變電站電氣優(yōu)化設(shè)計策略探究

何 銳 張榮君

（1.南京榮風(fēng)電力設(shè)計有限公司，江蘇 南京 2100 00；2.江蘇謙鴻電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000）

目前，我國電力行業(yè)無論是發(fā)展還是規(guī)模都在不斷上升。人們逐漸認(rèn)識到電力的運行質(zhì)量和電力工程的價值。隨著時代的進(jìn)步，變電站建設(shè)的質(zhì)量也成為相關(guān)工作領(lǐng)域人員關(guān)注的重點。變電站的建設(shè)可以保障供電系統(tǒng)始終處于安全穩(wěn)定的工作狀態(tài)，提升變電站的運行質(zhì)量，為人們提供更好的服務(wù)。此外，變電站的建設(shè)必須遵循社會服務(wù)的基本準(zhǔn)則。從現(xiàn)實情況來看，雖然我國變電站的建設(shè)效果良好，但仍存在一些問題。

本文以220kV 變電站新建工程為對象，對變電站電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究，并提出相關(guān)措施供大家參考。

1 變電站的重要性

電力設(shè)備得到相應(yīng)的革新是依賴于電力系統(tǒng)的創(chuàng)新和改進(jìn)，如何提高變電站的作業(yè)質(zhì)量以及設(shè)計水平是電力行業(yè)現(xiàn)階段需要重點關(guān)注的問題，需要用長遠(yuǎn)的眼光來設(shè)計電力設(shè)備，應(yīng)對快速發(fā)展的電力需求。根據(jù)電力發(fā)展趨勢綜合考察對現(xiàn)狀的影響，為變電站電力系統(tǒng)安全、平穩(wěn)工作提供有力保障，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，有效調(diào)整兩者之間的關(guān)系，逐步緩解各類問題，進(jìn)而制定合理、科學(xué)的設(shè)計方案。

變電站對電力進(jìn)行有效控制，合理調(diào)節(jié)電流向，控制電壓，使各電網(wǎng)與變電站之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，使各項電壓由變壓器組合到一起，然后合理分配，使電網(wǎng)系統(tǒng)的運行能夠增加安全性和可靠性。變電站的基本功能是對高低電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并使其有諸多的變電選擇，發(fā)電廠采取升壓方式，降低電能在遠(yuǎn)距離過程中的能量消耗。也有一部分變電站采用高電壓轉(zhuǎn)低電壓的方式進(jìn)行電力傳輸[1]。在變電站中，雖然變壓器屬于基礎(chǔ)設(shè)備，但具有重要功能，其對電能的有效轉(zhuǎn)換，能夠為用戶帶來安全的電壓。電力輸出的正常運行受變電站的影響很大，變電站的相關(guān)設(shè)備也對電路開關(guān)起著控制作用。

2 變電站工程建設(shè)概述

阿里公司擬在江蘇省南通市建設(shè)3 座數(shù)據(jù)中心，分別位于南通市開發(fā)區(qū)（2 座）和海門市（1 座）。本項目位于南通市開發(fā)區(qū)阿里巴巴江蘇云計算數(shù)據(jù)中心金屬園區(qū)內(nèi)，省道S223 以北，占地約425 畝，計劃投運時間為2022 年2 月。根據(jù)業(yè)主提供資料，本項目最大負(fù)荷為304MW，全為一級負(fù)荷。為滿足負(fù)荷用電需要，需建設(shè)1 座220kV 變電站。

根據(jù)接入系統(tǒng)審查意見，阿里金屬園數(shù)據(jù)中心建設(shè)220kV 變電站1 座，通過1 回220kV 線路接至220kV 蘇通變，線路路徑長度約3.78km；通過1 回220kV 線路接至220kV 神農(nóng)變，線路路徑長度約9.49km。新建架空導(dǎo)線截面不小于2×300 平方毫米，電纜輸送能力與之相匹配。蘇通變和神農(nóng)變分別建設(shè)1 個220kV 出線間隔。

阿里金屬園220kV 變電站新建工程設(shè)計規(guī)模如下：

主變壓器：本期8×80MVA，遠(yuǎn)景容量不變，電壓等級為220/10kV。

220kV：本期2 回（蘇通、神農(nóng)），遠(yuǎn)景規(guī)模不變，本期及遠(yuǎn)景均采用雙母線接線。

10kV：本期出線76 回（4 臺10 回，4 臺9 回），每兩臺主變采用單母線四分段環(huán)形接線，遠(yuǎn)景不變。

無功補償裝置：本期按每臺主變配置2×8Mvar 電容器補償考慮，全站配置16×8Mvar 電容器。同時，全站配置1×6Mvar 電抗器，接于#1 主變。

設(shè)計范圍：

按建設(shè)規(guī)模要求的220kV 配電裝置、電氣二次設(shè)備室和功能用房以及相應(yīng)的電氣控制、測量、信號、繼電保護(hù)、安全自動裝置；站用交直流電源、電纜敷設(shè)；站內(nèi)過電壓保護(hù)、全站接地照明；調(diào)度通信。與上述內(nèi)容對應(yīng)的土建部分：電氣二次設(shè)備室和功能用房、屋內(nèi)外配電裝置；站區(qū)上下水系統(tǒng)、采暖、通風(fēng)、消防、火災(zāi)報警、進(jìn)站道路。

3 變電站電氣存在的問題

3.1 電氣設(shè)備選擇

變電站的整體結(jié)構(gòu)由多個電氣設(shè)備組成?；谶@種情況，在選擇變壓器設(shè)備時，要注意短路電流計算等一些問題。不同類型的變壓器設(shè)備電流不同，控制計算也不同，需將關(guān)注重點引至設(shè)備的穩(wěn)定性和運行效率上來。如果功率計算的準(zhǔn)確性得不到保證，必然會造成設(shè)備無法正常運行，出現(xiàn)短路問題，甚至損壞設(shè)備的性能，在后期就會埋下嚴(yán)重的火災(zāi)隱患，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[2]。基于此，在電氣初步設(shè)計時，需要更加注意電氣設(shè)備的選擇和功率計算。

3.2 主接線設(shè)計

在現(xiàn)有變電站的設(shè)計中，必須嚴(yán)格遵循安全、可靠、穩(wěn)定的基本原則，才能發(fā)揮電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的良好性能。對于電力系統(tǒng)本身來說，線路繁雜的特點使得在設(shè)計過程中需要花費大量的資金。當(dāng)線路設(shè)計不符合要求時，不僅會對設(shè)備和電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生負(fù)面影響，還會給電力企業(yè)帶來巨大的損失。在這種背景下，在變電站電氣的初步設(shè)計中就有必要注意干線的設(shè)計，以減少或降低工作中設(shè)備發(fā)生故障的可能性。但從實際情況來看，電力系統(tǒng)維護(hù)的技術(shù)水平和能力都處于較低的狀態(tài)，因此有必要提高技術(shù)水平，促進(jìn)復(fù)雜線路維護(hù)的正常發(fā)展。

3.3 防雷設(shè)計存在的漏洞

變電站的防雷設(shè)計是電力系統(tǒng)中變電站運行的關(guān)鍵，在極端雷暴天氣，雷電會影響變電站的正常運行。當(dāng)變電站受到雷電影響，變電站不能正常作業(yè)，同時還會產(chǎn)生安全隱患。在這類情況下，偏遠(yuǎn)地區(qū)的變電站深受地理環(huán)境的影響，變電站的正常維修工作難以定期展開，這需要在建造變電站時，強化偏遠(yuǎn)地區(qū)的防雷設(shè)計，結(jié)合建設(shè)用地的實際情況，合理規(guī)劃防雷設(shè)計，制定出科學(xué)有效的防雷方案，防止變電站被雷擊而造成不良影響。在設(shè)備接地期間也要多加注意，防止受腐蝕干擾而影響到配電站正常運行。

4 變電站電氣設(shè)計優(yōu)化的相關(guān)策略

4.1 對核心變壓器和主接線進(jìn)行合理設(shè)計

在阿里江蘇云計算中心南通金屬園項目220kV 變電站的新建工程中，根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》（DL_T_1773-2017）8.5 節(jié)，直接向10kV配網(wǎng)供電的降壓變壓器，選用有載調(diào)壓型。根據(jù)本工程負(fù)荷情況，同時再結(jié)合業(yè)主要求，選擇8 臺80MVA主變，調(diào)壓方式為有載調(diào)壓，抽頭電壓為220±8×1.25%/10.5kV，接線組別為YNd11，短路阻抗按不小于19.5%選取。根據(jù)需求選擇的主變壓器為以下四種情況：（1）采用三相雙繞組有載調(diào)壓降壓變壓器；（2）變壓器冷卻方式推薦采用自然油循環(huán)制冷（ONAN）；（3）接線組別為YNd11；（4）每臺主變壓器配置1 套油中溶解氣體傳感器及測試接口。主變壓器具體情況見表1。

表1 主變選擇結(jié)果表

在阿里金屬園項目的核心變壓器的選擇中，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行綜合篩選，分析和探索核心變壓器的需求量、變壓器的形狀以及對變電站主接線方式和配電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，以確保設(shè)計合理的且規(guī)范的變壓器，以輸電能力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)觀察電力電氣系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，制定發(fā)展方案并確定輸出功率，將饋線電路插入分析領(lǐng)域，經(jīng)過詳細(xì)的比對后進(jìn)行規(guī)范選擇。

其次,阿里金屬園220kV 變電站本期建設(shè)880MVA主變，電壓等級220/10.5kV，按三相雙繞組有載調(diào)壓降壓變壓器設(shè)計，電壓抽頭為220±8×1.25%/10.5kV，各側(cè)線圈容量比為80/80MVA，接線組別為YNd11，阻抗Uk%=20%，遠(yuǎn)景不變。在本次變電站電氣主接線設(shè)計流程中，以總電進(jìn)線與引出線路為基本環(huán)節(jié)，以母線為中心環(huán)節(jié)所組成的電能輸配電線路。電氣主接線的選用對電源的安全性、操作的靈活性和方便性、經(jīng)濟(jì)效益、發(fā)展與改造的可行性等方面進(jìn)行綜合考察，加以多面比較后再確定方案，使變電所的基本工作要求得以實現(xiàn)。因為電氣主接線受自身的影響，各種各樣的設(shè)計缺陷都凸顯在復(fù)雜的主接線的設(shè)計形式中，如用地面積的擴大，以及出現(xiàn)的復(fù)雜和繁瑣的情況，影響了變電站的穩(wěn)定性。工作人員應(yīng)在變電站電氣主接線的設(shè)計環(huán)節(jié)，合理分析電氣主接線的設(shè)計連接方式，并從運行狀態(tài)、損耗規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)性等方面加大創(chuàng)新和有效改進(jìn)，以明確變電站的主接線。

最后，對于當(dāng)前變電站來講，它位于南通市開發(fā)區(qū)阿里江蘇云計算數(shù)據(jù)中心金屬園區(qū)內(nèi)，由于使用面積較少，工作人員需根據(jù)現(xiàn)場情況加以控制，每兩臺主變采用單母線四分段環(huán)形接線，遠(yuǎn)景不變。如果部分總線發(fā)生故障，斷路器將自動加以隔離，以確保其處于正確的操作模式，并且不會受到故障因素的影響。事實上，不同區(qū)段的母線故障概率極小，因此在不同的分析點連接電源，以此確保電源的穩(wěn)定性[3]。

4.2 制定較為完善的防雷設(shè)計方案

在南通金屬園項目中，根據(jù)規(guī)程GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)絕緣配合》要求，主變220kV、10kV 進(jìn)線各設(shè)一組避雷器，以保護(hù)主變壓器。220kV 出線設(shè)置線路避雷器。由于出線、主變出口等處均已加裝避雷器，故不考慮配電裝置主母線上的避雷器。防雷方案是每個配電站都會認(rèn)真制定的環(huán)節(jié)。其次，變電站的設(shè)備在受到雷電波的影響后形成電壓，需要通過相應(yīng)的驗算來得出最大電壓，以此套方案來避免變電站中的設(shè)備遭受不良因素的影響。

在南通金屬園項目中，中性點接地方式是220kV側(cè)接線采用經(jīng)隔離刀閘接地。10kV 根據(jù)業(yè)主意見本站考慮采用小電阻接地運行方式。根據(jù)業(yè)主提供資料，本站10kV 每回電纜最長按3km（雙拼折單）考慮，每臺主變最大單相接地電容電流約為120A（考慮分段閉合，單臺主變脫開情況）。根據(jù)廠家設(shè)備選型，小電阻電流選用400A/10s，接地電阻15Ω，接地變?nèi)萘窟x擇300kVA。小電阻接地裝置直接接于主變母線上。這類裝置可以有效限制間歇性電弧接地過電壓，降低系統(tǒng)運行過電壓，消除系統(tǒng)諧振過電壓，方便配置單相接地故障保護(hù)，短時間內(nèi)選擇性切斷接地故障線路，從而降低系統(tǒng)設(shè)備的絕緣水平，延長系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)運行的安全性和可靠性[4]。

在相關(guān)的防雷設(shè)計方式實施后，每個接地電阻的數(shù)值設(shè)置還需要進(jìn)行研究，先結(jié)合現(xiàn)場的實際現(xiàn)狀，再進(jìn)行降阻工作，使電氣系統(tǒng)設(shè)備能夠進(jìn)行正常作業(yè)，杜絕威脅人身安全的情況產(chǎn)生。此外，電氣設(shè)備的接地工作，需要明確加強，實現(xiàn)引雷作用，使設(shè)備的損壞率降為零。地線與接地體是接地和防雷裝置的兩大部分，地線主要由扁鋼與圓鋼組成；采用角鋼的材料進(jìn)行接地，這能對接地端部進(jìn)行切割，以達(dá)到防雷作用，還可將變電站的接地設(shè)備與外部導(dǎo)線進(jìn)行連接，然后根據(jù)中性點進(jìn)行放電處理，以保護(hù)接地設(shè)備，并與避雷針設(shè)備形成回波，使其與主接地網(wǎng)形成有效連接，達(dá)到防雷效果，保護(hù)供電系統(tǒng)的正常運行[5]。

5 結(jié)語

總之，隨著電能的廣泛使用，對電力系統(tǒng)的要求越來越高，電網(wǎng)建設(shè)的速度也在逐步加快，為人們提供高質(zhì)量的電力。變電站電氣設(shè)計在電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)中起著相當(dāng)重要的作用，有關(guān)單位需要加強變電站電氣設(shè)計，采用更先進(jìn)的技術(shù)，確保電站周圍的用電需求。變電站的運行情況決定了后續(xù)工程建設(shè)和運行的實施情況。同時，通過引進(jìn)高新技術(shù)設(shè)備，運用創(chuàng)新型技術(shù)手段，可以進(jìn)一步優(yōu)化電氣設(shè)計，以滿足變電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的供電需求。相關(guān)工作人員必須根據(jù)現(xiàn)狀加大創(chuàng)新力度，遵循基本原則，重點完善各方面工作，設(shè)計相應(yīng)的措施，確保變電站電氣建設(shè)的穩(wěn)定發(fā)展。