變電站站用不停電改造技術

郭 威，陳曉芳，李 曄，周成龍，鄭劍斌，鄢 園

（國網廈門供電公司，福建 廈門 361000）

0 引 言

變電站交流系統是全站設備用電的來源，與變電站直流蓄電池組形成站內電源系統。當交流電源消失時，蓄電池組的任一蓄電池異常都將導致全站設備用電丟失，造成不可估量的后果。目前，變電站交流站用電柜均采用雙電源切換（ATS）方式，也可采用備自投方式。長期以來，改造站用交直流系統均采用停電的方法，存在極大的安全隱患。一旦全站交流電源消失，蓄電池帶載能力不足時，將可能造成全站二次設備失電。當電網發生故障時，繼電保護將無法快速切除故障，可能造成大面積停電。為營造更安全的站用電改造環境，亟需研究出新型的站用電改造方式，降低站用變停電改造時間，同時保障重要負荷改造期間的可靠轉移。

本文提出的變電站交流系統改造新方法，是優化傳統400 V站用交流電改造方案，搭建400 V站內用電負荷轉移的專用配電箱。交流系統改造時，直接轉移重要負荷和停電段的電源、負荷至專用配電箱，從而有效防止交流電源失電，極大地提升了交流負載和站用電改造期間系統的運行安全性和穩定性[1]。

1 新型站用電停電改造方案

根據站用變停電改造時所需轉移的重要負荷和負荷容量，在負荷轉移的專用配電箱空開級配滿足電力行業要求的前提下，分別對采用備自投方式和ATS方式下的站用電改造方案設計。

1.1 備自投方式下的新型站用電停電改造方案

采用備自投方式的站用電改造，如圖1所示。以400 V Ⅰ母改造為例，400備自投退出，401、400、402各占一個屏柜，401、402進線柜無相互關聯的母排與二次接線。改造401進線柜時，可先申請停電951高壓開關和401低壓開關，將#1站用工作變壓器低壓側進線電纜轉移至專用配電箱。配電箱應可轉接低壓側150～185 mm2電纜，同時配有至少4個空開，供直流充電交流電源1、主變冷卻器交流電源1、消防系統電源1以及通信電源1負荷引接。空開級配應滿足四路負荷級配要求。四路重要負荷引接后，可對951和專用配電箱內的重要負荷送電，保證兩路負荷在改造過程中正常供電。另外，可將次級重要單電源負荷直接轉移至運行中的#2站用電備用空氣開關，將原本至少需要停電951、401開關3 d的時間縮短至2 h，極大地提高了安全可靠性。同理，改造402進線柜時，可申請停電952、402開關，將#2站用工作變壓器低壓側進線電纜轉移至專用配電箱。配電箱應可轉接低壓側150～185 mm2電纜，同時配有至少4個空開，供直流充電交流電源2、主變冷卻器交流電源2、消防系統電源2以及通信電源2負荷引接，且空開級配應滿足四路負荷級配要求。四路重要負荷引接后，可對952及專用配電箱內重要負荷送電。另外，可將次級重要單電源負荷直接轉移至運行中的#1站用電備用空氣開關。

站用變改造前的具體操作流程如下：

（1）退出400 V備自投裝置；

（2）斷開400開關；

圖1 備自投方式下的站用變接線圖

（3）斷開951、401開關；

（4）負荷轉移至專用配電箱（負荷轉移過程約1 h）；

（5）合上951、配電箱內進線總開關實現送電；

（6）400 V Ⅰ母相關屏柜改造。

站用變改造后具體操作流程如下：

（1）斷開951；

（2）斷開配電箱內進線總開關；

（3）配電箱內負荷轉移至新的400 V Ⅰ母相關屏柜；

（4）合上951開關送電；

（5）投入400 V備自投功能。

1.2 ATS方式下的新型站用電停電改造方案

采用ATS切換方式的站用變改造，如圖2所示。以400 V Ⅰ母改造為例，兩進線柜分別包含了另一進線母排，如12DL13DL開關上端母排或者22DL23DL開關上端母排。無論單獨停951還是952高壓開關，兩進線柜內均有一側帶電，無法保證站用電改造時的人身安全。因此，改造前分別停951和952高壓開關，將#1站用工作變壓器低壓側進線電纜轉移至一專用配電箱，將直流充電交流電源1、主變冷卻器交流電源1、消防系統電源1以及通信電源1引入該專用配電箱；將#2站用工作變壓器低壓側進線電纜轉移至另一專用配電箱，將直流充電交流電源2、主變冷卻器交流電源2、消防系統電源2以及通信電源2引入該專用配電箱。兩個配電箱可轉接低壓側150 mm2電纜，同時配有至少4個空開，供直流充電交流電源2、主變冷卻器交流電源2、消防系統電源2以及通信電源2負荷引接，且空開級配應滿足四路負荷級配要求。以上重要負荷轉移后，可以對951、952開關及專用配電箱內的重要負荷開關送電。將需要從站外引入一臨時電源的改造前安全措施的時間和停用站用電951、952開關改造工程的時間，縮短為951、952共只需停電6 h（改造前3 h負荷轉移至專用配電箱，改造后3 h將負荷轉移回站用電低壓側負荷母線），極大地縮短了停電時間和施工工期，且無人身觸電風險，保證了電網的安全運行。

圖2 ATS方式下的站用變接線圖

站用變改造前具體操作流程如下：

（1）將ATS1、ATS2裝置電壓切換由自動打至手動；

（2）斷開951開關；

（3）斷開4011、4022刀閘；

（4）負荷轉移至專用配電箱1；

（5）合上951、配電箱1內進線總開關實現送電；

（6）斷開952開關；

（7）斷開4012、4021刀閘；

（8）負荷轉移至專用配電箱2；

（9）合上952、配電箱2內進線總開關實現送電；

（10）400 V Ⅰ母相關屏柜改造。

站用變改造后具體操作流程如下：

（1）斷開951開關；

（2）斷開配電箱1內進線總開關；

（3）將配電箱1內負荷轉移至新的400 V Ⅰ母相關屏柜；

（4）合上951開關送電；

（5）合上新的400 V Ⅰ母相關屏柜內4011、4022開關；

（6）將新的400 V Ⅰ母相關屏柜內ATS裝置由手動打至自動投入運行；

（7）斷開952開關；

（8）斷開配電箱2內進線總開關；

（9）將配電箱1內負荷轉移至新的400 V Ⅱ母相關屏柜；

（10）合上952開關送電；

（11）合上新的400 V Ⅰ母相關屏柜內4012、4021開關。

通過上述技術可實現400 V站用電改造期間的不停電工作。

2 負荷轉移平臺搭建

根據前述原理，本文提出的新型站用電停電改造方案主要通過搭建負荷轉移平臺即專用配電箱來實現，而普通配電箱難以滿足站用電改造的要求。因此，在考慮設備和人身安全的前提下，設計了一種專用配電箱。

專用配電箱滿足以下技術性能及指標：

（1）配電箱進線空開應適應站用電改造時進線電纜接頭的轉接；

（2）配電箱進線空開容量應滿足所有轉接負荷運行而不跳閘，并與各級負荷滿足級配要求；

（3）配電箱內負荷空開容量應滿足轉接負荷運行而不跳閘，并與進線空開滿足級配要求；

（4）配電箱內用銅排連接，銅排截面積應滿足空開運行的最大載流量的要求，同時應能與各元器件可靠連接；

（5）箱體尺寸及重量應趨向于便攜式，滿足兩個成年人輕松搬運的要求；

（6）箱體應有防止人身觸電傷害的設計。

針對要求（1），本文提出采用“外八式方塊接頭”設計，以有效防止因進線空開尺寸限制導致電纜接頭間距不足而發生的短路。方塊樣截面滿足各種交流電源進線電纜接頭銅鼻子截面，通過加裝墊片實現各種接頭的連接，同時為承受進線電纜重力及扭力，其厚度不小于5 mm。

針對要求（2）～要求（4），分別對四個重要負荷進行容量校核。

主變冷卻器電源空開容量計算式為：

其中，K為可靠系數，一般取1.35；n1為主變滿載時運行的冷卻器組數；n2為每組冷卻器風扇電機數；Ib為每組冷卻器中油泵電動機的額定電流；If為每組冷卻器單臺風扇電動機的額定電流。

直流充電交流電源和通信電源空開容量計算式為：

消防電源空開容量計算式為：

其中，n為消防水泵電動機數量，Ic為電動機額定電流。

由式（1）～式（3）可得，220 kV變電站站用電主變風機電源、消防控制電源、直流充電交流電源及通信電源空開，分別選取為75 A、75 A、40 A和40 A。根據級配要求，進線空開選擇200 A，銅排選擇截面積分別為2 cm×0.3 cm和1 cm×0.3 cm。

針對要求（5），箱體總體尺寸應控制在50 cm×50 cm×50 cm以內，重量控制在60 kg以內。不銹鋼304密度為7.93 g/m3，根據50 cm×50 cm×50 cm，厚度5 mm的空殼箱體重量為39.6 kg；箱體骨架選擇空心鋁管，50 cm×50 cm×50 cm的箱體所需材料估算重量小于1 kg；空開布置于絕緣性能良好的環氧樹脂絕緣擋板上，50 cm×50 cm的1 cm厚環氧樹脂板密度為0.98 g/cm3，重量為2.45 kg；銅排（密度約8.9 g/m3）計算用量約5 m的2 cm×0.3 cm和7 m的1 cm×0.3 cm，總用量約重量4.5 kg；所選空開總重量應不超過12 kg。

綜上，滿足各項技術性能指標的專用配電箱設計圖，如圖3所示。

3 無線數據采集和信號傳輸裝置

為在改造期間實現無線采集現場工況，設計了集成數據采集和數據顯示功能的專用配線箱，可在技改過程中推送相關信息至手機客戶端。

圖4為無線數據采集和信號傳輸裝置的系統結構圖。該無線裝置通過采集器采集現場溫度、電壓等工況，經由路由器（需插入4G通信卡，通過在路由器內進行二次開發實現MQTT協議的消息推送）發送到用戶手機，同時將此類220 V/380 V交流信號經過互感器轉換成模擬量直接接入PLC，以實現即時采集、越限報警等功能，從而支撐技改項目的全過程控制。

4 結 論

本文提出的新型站用電停電改造方案克服了現有技術的不足，通過提供更安全、穩定的變電站交流電源改造方式，極大地提升了站內用電的安全性和可靠性，推廣價值極大，目前已在廈門供電公司多項技改工程中成功應用。本方案不僅適用于站用電改造，還適用于電力系統的其他技術改造項目，如變電站主變冷卻器控制箱的改造，可使技改項目由停電作業轉為不停電作業，從而有效提高電網的經濟效益。

圖3 配電箱設計圖

圖4 無線數據采集及信號傳輸裝置結構圖