某石化企業總降壓站35kV系統改造的設計與主接線分析

沈樂 南京揚子石油化工設計工程有限責任公司 南京 210048

某石化企業總降壓站35kV系統改造的設計與主接線分析

沈樂*南京揚子石油化工設計工程有限責任公司 南京 210048

闡述某石化企業區域總降壓站35 kV系統的改造方案，通過計算給出主要元件的可靠參數，分析總降壓站主接線方式，為系統的安全優化設計提供理論依據。

開關柜改造設計分析主接線方式

某石化企業區域總降壓站始建于1986年，為間隔裝配式變電站，負責向該石化企業凈水污水處理等裝置供電。近幾年由于設備老化，隔離開關、電壓互感器等設備元器件多次發生故障，嚴重影響正常生產。因此必須對該總降壓站35kV系統進行改造。為凈水污水處理裝置提供安全供電，以保障公司各工藝裝置的正常運行。

1 改造背景

該總降壓站承擔著向凈水污水處理裝置及液體罐區、固體碼頭、己烷切割裝置等區域的供電任務，其安全運行直接影響到該石化企業環保、貯運、物流和化工裝置的正常生產。該總降壓站原有35kV電氣設備為20世紀70年代產品，由于設備老化，防護等級低，故障率增加;因備品、備件難以購置，維修難度大，存在諸多隱患:①室內及室外裸露母線安裝，易造成絕緣子污穢爬電;②高壓隔離開關陳舊，操作不靈活，輔助接點不足，無法滿足“五防”要求;③所有互感器絕緣特性降低，部分互感器試驗數據超標等。設備現狀已無法滿足安全運行要求，急需進行改造。

2 設計思路

對原有35kV開關柜設備的更新改造，應采用新設備新技術，有效地保證供電安全性、可靠性和連續性，盡可能減少電氣設備日常維護工作量。

2.1 設計原則

(1)采用具有“五防”功能、性能優良的高壓開關柜，以保證裝置的安全性能。

(2)簡化系統接線，采用線路變壓器組式接線方式，節省設備投資。

(3)根據實際情況，盡量利用已有的公用工程設施如電纜溝、電纜夾層等，節省投資。

2.2 設計范圍

(1)將原有前、后母線結構及固定分散安裝的35kV配電裝置改造為SF6氣體絕緣全封閉組合電器(C－GIS柜)。

(2)將兩臺主變壓器35kV側電纜、母排、戶外支持絕緣子進行更換。

(3)更換35kV系統控制電纜。

(4)將斷路器及隔離刀閘輔助接點引入監控后臺，并對監控系統進行相應修改和調整，實現全廠電力的統一調度。

3 設備參數選擇及校驗

3.1 短路電流計算

根據《電力系統運行方式安排(2008年)》，該總降壓站母線處阻抗的標幺值(由系統提供):

系統在最大運行方式時:

系統在最小運行方式時:

基準值取［2］:

基準電流:

正常接線時，當35kV母線處發生短路(見圖1)，則總降壓站35kV母線處最大和最小短路電流為:

式中，Sj為基準容量，VA;Uj為基準電壓，V;Ij

為基準電流，A;Ik為穩態短路電流有效值，A。

圖1 總降壓站等值阻抗圖

三相短路峰值電流:

全電流［2］:

后備延時保護時間t取1.5s，取斷路器的分閘時間為0.1s，熱穩定計算時間:

短路電流的熱效應:

3.2 電氣元件的參數選擇及動、熱穩定校驗

電氣設備在短路時的動穩定性指其所具有的耐受短路電動力作用而不致損壞的能力。短路之初的沖擊電流流過時，電動力可達很大數值，當電器或載流導體的機械強度不夠時，將產生變形或損壞。

滿足熱穩定條件:當短路電流通過電氣設備時，導體和電器各部件溫度(或發熱效應)應不超過允許值，電氣設備不會因過熱而損壞。

開關柜選擇為西門子8DA10型35kV C－GIS組合配電裝置，主要電氣技術參數如下:

額定電壓Ue:35 kV

額定電流Ie:1250 A

額定頻率fe:50 Hz

極限電流峰值idf:80 kA

額定開斷電流Idf:31.5 kA

熱穩定電流It:31.5 kA

熱穩定時間t:3 s

熱穩定校驗:

動穩定校驗:

式中，ich為三相短路峰值(沖擊)電流，A;Ich為三相短路有效值電流，A。

從以上的計算及校驗中可知，更新改造中所選用開關柜可滿足系統在最大運行方式短路條件下動穩定和熱穩定的要求，為35kV開關柜改造提供計算上的安全參數，從而保證35kV配電設備的安全可靠運行。

4 電氣主接線的思考與建議

電氣主接線主要是指在發電廠、變電所、電力系統中，為滿足預定的功率傳輸要求而設計的，表明高壓電氣設備之間相互連接關系的傳輸電能的電路。電路中的高壓電氣設備包括發電機、變壓器、母線、斷路器、隔離開關、線路等。它們的連接方式對供電可靠性、運行靈活性及經濟合理性等起著決定性作用。35kV(或110kV)變電所從企業供電系統取得兩回35kV(或110kV)線路，在所內需設置35kV(或110kV)配電裝置，當出線為2回路時，一般采用橋形接線，當進出線不超過6回路時，一般采用單母線分段接線;若有(單臺)大電機直接接入可采用雙母線接線。企業內供配電系統主接線，應滿足從上到下均分列運行的要求。通常應采用雙電源—雙變壓器—單母線分段的全分列運行方式，每回電源線路、每臺分列運行變壓器、每段母線，均應能帶全部一、二級用電負荷。

4.1 電氣主接線要求

電氣主接線應滿足以下要求［1］:

(1)運行的可靠性:主接線系統應保證對用戶供電的可靠性，特別是保證對重要負荷的供電。根據規范要求:通常每臺變壓器的負荷率為60%～70%，當一臺主變退出運行，另一臺主變可帶全部一、二級負荷。若每臺變壓器為100%備用，則過于浪費，通常不采用。

(2)應能保證運行操作人員和維修人員的人身安全，便于進行維護、檢修和試驗工作。

(3)根據企業的近期和長遠規劃，適當留有增容擴建的發展余地，屆時不需要對原有運行設備進行大的改動。

(4)設備的一次投資和年運行費用最低(在石化企業中相對于工藝專業而言，電氣專業的運行費用很低)。

(5)運行的靈活性:主接線系統應適應各種工作情況，特別是當一部分設備檢修或工作情況發生變化時，能夠通過倒換開關的運行方式，做到調度靈活，不中斷向用戶的供電。

(6)主接線系統還應保證運行操作的方便，在保證滿足技術條件的要求下做到經濟合理，盡量減少占地面積和投資。

(7)接線力求簡單，運行方式靈活，倒閘操作方便。

(8)在確保供電可靠性的前提下，變電所主接線設計應有利于規范化，簡單化、自動化及無人化。變電所主接線方式應根據負荷性質，變壓器負載率、電氣設備特點及電網強弱等因素確定。

4.2 常用主接線形式

常用的主接線形式可分為有母線和無母線兩大類。

(1)有母線的主接線有:單母線、雙母線、分段的單、雙母線及附加旁路母線的單、雙母線等。

母線是整個主接線的中心環節，起著匯集和分配電能的作用，其地位極為重要。因此，主接線的形式常常按照母線接線的形式來劃分。一般具有四回以上進出線就可以設置母線。

具有母線的主接線優點:進出線回路數可以增加，容易擴建。

缺點:擴大配電裝置的結構并增加故障機會。重要的是即使母線故障的機會很少，但是一旦發生，將會影響母線上的所有設備，造成全部停電的事故。

(2)無母線的主接線有:線路變壓器組接線、橋式接線、多角形接線等。

這種接線的共同特點:接線簡單，清晰明顯，運行和操作方便，但進、出線回路數受到限制。

下面針對本項目對幾種常用的主接線進行介紹。

4.2.1 線路變壓器組接線

線路變壓器組接線是線路和變壓器直接相連，是一種簡單的接線方式(見圖2)，俗稱為“二進二出”，其優點是斷路器少、接線簡單、造價省，對限制短路電流效果顯著。高壓配電裝置只配置2個設備單元，接線簡單清晰，占地面積小，送電線路故障時由送電端變電所出線斷路器跳閘。由于系統接線簡單、運行可靠、經濟，有利于變電所實現自動化、無人化。如主變容量滿足低負載率標準(2臺主變負載率取0.5～0.65)，系統發生故障時，恢復供電操作十分方便。當1臺主變或一條線路故障退出運行，只需在變電所低壓側作轉移負荷操作，就能保證100%負荷正常用電，對下級變配電所無影響。

圖2 線路變壓器組式接線

4.2.2 橋式接線

橋式接線實質上是單母線分段的一種變形。這種接線中當任一臺變壓器或線路發生故障或檢修時，可使與其縱向相連的另一元件不停止或只暫時停止工作。這種接線方式可分為內橋式和外橋式，區別在于作為橫向聯系的橋斷路器接在線路側則為外橋式，接在靠近變壓器側為內橋式。內橋接線是總降壓站很常見的主接線方式(見圖3)，有4個回路3臺斷路器和6個隔離開關，接線中斷路器較少，是投資較省的接線方式，線路故障操作簡單、方便、系統接線清晰。在正常運行方式下，橋斷路器打開，類似于線路變壓器組接線，2條進線線路各帶一臺主變，因內橋接線線路側裝有斷路器，線路的投入和切除十分方便，當送電線路發生故障時，只需斷開故障線路的斷路器，不影響其它回路正常運行。

圖3 線路變壓器組式接線(加強型)

優點:電器設備少，裝置簡單，投資少，具有一定的可靠性及靈活性，便于擴建。

缺點:檢修斷路器時，線路或變壓器要停電。

4.2.3關于雙母線和旁路母線

(1)線路較多時采用雙母線，其特點是:①便于系統中功率的分配;②母線事故后停電范圍小，恢復供電快;③便于對母線及母線設備進行檢修或試驗。

(2)設置旁路設施(母線、開關、刀閘)的目的是為了減少斷路器檢修時對用戶供電的影響。

如果是雙回路供電，或者負荷可以由系統取得備用電源，允許停電檢修斷路器時，則不必設置旁路設施。

6～10 kV雖然出線回路數較多，斷路器停電檢修量較大，但如采用手車式開關柜，斷路器故障或檢修時可以用備用的斷路器迅速置換，停電時間很短，所以一般不設旁路設施。

石化企業絕大多數負荷為一、二級重要負荷，一般采用雙回路供電且普遍采用手車式開關柜，故很少設置旁路設施，雙母線接線復雜，采用設備多，不僅使配電裝置結構復雜，而且增大投資。在電力系統、發電廠使用較多，石化企業變配電所則較少采用。

4.3 本項目主接線分析

嚴格意義上的線路變壓器組式接線方式是將上一級來的35kV電纜直接接入用戶側的35/6kV主變高壓側，見圖2。本項目所使用的線路變壓器組式接線方式是加強型的線路變壓器組式接線，在用戶側設置了35kV配電裝置，見圖3，提高了總降壓站供電的安全可靠性，增強了系統的穩定性，優化了供電結構，較內橋式接線方式節約設備投資1/5～1/3(可節省1～2臺開關柜)，如果考慮到因增加設備而相應增加的繼電保護裝置、土建安裝等二次費用，投資更節省。

本總降上一級是一個110/35/6kV的自備熱電廠，由于供電線路較長，熱電廠35kV出線斷路器設置了L90光纖線路縱聯差動保護裝置，動作于斷開線路兩側的斷路器。由于本項目是改造項目，并未對上一級配電裝置(熱電廠35kV出線)和保護進行改造，為了兼顧運行習慣和熟悉的繼電保護裝置，本總降主變主保護采用了主變縱差保護和瓦斯保護，主變高后備保護采用了過電流和過負荷保護，用于斷開主變兩側的斷路器，當主變壓器發生故障時，只需要跳本總降高壓側斷路器以切除故障，不必跳開上一級斷路器，從而使值班員能夠迅速判斷故障是發生在進線還是在主變。

電氣裝置一旦發生故障，所造成的損失遠比電氣裝置本身的價值要高得多，尤其在石化企業，對供電的安全性、可靠性、連續性要求很嚴格。本項目主接線方式采用性價比較高的35kV C－GIS組合配電裝置，消除了35kV配電裝置長期以來存在的隱患，滿足了裝置長周期穩定運行。

內橋式接線方式見圖4。

圖4 內橋式接線

從圖2與圖4相比可以看出，線路－GIS－變壓器組接線方式節省1臺橋斷路器柜，線路最簡單，設備及占地均最少。在運行方面，雖然35kV側無法實現自動投入，但可以采用6kV備用電源自投裝置彌補線路變壓器組接線方式存在的缺陷。根據《中國石化電力系統主網結構技術管理規定》(中國石化生〔2011〕155號)的規定，區域變電站的主接線一般采用電纜線路－變壓器組接線方式。因此，線路變壓器組接線方式被廣泛采用。

5 結語

該總降壓站35kV系統一次送電成功，徹底解決了長期存在的電氣隱患，淘汰了性能低劣的電氣設備，更新改造了繼電保護裝置和監控裝置等二次設備，提高了電力系統整體的安全性、穩定性、可靠性及自動化水平，為裝置的安穩長運行，提供了可靠保障。

1 中國航空工業規劃設計研究院．工業與民用配電設計手冊(第三版)［S］．北京:中國電力出版社，2005．

2 SH 3038－94，石油化工企業生產裝置電力設計技術規范［S］．

(Translated by Lu Lang)

Design and Main Wiring Analysis for 35kV System Modification of Main Step-down Substation of a Petrochemical Enterprise

Shen Le
(Nanjing Yangzi Petrochemical Design Engineering Company，Nanjing 210048)

Elaborate the modification scheme for the 35kV system of areal main step-downsubstationofapetrochemicalenterprise，thereliable parameters for the main elements are given based on calculation，analyze the main wiring mode of the main step-down substation and provide the theoretical basis for the safe and optimum design of the system．

35kV Switchboardmodificationdesignanalysis main wiring mode

*沈樂:工程師。2002年畢業于南京理工大學機電工程專業。從事電氣設計工作。聯系電話:(025)57785888－3348。

(修改回稿2011－12－19)