35kV變電所電氣部分設計

馬明 曹芮嘉

摘 要：變電所在電力系統中有著重要的作用，電力系統的安全穩定性以及運行的靈活性、經濟性很大程度上取決于變電所設計的質量。現針對35 kV變電所電氣部分，首先根據原始資料采用需要系數法進行負荷計算，據此選擇主變壓器，并設計電氣主接線;其次計算短路電流;最后，按正常工作條件選擇校驗電氣主要設備以及相應母線、架空線。電氣設計力求做到運行可靠、經濟合理、靈活方便，具有現實意義。

關鍵詞：35 kV變電所;電氣主接線;計算負荷;短路電流計算

0 引言

某工廠欲設計一個35 kV電壓等級的變電所，對廠內各個車間進行供電。其工作電源為距離該廠5 km處的變電站A，接入單回架空線路供電;備用電源為變電站B。

（1）系統情況：變電站A為110 kV的母線，基準容量為1 000 MVA。其安裝了兩個SFSLZ-31500/110 kVA的三繞組變壓器：U高中=10.5%，U高低=17%，U低中=6%;選用35 kV電壓等級來供電。以最大運行方式運行，將A變電站的兩臺變壓器并列運行。

（2）負荷情況：待設計變電所的10 kV低壓側母線對各個車間供電均用架空線路，其中1～7車間是一類負荷，8～9車間是二、三類負荷;一、二類負荷占全廠總負荷的70%，全年工作時長8 760 h。

1 負荷計算

根據下列公式進行負荷計算：

根據原始資料，各車間計算負荷如表1所示。

采用需要系數法，取0.9和0.95作為有功和無功同時系數。經計算，車間總的視在功率為2 750.25 kVA，計算電流為158.8 A，功率因數為0.87。

因功率因數為0.87，未達到低壓側功率因數為0.95的要求，此處采取人工補償——并聯移相電容器組的方法進行低壓集中補償，補償量為：

Qc補=Pc總（tan φ-tan φ′）=574.56 kvar（4）

式中：Qc補為需要補償的無功容量;Pc總為有功計算負荷總值;tan φ為功率因數無功補償前的正切值;tan φ′為該變電所需求功率因數的正切值。

根據所得出的無功補償容量，可選取BWF10.5-100-1型單相電容型電容6個。經無功補償后，所得車間總視在功率、計算電流、功率因數分別為2 509.86 kVA、145 A、0.95，即功率因數滿足設計要求。

2 主變壓器選擇

待設計變電所選用兩臺等容量主變壓器，要求如下：

（1）當兩臺中任一變壓器在單獨運行狀態時，其應滿足廠內總負荷70%～80%的需要;

（2）滿足廠內全部一、二類負荷的需求[1]。

查相關選型手冊[2-4]，可初選S9系列三相油浸自冷式無載調壓銅線電力變壓器S9-2000/35。依據補償后的有功負荷和容量選擇條件，所選變壓器額定容量2 000 kVA大于車間總容量，故滿足設計要求。

3 電氣主接線設計

根據相關規定，變電所的主接線應由變電所在電力系統中的地位、回路數、設備特點及負荷性質等條件確定，并且滿足運行可靠、簡單靈活和節約投資等要求[5]。

在可靠性、靈活性和經濟性方面的要求滿足后，可采用一用一備、雙電源的供電方式，全場總負荷的70%為一、二類負荷，初步設計兩臺主變壓器，以此保障供電可靠性。變壓器35 kV電源進線可采用橋式接線、單母線（分段）接線，10 kV母線可采用單母線分段接線。

比較不同接線方案的優缺點后，確定35 kV側進線采用外橋接線，通過主變降壓后接到10 kV側單母線。橋式接線沒有母線，只用3臺斷路器，節省了投資，且變壓器投切或故障時不會影響其余部分，操作比較簡單，此種接線同時也滿足了電氣主接線的基本要求。系統主接線如圖1所示。

4 短路電流計算

采用等值電路標幺值法進行短路電流計算。取基準容量Sd=1 000 MVA，根據各元件電抗標幺值，系統最大運行方式按變電站A兩臺主變并列運行計算，結果如表2所示。

5 電氣設備選擇與校驗

電氣設備選擇在變電所設計中十分重要。一般按正常工作條件選擇額定電壓、額定電流，在短路條件下校驗其動、熱穩定性[6]。

5.1 ? ?斷路器選擇

斷路器是電力系統中最重要的控制和保護開關設備。正常運行時，可接通和斷開電流;發生故障時，可快速斷開負荷電流和短路電流[7]。

35 kV高壓回路大多選用真空斷路器或SF6斷路器，根據主變35 kV回路最大持續工作電流以及安裝在戶內的要求，可選ZN12-40.5型真空戶內斷路器。其額定開斷電流為25 kA，額定短路關合電流為63 kA，大于短路沖擊電流，滿足要求。同理，10 kV高壓斷路器選擇ZN3-10型真空戶內斷路器。

5.2 ? ?隔離開關選擇

隔離開關是電力系統中的常用電氣設備，對高壓設備和一些重要裝置起到保護作用，但不可以切斷負荷電流或開斷短路電流[7]。35 kV側變壓器回路隔離開關的最大電流要求與斷路器相同，選擇戶內改進型隔離開關GN16-35G/

1250，其動穩定電流幅值為63 kA，大于短路沖擊電流，滿足要求。同理，10 kV側高壓隔離開關選擇戶內隔離開關GN6-10/600-52型。

5.3 ? ?電壓互感器選擇

電壓互感器是電氣二次設備與一次設備之間傳輸信息的傳感器，其一次側接在一次系統，二次側接測量儀表與繼保裝置，能將高壓按比例變成低壓[8]。

35 kV側電壓互感器可選擇單相油浸式JDJJ6-35型電壓互感器，其0.5級二次繞組額定容量為150 VA。10 kV側電壓互感器選擇單相油浸式JDZJ-10三繞組電壓互感器，0.5級二次繞組額定容量為40 VA。

5.4 ? ?電流互感器選擇

電流互感器是電氣二次設備獲取電氣一次回路信息的傳感器，其一次側接在一次系統，二次側接測量儀表與繼保裝置，能將大電流按比例變成小電流[8]。

35 kV側電流互感器最大工作電流為34.8 A且安裝地點在戶內，可選LDZB7-35型電流互感器，其動穩定電流為112.5 kA，大于短路沖擊電流;額定熱穩定電流為45 kA，大于短路電流，故滿足要求。

10 kV側電流互感器可選半封閉式結構LFZ1-10型電流互感器，其初、次級繞組用環氧樹脂澆注成一體，且滿足動、熱穩定性校驗需求。

5.5 ? ?避雷器選擇

避雷器用于防止雷電通過電壓波沿線路直接侵入變電所或者建筑物內，以免對被保護設備的絕緣部件造成損害。這里35 kV側選擇閥式避雷器FZ-35，10 kV側架空進線選擇閥式避雷器FZ-10，經校驗，其各類參數均滿足需求。

6 架空線、母線選擇與校驗

6.1 ? ?架空線選擇

（1）架空進線：35 kV及以上宜按經濟電流密度選擇架空線截面，導線材質為鋁，故可選LGJ-35型鋁絞線。其標稱截面積A=35 mm2，滿足機械強度要求;在導體工作溫度為40 ℃時，允許載流量為137 A，大于最大持續工作電流。因此，LGJ-35型鋁絞線滿足要求。

（2）架空出線：根據電壓等級為3～10 kV且出線線路較短，則按允許載流量選擇導線截面的規定，可選LGJ-16型鋁絞線。其在架設地點的環境溫度為30 ℃時，允許載流量為98 A，大于最大持續工作電流;架空時最小截面積Amin=16 mm2，滿足機械強度要求。因此，LGJ-16型鋁絞線滿足要求。

6.2 ? ?母線選擇

35 kV及以下配電設備一般選用矩形硬鋁母線。按發熱條件選擇導線截面，最大持續工作電流為121.2 A，可選單條矩形導體LMY-15×3的立放涂漆母線。其截面積為60 mm2，大于6.97 mm2，滿足熱穩定要求;在導線架設地點的環境溫度為30 ℃時，長期允許電流為155 A，當母線平放且寬度小于63 mm時，允許電流為147.25 A，滿足條件。故兩段母線選擇單條矩形導體的立放涂漆母線滿足設計要求。

7 結語

本文主要研究35 kV變電所電氣部分設計，為了滿足工廠、車間等工業場所用電需求，設計中采用需要系數法進行計算，然后根據所得數據，選擇變電站各種系數以及主要電氣設備。通過本次對變電所電氣部分的優化設計，有望獲得更高電壓等級變電所電氣系統的設計應用經驗，為后續35 kV變電所設計工程提供參考和借鑒。

[參考文獻]

[1] 段春麗，黃仕元.建筑電氣[M].2版.北京：機械工業出版社，2016.

[2] 電力工業部西北電力設計院.電力工程電氣設備手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3] 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社，2005.

[4] 戴瑜興，黃鐵兵，梁志超.民用建筑電氣設計數據手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 劉介才.工廠供電[M].6版.北京：機械工業出版社，2015.

[6] 苗世洪，朱永利.發電廠電氣部分[M].5版.北京：中國電力出版社，2015.

[7] 楊正理，黃其新，王士政.電力系統繼電保護原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[8] 沈其工，方瑜，周澤存，等.高電壓技術[M].4版.北京：中國電力出版社，2012.

收稿日期：2021-08-27

作者簡介：馬明（1994—），男，甘肅蘭州人，碩士研究生在讀，研究方向：電力系統調度優化。