10kV變電所設計

繆波波 徐雅蘭 四川七化建化工工程有限公司 成都 610100

10kV變電所在化工項目配電中最具典型，因而，在化工配電設計工作中，10kV變電所設計是最基本，也是最重要工作之一。

本文以近期完成的幾個具有代表性項目的10kV變電所電氣設計為例，結合化工項目配電設計的經(jīng)驗，就10kV變電所設計的相關內(nèi)容、步驟和方法進行全面的介紹，以期對新從事化工配電設計的同行提供有益的參考或借鑒。

1 供電方案制定及負荷計算

1.1 原始資料及電源進線方式確定

此階段需要的原始資料:①供電區(qū)域的總平面圖;②供電區(qū)域逐年及最終規(guī)模的最大負荷、年耗電量、功率因數(shù)值及項目投產(chǎn)日期;③ 每回出線的名稱、負荷值、各負荷的性質(zhì)及對供電可靠性或其它方面的特殊要求;④供電部門對電源電壓、供電方式、電源路數(shù)及繼電保護、自動裝置等方面的相關意見;⑤用戶對變電所設置方面的數(shù)量、容量、位置等的設想及資金準備情況等。

以云南某項目為例，工藝提出的負荷等級為二級;對于二級負荷，一般需要2個獨立的電源供電。經(jīng)與業(yè)主商定，電源來自廠區(qū)原有的110kV變電所，由該變電所10kV母線I，II段分別引出兩路電源至新建10kV變電所。

1.2 變電所位置的確定

變電所位置應避開大氣污穢、鹽霧、與鄰近設施有相互影響的地區(qū) (如軍事設施、通信電臺、飛機場等)，滑坡、明暗河塘等。靠近負荷中心出線條件好，交通運輸方便。最后兩條作為重要依據(jù)，并同業(yè)主和總圖專業(yè)確定變電所位置。

1.3 負荷計算

1.3.1 負荷計算的目的和方法

計算負荷是確定供電系統(tǒng)、選擇變壓器容量、電氣設備、導線截面和儀表量程的依據(jù)，也是整定繼電器保護的重要數(shù)據(jù)。計算負荷確定得是否合理，直接影響到電器和導線選擇是否合理。如計算負荷確定過大，將使電器和導線截面選擇過大，造成投資和有色金屬的浪費;如果計算負荷過小，又將使電器和導線運行時增加電能消耗，并產(chǎn)生過熱，引起絕緣層過早老化，甚至燒毀，以致發(fā)生事故。為此，正確進行負荷計算是供配電設計的前提，也是實現(xiàn)供電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的必要手段。負荷計算常用需要系數(shù)法。

需要系數(shù)法與用電設備的類別和工作狀態(tài)有極大的關系，因此計算時要正確判明用電設備的類別和工作狀態(tài)，否則將造成錯誤。需要系數(shù)法，用設備功率乘以需要系數(shù)和同時系數(shù) (一般取0.8)，直接求出計算負荷。這種方法比較簡單，應用廣泛，尤其適用于配、變電所的負荷計算。

1.3.2 無功補償

根據(jù)國家供用電規(guī)則規(guī)定:無功電力應就地平衡，用戶應在提高用電自然功率的基礎上設計和裝置無功補償設備，并做到隨其負荷和電壓變動及時投入或切除，防止無功倒送，目前廣泛采用并聯(lián)電容器作為無功補償裝置。

電容器具備一定的抗諧波能力，但諧波含量過大時會對電容器的壽命產(chǎn)生影響，甚至造成電容器的過早損壞;電容器對諧波有放大作用，使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴重，動態(tài)無功補償?shù)目刂迫菀资苤C波干擾的影響造成控制失靈，因而在有較大諧波干擾的地方補償無功，還應考慮添加濾波裝置。另外，無功倒送會增加線路及變壓器的損耗，加重線路的負擔，這是電力系統(tǒng)所不允許的。

2 短路電流計算及設備選擇

2.1 短路電流產(chǎn)生的原因、危害和計算方法

造成短路的主要原因是電氣設備載流部分的絕緣損壞、誤動作、雷擊或過電壓擊穿等。短路電流數(shù)值通常是正常工作電流值的十幾倍或幾十倍。當它通過電氣設備時，設備的載流部分易變形或損壞，選用設備時要考慮它們對短路電流的穩(wěn)定。短路電流在線路上產(chǎn)生很大的壓降，離短路點越近的母線，電壓下降越厲害，從而影響與母線連接的電動機或其它設備的正常運行。

短路電流高壓部分一般采用標幺值法計算，關于此方法，有很多文章和設計手冊做專門的介紹，這里不做贅述。低壓部分，特別是低壓母線的短路電流，一般根據(jù)設計手冊查表或是直接由變壓器容量和短路阻抗值進行估算，計算公式:

式中，Ik為短路電流;Sn為變壓器額定容量;Un為額定電壓;Uk為變壓器短路阻抗。

由此計算值來選擇低壓斷路器的短路分斷能力。

2.2 主要設備選擇及校驗

在電氣設備選擇時，應根據(jù)實際情況，在保證安全、可靠的前提下積極而穩(wěn)妥地采用新技術，盡量節(jié)約投資。

2.2.1 主變壓器

在10kV變電所中，要選用性能優(yōu)越、節(jié)能低損耗和環(huán)保型的變壓器。變壓器的臺數(shù)及容量要根據(jù)負荷計算和負荷分級的結果并結合經(jīng)濟運行進行選擇。當有大量的一、二級負荷，或季節(jié)負荷變化較大，或集中負荷較大時，宜裝設兩臺及以上的變壓器。其中任何一臺變壓器斷開時，其余變壓器應滿足一級負荷及大部分二級負荷的用電需要。為了使變壓器容量在三相不平衡負荷下得以充分利用并有利于抑制3n次諧波影響，宜選用的變壓器接線組別為Dyn11。Dyn11接線的變壓器低壓側單相接地短路時的短路電流大，也有利于低壓側單相接地故障的切除。

設在高層建筑內(nèi)主變采用干式變的變電所，應選用密閉型或防腐型變壓器。為了不降低配電運行的電壓，10kV變電所的主變分接頭宜放在10.5kV上，分接范圍油浸變?yōu)椤?×2.5% ，干式變?yōu)椤?×2.5%。

內(nèi)蒙某LNG項目和山西某LNG項目，就選用的是SCB-10型干變;云南某項目多為二級負荷，其低壓負荷計算值約為1800kVA，因此選擇了2臺S-13M-10/0.4-2000kVA的變壓器。當一臺故障時，另一臺能承擔全部的用電負荷。

2.2.2 開關柜

容量為500kVA及以上的變壓器一般均配有10kV開關柜。目前10kV開關柜的主流產(chǎn)品分為SF6氣體絕緣和真空絕緣。SF6氣體絕緣的開關柜體積小，一般20年內(nèi)免維護，但價格高，其氣體的泄漏還會造成環(huán)境污染;真空絕緣的開關柜體積適中，相對同等檔次的SF6氣體絕緣的開關柜來說價格略低，使用過程中不會造成環(huán)境污染，但每二年就需做一次試驗，增大了運行維護的工作量。因此開關柜的選擇要根據(jù)實際情況而定。

2.2.3 電纜

(1)根據(jù)用途、敷設方式和使用條件來選擇電力電纜。YJV型交聯(lián)聚乙烯電纜和VV型聚氯乙烯電纜是普遍選用的電纜。YJV型電纜與VV型電纜相比，YJV型電纜雖然價格略高但具有外徑小、重量輕、載流量大、壽命長的特點，因此，工程設計中應盡量選用YJV型電纜。

(2)電纜的額定電壓UN≥所在電網(wǎng)的額定電壓。

(3)按長期發(fā)熱允許電流選擇電纜的截面。但當電纜的最大負荷利用小時數(shù)Tmax＞5000h，且長度超過20m時，則應按經(jīng)濟電流密度來選擇。

(4)允許電壓降的校驗。對供電距離較遠、容量較大的電纜線路，應滿足:

式中，Un、L分別為線路工作電壓 (線電壓)和長度;cos￠為功率因數(shù);r、x分別為電纜單位長度的電阻和電抗。

(5)熱穩(wěn)定的校驗應滿足電纜截面應滿足:

式中，Qd為短路電流的熱效應;C為熱穩(wěn)定系數(shù)。

3 電氣主接線

變電所的主接線對變電所內(nèi)電氣設備的選擇、配電裝置的布置及運行的可靠性與經(jīng)濟性等都有密切的關系，也是設計中的重要環(huán)節(jié)。主接線的形式多種多樣，在10kV變電所的設計中常用的有單母接線、單母分段接線、線路—變壓器組接線、橋式接線等。根據(jù)負荷用電要求選擇出最合理的方案。

技術指標包括:① 供電的可靠性與靈活性;②供電電能質(zhì)量;③ 運行管理、維護檢修條件;④交通運輸及施工條件;⑤分期建設的可能性與靈活性;⑥可發(fā)展性。經(jīng)濟指標包括:① 基建投資費用;②年運行費。

4 繼電保護配置

當變壓器發(fā)生故障時，保護的配置一般有兩種途徑:當選用斷路器或開關來開斷短路電流時，則配以各類的微機保護。如一次設備選用的是負荷開關，則選用熔斷器來保護。兩者比較如下:①斷路器或開關具備所有的保護功能與操作功能，價格較昂貴。負荷開關只能分合額定負荷電流，不能開斷短路電流，需配合高遮斷容量后備式限流熔斷器作為保護元件來開斷短路電流，價格較便宜;②在切空載變壓器時，斷路器或開關會產(chǎn)生截流過電壓，負荷開關則沒有此種現(xiàn)象;③斷路器或開關的全開斷時間為繼保動作時間、自身動作時間、熄弧時間之和，一般會大于油浸變發(fā)生短路故障時要求切除的時間。限流熔斷器具有速斷功能，但必須防止熔斷器單相熔斷時設備的非全相運行，應在熔斷器撞擊器的作用下讓負荷開關脫扣，完成三相電路的開斷;④由于高遮斷容量后備式限流熔斷器的保護范圍在最小熔斷電流到最大開斷容量之間，且限流熔斷器的時間特性曲線為反時限曲線，短路發(fā)生后，可在短時內(nèi)熔斷來切除故障，所以可對其后所接設備如CT、電纜等提供保護。使用斷路器或開關則要提高其它設備的熱穩(wěn)定要求。但就限制線性諧振過電壓方面來說，在變壓器的高壓側應避免使用熔斷器。

設計中，對變壓器的保護，采用第一種方式較多，即選用斷路器來開斷短路電流，配以微機保護。當配電室遠離中央變電所時，也會在配電室的干變前加負荷開關熔斷器組來保護，但中央變電所仍有斷路器配以微機保護。

當有大量高壓電動機負荷時，除變壓器的保護外，還有其他的繼電保護配置。以山西某LNG項目為例，繼電保護和自動裝置設置原則如下:

(1)10kV系統(tǒng)繼電保護采用微機綜合保護系統(tǒng)及分層分布式綜合自動化裝置。按功能分為變電所層和間隔層，變電所層負責全所數(shù)據(jù)處理和管理，間隔層按一次設備分別配置，負責對相應開關的保護、遙測、遙信、遙控功能。各微機監(jiān)控保護裝置分散安裝于各臺高壓柜上。各種線路保護及自動裝置設置有:① 進線保護設置時限速斷及方向過流保護，失壓保護;② 母聯(lián)保護設置電流速斷保護 (合閘后自動解除)，過電流保護，母聯(lián)備自投;③變壓器保護設置電流速斷及過電流保護，過負荷保護，溫度保護;④10kV異步電動機保護設置電流速斷保護 (≥2000kW裝設縱聯(lián)差動保護)，過負荷保護，單相接地保護，低電壓保護;⑤10kV同步電動機保護設置電流速斷保護(≥2000kW裝設縱聯(lián)差動保護)，過負荷保護，失步保護，單相接地保護，低電壓保護。

(2)低壓母聯(lián)備自投采用母聯(lián)控制器實現(xiàn)。

(3)380V低壓電氣設備保護及控制也采用微機綜合自動化系統(tǒng)，所有電機采用智能型電動機保護器，其運行參數(shù)可遠傳至上位機顯示。所有大于100A配電回路采用數(shù)顯電測表，進線柜采用多功能綜合電力監(jiān)控表。以上智能表均配置通訊接口，所有參數(shù)引入低壓綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)進行顯示和電量統(tǒng)計。

(4)10kV高壓開關柜真空斷路器采用直流儲能型彈簧操作機構;高壓開關柜操作、保護和信號電源采用直流電源DC220V，由一套100AH直流電源裝置供電。

5 平面布置

變電所布置應遵循以下原則:

(1)布置緊湊合理，便于設備的操作、搬運、檢修、試驗和巡視，還要考慮發(fā)展的可能性。

(2)適當安排建筑物內(nèi)各房間的相對位置，使配電室的位置便于進出線。低壓配電室應靠近變壓器室，電容器宜與變壓器室及相應電壓等級的配電室相毗連，控制室、值班室和輔助房間的位置應便于運行人員工作和管理等。

(3)盡量利用自然采光和自然通風，變壓器室和電容器室盡量避免西曬，控制室盡可能朝南。

6 土建任務書

10kV變電所的土建任務書包括:變電所平剖面布置及建筑物凈高要求、變壓器基礎、高低壓柜基礎、電纜溝條件、建筑墻上開孔等內(nèi)容。

6.1 布置及建筑物

電氣專業(yè)將變電所的平面布置圖完成后，與總圖及建筑專業(yè)共商可行后，發(fā)與建筑專業(yè)。確定門的設置位置、高度、寬度和凈高。門的高度設置，低壓配電室一般為3.5m;高壓配電室為4m;油浸變壓器室一般不低壓4.5m。

6.2 變壓器基礎

油浸變壓器基礎通常采用低式布置，具體可參看《工業(yè)與民用配電設計手冊》相關內(nèi)容和標準圖集的做法。如果選用的是干式變壓器，其基礎就大幅簡化，只需預埋2根扁鋼即可，并且可以與低壓柜并排放置，取消變壓器室，只是在其前端加一臺六氟化硫環(huán)網(wǎng)柜。干變和油變的選擇遵從業(yè)主的意見，如由設計方選擇，現(xiàn)在一般選用干變，基礎簡單，建筑造價大幅降低，且干變在維護使用上有諸多優(yōu)點。

6.3 高低壓柜基礎

高低壓柜一般位于電纜溝上方，通常做法:電纜溝寬度為柜體深度減去200，在溝的兩邊頂部(低于地坪100)處預埋100×10的扁鋼，電氣在扁鋼上焊接10#槽鋼作為高低壓柜基礎。計算荷重:高壓柜、高壓電容器柜為4900N/m;低壓柜為2000N/m。

6.4 電纜溝條件

電纜溝依據(jù)溝內(nèi)電纜數(shù)量的多少，確定溝的寬度和深度，以及支架單側布置還是雙側布置。除柜底開溝外，一般在柜后布置電纜溝，與柜底電纜溝設通道連接，變電所內(nèi)電纜溝設連接通道，互相連接。溝底坡度不小于0.5%，并依具體情況設置積水坑。相關條件與結構專業(yè)商量，共同確定。

6.5 建筑墻上開孔

主要包括油浸變壓器室到低壓配電室的墻上母排開孔，或是配電室內(nèi)的高低壓電纜出線橋架，以及去往DCS控制室的控制電纜橋架開孔等。通過實踐，現(xiàn)在也有橋架出線不在墻上開孔，而直接通過電纜溝延伸到室外，在室外管廊橋架下方上到橋架，只需做好防水工作即可。

7 防雷與接地

(1)10kV變電所在建設過程中，可利用鋼筋混凝土結構的屋頂，將其鋼筋焊接成網(wǎng)并接地來防護直擊雷。或是在屋頂用￠10圓鋼做避雷帶。只有干變，按三類防雷考慮;若是油變，按二類防雷考慮。

(2)在變電所內(nèi)的高壓側、低壓側及進線段安裝避雷器，以防護侵入雷電波、操作過電壓及暫時過電壓。

(3)10kV變電所中的接地網(wǎng)一般由扁鋼及角鋼組成，也可利用建筑物鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋體作接地網(wǎng)，但各鋼筋體之間必須連成電氣通路并保證其電氣連續(xù)性符合要求。接地電阻值要求不大于4Ω。變壓器、高低壓配電裝置、墻上的設備預埋件等都需用扁鋼等與接地網(wǎng)作可靠焊接進行接地。發(fā)電機的接地系統(tǒng)需另行設置，不得與變電所的接地網(wǎng)連接。

(4)低壓配電系統(tǒng)按接地方式的不同可分為三類:即TT、TN和IT系統(tǒng)。TT方式供電系統(tǒng)是指將電氣設備的金屬外殼直接接地的保護系統(tǒng)，稱作保護接地系統(tǒng)。TN方式供電系統(tǒng)是將電氣設備的金屬外殼與工作零線相接的保護系統(tǒng)稱作接零保護系統(tǒng)。在TN方式供電系統(tǒng)中，根據(jù)其保護零線是否與工作零線分開又可分為:TN-C和TN-S方式供電系統(tǒng)。TN-C方式供電系統(tǒng)是用工作零線兼作接零保護線，適用于三相負載基本平衡的情況。TN-S方式供電系統(tǒng)是把工作零線N和專用保護線PE嚴格分開，系統(tǒng)安全可靠，適用于工業(yè)與民用建筑等低壓供電系統(tǒng)。此外，在一些由用戶提供的圖紙中，還可看到TN-C-S方式的供電系統(tǒng)，此系統(tǒng)的前部分是TN-C方式供電，系統(tǒng)的后部分出PE線，且與N線不再合并。

現(xiàn)在工程上一般都采用TN-S系統(tǒng)。

8 照明

10kV變電所內(nèi)的照明電源從低壓開關柜內(nèi)引出，管線選用BV500銅芯塑料線穿管后沿墻或頂暗敷，電線的管徑按規(guī)定配置，所配燈具應具有足夠的照度，在安裝位置上不應裝設在變壓器和高、低壓配電裝置上，應安裝在墻上設備的上方或周圍，留有一定的距離以保證人身及設備的安全，同時應避免造成照明死區(qū)。燈具安裝高度應高于視平線以避免耀眼，還要避免與電氣設備或運行人員的碰撞。

9 結語

本文結合作者實踐工作，較為系統(tǒng)總結了10kV變電所設計所包含的內(nèi)容，供設計人員參考。

1 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院組編.工業(yè)與民用配電設計手冊 (第3版)［M］.中國電力出版社 ，2005:10.

2 王予午，陳昌編.10kV及以下供配電設計與安裝圖集［M］.煤炭工業(yè)出版社，2002:1.

3 陳漢民，王奇南主編.建筑電氣技術500問［M］.福建科學技術出版社，2001:1.

4 劉振亞主編.國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設計10KV配電工程分冊［M］.中國電力出版社，2007:3.

5 孫方漢，李永臣，趙本佑主編.變電所技術標準及規(guī)程范應用手冊［M］.遼寧科學技術出版社，2004:2.

6 譚瓊主編.10kV及以下業(yè)擴受電工程典型設計圖集.中國南方電網(wǎng)有限責任公司，2012:5.

7 翁雙安主編.供配電工程設計指導［M］.機械工業(yè)出版社，2008:4.