變電站20 kV接線方式的最優選擇

梁振升

(廣州電力設計院，廣州市，510610)

0 引言

簡化電壓層級、提升中壓配電電壓是突破電網發展瓶頸的有效方式。根據廣州中新知識城高負荷密度地區供電的特點，中壓配電網絡采用20 kV電壓等級。區域內變電站采用110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV 電壓層級供電［1］。

目前，廣州地區中壓配電網電壓等級均采用10 kV，暫無20 kV電壓等級的運行及設計經驗，有必要對20 kV電壓等級的相關技術作進一步的研究。本文以110/20 kV和220/20 kV變電站的20 kV接線方式作為研究對象，提出20 kV側的最優接線方式，為合理選擇工程接線提供依據。

1 變電站20 kV接線方式

單母線分段是變電站35 kV以下配電裝置常用的接線方式，110/20 kV和220/20 kV變電站20 kV側可考慮采用單母線分段接線的方式［2］。

對于20 kV側，開關設備的結構和可靠性與10 kV的類似，其接線方式可參考10 kV的接線方式配置。110 kV及以上變電站通常配置3～4臺主變壓器［2-3］，以達到最佳經濟運行，相應地站內20 kV側一般采用單母線分段、單母線分段環形接線等接線方式。

(1)方式Ⅰ:單母線三分段接線，適用于3臺變壓器，其原理如圖1所示。

圖1 單母線三分段接線Fig.1 Single bus with triple section

(2)方式Ⅱ:單母線四分段接線，適用于3～4臺變壓器的變電站，用于3臺變壓器時，中間的變壓器聯接2段母線，其原理如圖2所示。

圖2 單母線四分段接線Fig.2 Single bus with fourfold section

(3)方式Ⅲ:單母線六分段環形接線，適用于3臺變壓器的變電站，每臺變壓器都聯接2段母線，其原理如圖3所示。

圖3 單母線六分段環形接線Fig.3 Single bus with sextuple sections in circle

圖4 雙母線三分段接線Fig.4 Double bus with triple section

2 20 kV接線方式的最優選擇

2.1 可靠性

目前，變電站低壓側母線均裝設備自投功能裝置，當1臺主變故障停運時，全站負荷平均分配至正常運行母線上。根據GB 50613—2010《城市配電網規劃設計規范》［4］，高壓配電網中任一元件(母線除外)故障或檢修停運時應不影響電網的正常供電。考慮主變壓器N-1故障運行，定性分析20 kV側幾種接線方式。

接線方式Ⅰ受主變過載能力限制，必須損失故障段母線上的大部分負荷，可靠性最低。接線方式Ⅱ可通過倒閘操作轉移負荷以降低負荷損失，使對主變過載能力要求降低，但倒閘過程中需要短時停運正常段母線，可靠性一般。接線方式Ⅲ、Ⅳ，故障段母線可直接接入正常段母線，不需要短時停電倒閘;雖然其過載能力與接線方式Ⅱ相當，由于減少停電時間，可靠性最高。

目前，對變電站主接線的定量分析方法已比較成熟，常用的有頻率和持續時間法［5］、狀態空間法和最小割集法等［6］。然而，由于可靠性分析原始數據的不確定性，可靠性指標也僅作為參考的依據。當然，可通過關鍵靈敏度分析［7］，確定變電站內各元件對系統可靠性影響最大的設備，以做出有針對性的計劃安排。

2.2 超穩定極限運行能力

超穩定極限運行能力主要限制變壓器在額定負荷下運行，避免主變長期過負荷(超穩定極限)運行而造成電網可靠性降低和設備壽命降低。

110 kV主變壓器即時負荷系數不超過1.40時，應在1 h內執行轉負荷，限制該主變在額定負荷以下運行;220 kV主變壓器即時過負荷系數未超過1.15時，在1 h內采取有關轉負荷措施［8］。

對應110/20 kV、容量為80或100 MVA的主變壓器和220/20 kV、容量為100、120或150 MVA的主變壓器，各種接線方式對主變壓器即時過負荷能力的滿足情況如表1所示。

2.3 主變壓器的過載裕度

1臺主變故障時，正常運行主變應保證全站70%的負荷正常運行。當1臺主變故障時，要求負荷轉移到其他主變上［9］。

采用接線方式Ⅰ時，每臺變壓器下僅裝設1臺變低開關，任一臺主變停電時，若要求不損失全站負荷，必須要求將停運主變的負荷完全轉移至其他主變供電，負荷要求增加100%，這使得主變嚴重過載運行。由于開關設備不具備過載能力，根據表1的計算數據，主變過載率最大僅約10%(110 kV變電站)，裕度較小。

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采用接線方式Ⅱ時，由于中間1臺主變低壓側裝設了雙變低開關，增加了主變過載裕度，但也僅局限于對中間1臺主變的考驗。

采用接線方式Ⅲ和Ⅳ時，每臺變壓器均裝設雙變低開關。當變壓器額定負載運行時，每臺變壓器20 kV側開關設備的正常負載電流只有僅裝設1臺變低開關時的1/2。根據表1的計算數據，這2種接線方式的主變過載率達50%。雖然開關設備不具備過載能力，但其不會成為限制主變過載的瓶頸，過載裕度較大。變壓器的安全運行率、儲備系數和容量裕度［10］都比前2種接線方式要高。

2.4 擴建和調度靈活性

從變電站規模擴建角度考慮。根據表1的統計顯示，后2種接線方式能根據負荷的發展情況增加主變壓器額定容量，而低壓側開關設備不需要作更換調整，節省前期投資;前2種方式僅能通過新建變電站來滿足負荷增長的需求。采用接線方式Ⅲ或接線方式Ⅳ，擴建的靈活性將大大提高。

從調度靈活性考慮。接線方式Ⅲ在任一臺主變故障停運時，負荷均可轉移至其余2臺主變上。接線方式Ⅳ可采用多種運行接入方式，通過短時切換和負荷轉移，每臺主變各帶3段母線，即全帶1條母線或各帶每條母線中部分母線，根據每段母線的負荷情況作選擇，靈活性最高。例如，1號主變故障停運，2號、3號主變可分別帶I母和II母，或分別帶Ia、Ib、IIa和IIb、IIIa、IIIb。接線方式Ⅰ和Ⅱ都僅有一種故障運行方式，靈活性較低。

2.5 經濟性

參考國內某優質20 kV中置式開關柜設備生產廠家提供的設備購置費，20 kV、3 150 A進線斷路器柜、母聯分段柜和母聯隔離柜的購置費，以及各種接線方式的設備配置數量如表2所示。

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由表2可知:方式Ⅰ的投資是方式Ⅳ的50%，投資最少。然而，如前所述，其可靠性或靈活性等指標是最低的。

方式Ⅱ的投資比方式Ⅰ增加了約15%。在同等的條件下，應優先選擇方式Ⅱ，因為該方式投資增加相比整個項目投資是微不足道的，而可靠性比方式Ⅰ顯著增加。

方式Ⅱ的投資雖然是方式Ⅲ的66.7%，但其可靠性和靈活性都較后者要低。

方式Ⅲ和方式Ⅳ的可靠性和靈活性相當，前者投資可節省約10%，推薦采用前者。

綜合以上分析，由于該部分的設備購置費用對整個項目的投資增加影響不大，從可靠性、靈活性和經濟性三方面考慮，方式Ⅲ最優。

當然，隨著設備制造水平的提高，變低開關的額定電流將達4 kA。此時，前2種方式超穩定極限運行能力和主變過載裕度都將提高，但其可靠性及靈活性仍相對較低。若從節省投資角度考慮或不考慮遠期擴建，這2種方式仍是可選擇的。

3 結語

變電站電氣主接線是電力系統的重要組成部分，是發電、輸電和配電系統的重要發電能量傳輸點，其能否正常運行關系著電力系統的安全、穩定、靈活和經濟運行。單母線分段環形接線為20 kV側的最優接線方案，該接線方案也可推廣至6～35 kV配電裝置中。

［1］廣州電力設計院，華南理工大學.中新知識城電壓層級優化研究［R］.廣州:廣州供電局，2010.

［2］戈東方.電力工程設計手冊電氣一次部分［M］.北京:中國電力出版社，1999:45-50.

［3］曾增功.變電所主變壓器規劃臺數的選擇［J］.電力建設，1998，20(4):34-36.

［4］GB 50613—2010城市配電網規劃設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［5］張勁松，任震，何建軍.基于FD法的變電站主接線可靠性評估［J］.廣東電力，2000，13(2):1-5.

［6］聶杰良.變電站電氣主接線可靠性與經濟性評估［D］.河北:華北電力大學，2008.

［7］任震，梁振升，黃雯瑩.交直流混合輸電系統可靠性指標的靈敏度分析［J］.電力系統自動化，2004，28(14):33-36.

［8］廣州供電局.關于防止主網設備超穩定極限運行的通知［Z］.廣州:廣州供電局，2010.

［9］DL/T 5429—2009電力系統設計技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2009.

［10］趙俊光，王主丁.電網規劃中對變電容載比的探討［J］.電力建設，2008，29(6):12-12.