(yù)制艙式變電站是可行的。

3 預(yù)制艙改造方案

3.1 電氣總平面布置

站區(qū)長66 m，寬49.8 m，圍墻內(nèi)總占地面積3 286.8 m2. 站內(nèi)設(shè)置35 kV設(shè)備預(yù)制艙和6 kV一二次設(shè)備聯(lián)合預(yù)制艙，35 kV配電裝置布置于35 kV設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)，6 kV配電裝置和二次、通信、調(diào)度自動化設(shè)備布置于6 kV一二次設(shè)備聯(lián)合預(yù)制艙內(nèi)。35 kV采用電纜進(jìn)出線，6 kV進(jìn)線采用管母線，6 kV出線采用電纜出線。主變壓器布置于35 kV預(yù)制艙的西側(cè)，戶外布置。電容組器及站用變壓器布置于場地西北側(cè)。變電站內(nèi)設(shè)置T型道路，滿足主變壓器等大設(shè)備的整體運輸及消防要求。

按照無功負(fù)荷就地平衡和補(bǔ)償變壓器無功損耗的原則，結(jié)合本期工程規(guī)模以及電容器投切合閘涌流考慮，推行全壽命周期管理理念。經(jīng)過合理計算，單臺變壓器最終補(bǔ)償容量為4 800 kVar，按補(bǔ)償容量為主變?nèi)萘康?4%考慮，本站補(bǔ)償總?cè)萘?×4 800 kVar.

站內(nèi)6 kV采用電纜出線，為消除電容電流，需要在6 kV各段母線上裝設(shè)消弧線圈。

原有6 kV電纜由原開關(guān)柜分段倒接至新增6 kV預(yù)制艙。其中電纜線路出線24回，西側(cè)出線電纜20回，東側(cè)出線電纜4回，西側(cè)出線電纜可重新做戶內(nèi)電纜頭接入新建6 kV預(yù)制艙內(nèi)，共需重新制作20套戶內(nèi)冷縮電纜頭，東側(cè)出線電纜無法利舊需重新敷設(shè)電纜4回，新建線路由6 kV預(yù)制艙起至線路1#桿塔，線路總長度約為600 m，共需重新制作4套戶內(nèi)冷縮電纜頭和4套外冷縮電纜頭。

施工時，6 kV預(yù)制艙和35 kV預(yù)制艙就位，主變進(jìn)行輪停，6 kV母線分段運行，將6 kV電纜分段倒接進(jìn)新建6 kV預(yù)制艙內(nèi)，以減少停電時間，變電站正常運行后將原建筑物和設(shè)備拆除。

3.1.1 電氣主接線

1) 35 kV主接線采用單母線接線方式。2) 6 kV主接線采用單母線分段接線方式。

3.1.2 中性點接地方式

1) 35 kV側(cè)中性點不接地系統(tǒng)。2) 6 kV側(cè)中性點不接地系統(tǒng)。

3.1.3 配電裝置形式

1) 35 kV配電裝置。采用戶內(nèi)移開式開關(guān)柜，預(yù)制艙內(nèi)單列布置，采用電纜進(jìn)出線，主變壓器35 kV側(cè)進(jìn)線通過YJV22-26/35-1×240電纜引入35 kV配電裝置開關(guān)柜。共需建設(shè)9面開關(guān)柜，其中35 kV進(jìn)線柜2面、35 kVPT及避雷器柜2面、35 kV出線柜3面、35 kV分段柜1面、35 kV聯(lián)絡(luò)柜1面。

2) 6 kV配電裝置。采用戶內(nèi)金屬鎧裝移開式開關(guān)柜，預(yù)制艙內(nèi)雙列布置，采用架空進(jìn)線、電纜出線，主變壓器6 kV側(cè)進(jìn)線通過封閉母線引入6 kV配電裝置開關(guān)柜。共需建設(shè)37面開關(guān)柜，其中6 kV主變進(jìn)線柜2面、6 kV出線柜27面、6 kVPT柜2面、6 kV分段柜1面、6 kV隔離柜1面、6 kV電容器開關(guān)柜1面、6 kV接地變開關(guān)柜2面。

3.2 一次設(shè)備

風(fēng)峪溝35 kV變電站站址污穢等級為d級，戶外設(shè)備外絕緣按d級上線考慮。35 kV設(shè)備按每條線路帶2臺20 MVA主變計算。本站各級電壓等級的設(shè)備短路電流按以下短路水平選擇:35 kV電壓等級按25 kA考慮，6 kV按31.5 kA考慮。主要設(shè)備配置如下：

1) 主變壓器。根據(jù)利舊原則，選用三相雙繞組油浸式自冷有載調(diào)壓變壓器。

2) 35 kV電氣設(shè)備。選用鎧裝移開式戶內(nèi)開關(guān)柜，柜中斷路器選擇采用真空斷路器，額定電流為1 250 A，開斷電流為25 kA；配干式電流互感器、干式電壓互感器、交流無間隙金屬氧化物避雷器。

3) 6 kV電氣設(shè)備。選用鎧裝移開式戶內(nèi)交流金屬封閉開關(guān)柜，柜中斷路器選用真空斷路器，回路額定電流為2 500 A，開斷電流為31.5 kA；配干式電流互感器、干式電壓互感器、交流無間隙金屬氧化物避雷器。

4) 無功補(bǔ)償裝置。采用戶外SVG電容器成套裝置，總補(bǔ)償容量2×4 800 kVar.

5) 6 kV接地變消弧線圈成套裝置。接地變700/6.9-50/0.4，消弧線圈6.0/6.9 50-105A,隔離開關(guān)GW19-12，避雷器HY5WR2-10/45.

6) 導(dǎo)體選擇。主變進(jìn)線選擇導(dǎo)線型號YJV22-26/35-1×185，載流量455 A；電容器組選擇導(dǎo)線型號YJV22-6/6-1×300,載流量600 A；站用變選擇導(dǎo)線型號YJV22-6/6-1×150,載流量400 A.

一次設(shè)備部分布置方案可將原占地面積較多、分布較為分散的電氣設(shè)備最大程度的集成化，節(jié)省變電站內(nèi)土地資源的同時，縮短了各設(shè)備間隔，節(jié)省了電纜導(dǎo)線的成本，便于運維人員對設(shè)備進(jìn)行日常巡檢和維護(hù)，提升變電站運轉(zhuǎn)工作效率。

3.3 二次設(shè)備

二次設(shè)備作為監(jiān)控和組織一次設(shè)備預(yù)制艙有序運行的設(shè)備，其核心內(nèi)容包括測控配置、故障信息配置、安全性配置、監(jiān)控配置、計量配置。將二次設(shè)備布置于預(yù)制艙內(nèi)，35(6) kV多合一裝置下放至開關(guān)柜，站控層設(shè)備、主變保護(hù)、測控及其他二次設(shè)備(含通信設(shè)備)組屏安裝。屏柜靠墻布置，采用前接線、前顯示式(主變保護(hù)測控柜采用柜前開門，屏后接線方式)，屏柜高2 260 mm×寬800 mm×深600 mm. 主要設(shè)備配置如下：

1) 站控層設(shè)備。按遠(yuǎn)期配置，包括監(jiān)控主機(jī)1臺、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)1臺、其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備打印機(jī)等。

2) 間隔層設(shè)備。主變各側(cè)測控裝置與后備保護(hù)集成配置，35(6) kV部分采用保護(hù)測控集成裝置。

3) 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。站控層交換機(jī)采用級聯(lián)方式，配置1臺中心交換機(jī)，安裝于公用測控柜；6 kV配置1臺隔層交換機(jī)，安裝于6 kVⅠ段PT柜。

4) 遠(yuǎn)動系統(tǒng)。35 kV電壓等級變電站遠(yuǎn)動通信裝置按單套配置，與其他自動化系統(tǒng)共享信息，不重復(fù)采集。

5) 電能計量系統(tǒng)。全站配置一套電能遠(yuǎn)方終端，以串口方式采集各電能計量表信息，并通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與電能主站通信。

6) 主變保護(hù)。采用主、后備保護(hù)獨立裝置，后備保護(hù)與測控裝置集成；非電量保護(hù)單獨配套，并通過電纜直接采樣、直接跳閘。

7) 組合式一體化電源系統(tǒng)。全站直流、交流、UPS、通信等電源采用集成設(shè)計、集成配置、集成監(jiān)控，其運行工況和信息數(shù)據(jù)通過集成監(jiān)控單元展示并通過DL/T860標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式接入監(jiān)控系統(tǒng)。

以上設(shè)備配置加強(qiáng)了站內(nèi)設(shè)備運行期間數(shù)據(jù)收集匯總能力，加強(qiáng)了運維人員對站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)了解，便于運行和檢修期間對站內(nèi)各個設(shè)備的詳細(xì)情況及時了解；在一次設(shè)備運行出現(xiàn)故障時，通過站控層設(shè)備及時了解故障信息，對故障點及故障原因快速做出研判，避免了事故擴(kuò)大的可能性，提升站內(nèi)供電安全和供電質(zhì)量。

4 效能分析

預(yù)制艙式變電站智能化程度較高，人為控制因素較少，同時配套有遠(yuǎn)程監(jiān)控操作系統(tǒng)，同比普通布置型式變電站，可使后期運維成本大幅降低。同時，受益于預(yù)制艙模塊化的優(yōu)點，對變電站運行期間設(shè)備突發(fā)故障的處理時間和費用也可有較大程度的降低。改造方案實施后將能有效解決風(fēng)峪溝變電站基礎(chǔ)沉陷，建筑物變形，站內(nèi)配電裝置運行不可靠，檢修不方便，主要設(shè)備老化，運行年限較長，電網(wǎng)安全可靠性差等問題，避免可能發(fā)生因地殼運動導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害引起重大生產(chǎn)安全事故的發(fā)生，對保證礦區(qū)安全用電有重要意義。

5 結(jié) 語

預(yù)制艙是變電站應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的一個重要體現(xiàn)，是由預(yù)制艙體、二次設(shè)備屏柜(或機(jī)架)、艙體輔助設(shè)施等組成，在工廠內(nèi)完成制作、組裝、配線、調(diào)試等工作，并作為一個整體運輸至工程現(xiàn)場，就位于安裝基礎(chǔ)上。將其用于煤礦變電站的改造中，可有效減少設(shè)計、施工、調(diào)試等工程量，簡化檢修維護(hù)工作，縮短建設(shè)周期，加快智能變電站建設(shè)周期。