風峪溝35 kV變電站預制艙式改造方案分析

郭玉峰

(西山煤電集團公司 發電事業部， 山西 太原 030053)

西山煤電集團官地礦風峪溝35 kV變電站負擔著井下供風的重任，是官地礦“一通三防”工作的重要環節，運轉風機一旦出現事故，將直接威脅井下工作人員的生命及礦井的生產安全。該變電站主要設備多為2005年制造，主變壓器為兩臺20 MVA三相兩繞組油浸式有載調壓變，現階段運行正常。但是站內無功補償裝置因故障已退出運行，造成主變功率因數低，無功損耗增大，設備老化加速。站內設備老化，監控系統不能接受站內所有信息，保護及監控信息無法向煤礦調度上傳，影響運行人員對保護裝置運行狀態及網絡報文監視；且保護裝置無備件，若裝置元件發生故障時不能快速消除，直接影響到一次設備的正常運行。因此，為保障官地礦日常安全生產需要，杜絕因失電而造成的生命財產損失，同時改善官地礦電網結構，降低電網損耗，保證電能質量，提高電網的供電可靠性、穩定性和靈活性，滿足該地區的安全和發展要求，亟需對該變電站進行改造。

1 變電站概況

1.1 廠區概況

官地礦風峪溝35 kV變電站地處太原市西山風峪溝源頭北面山坡風峪溝古滑道的滑坡平臺上，同時處于官地礦采空變形區內，該處山體滑坡、地殼運動頻繁、地質不穩定。

1.2 電網現狀

風峪溝35 kV變電站兩回電源進線分別由杜兒坪礦110 kV變電站不同母線提供，線路長度約5.8 km，再由風峪溝35 kV變電站35 kVⅠ段母線出一回線作為安家溝35 kV變電站的電源，由變電站6 kV母線各出2回專線作為黃冶風機房和要子莊風機房的電源。電網示意圖見圖1.

圖1 風峪溝35 kV電網示意圖

1.3 設備現狀

35 kV開關柜是長城電器集團生產的KYN-40.5-10型開關柜，于2005年8月投運，現已運行15年，設備老化，操作機構卡澀，手車合閘和分閘操作不能就位，且制造廠已經停產，無法提供備品備件和技術服務。

6 kV開關柜是長城電器集團生產的KYN28A-12型中置式開關柜，布置于主體建筑一層，為雙列背對背布置，柜后無預留檢修巡視通道。

出站6 kV電纜露天敷設，隨意擺放，末端負荷均為煤礦重要負荷，敷設未滿足《電力工程電纜設計規范》要求，雙電源電纜未采取防火分隔等措施。

2 改造方案

遵循“安全可靠、技術先進，投資合理、標準統一、切實可行、適應地址”的原則，結合電網現狀、場地及設備現狀，原主變利舊，其它電氣設備選用技術先進、質量可靠并且適合風峪溝35 kV變電站地質情況的電氣設備。

2.1 現場問題分析

變電站場地位于滑坡輕微變形區，該變電站的主體建筑為二層磚混結構，預制蓋板，由于地質結構等多種原因，變電站地表出現較大裂縫，建筑外墻開裂嚴重，樓面層也出現開裂現象等，在原位置更換設備，從技術角度上分析，房屋依然達不到現有抗震要求，存在安全隱患。從經濟角度分析，更換設備需在變電站場區空地上放置臨時箱式35 kV開關站作為施工過渡措施，臨時箱式35 kV開關站造價高，會造成投資浪費。變電站除主變壓器外的一次設備運行情況較差，綜合自動控制系統也無法滿足無人值守變電站的要求，需考慮全站改造，且需一次性完成，分步實施會造成主要設備之間、一次和二次系統的重復調試，增加設備帶病運行的時間，影響變電站的安全穩定運行。

2.2 方案選擇分析

我國現有變電站中建筑結構型式主要有磚混結構、框架結構、鋼結構、預制艙式等。預制艙式變電站是采用先進、可靠、環保的智能模塊化單元組成集約型封閉式的變電站，它以信息數字化、網絡化、標準版為基本要求，具備自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和檢測等功能。從全壽命周期成本來看，預制艙式變電站造價要稍高于其他布置型式，但其具有設備通用、布局靈活、安裝便捷、建站快捷、運維簡單等特點，可減少現場施工周期和人員的配置，設備及材料可回收和利用[1]. 預制艙自身具備抗變形能力，不同模塊互相獨立，能有效降低地質變動對整站造成的影響。結合風峪溝特殊的地質條件和近年由于地質沉陷的變電站改造先例，將風峪溝35 kV變電站改造為預制艙式變電站是可行的。

3 預制艙改造方案

3.1 電氣總平面布置

站區長66 m，寬49.8 m，圍墻內總占地面積3 286.8 m2. 站內設置35 kV設備預制艙和6 kV一二次設備聯合預制艙，35 kV配電裝置布置于35 kV設備預制艙內，6 kV配電裝置和二次、通信、調度自動化設備布置于6 kV一二次設備聯合預制艙內。35 kV采用電纜進出線，6 kV進線采用管母線，6 kV出線采用電纜出線。主變壓器布置于35 kV預制艙的西側，戶外布置。電容組器及站用變壓器布置于場地西北側。變電站內設置T型道路，滿足主變壓器等大設備的整體運輸及消防要求。

按照無功負荷就地平衡和補償變壓器無功損耗的原則，結合本期工程規模以及電容器投切合閘涌流考慮，推行全壽命周期管理理念。經過合理計算，單臺變壓器最終補償容量為4 800 kVar，按補償容量為主變容量的24%考慮，本站補償總容量2×4 800 kVar.

站內6 kV采用電纜出線，為消除電容電流，需要在6 kV各段母線上裝設消弧線圈。

原有6 kV電纜由原開關柜分段倒接至新增6 kV預制艙。其中電纜線路出線24回，西側出線電纜20回，東側出線電纜4回，西側出線電纜可重新做戶內電纜頭接入新建6 kV預制艙內，共需重新制作20套戶內冷縮電纜頭，東側出線電纜無法利舊需重新敷設電纜4回，新建線路由6 kV預制艙起至線路1#桿塔，線路總長度約為600 m，共需重新制作4套戶內冷縮電纜頭和4套外冷縮電纜頭。

施工時，6 kV預制艙和35 kV預制艙就位，主變進行輪停，6 kV母線分段運行，將6 kV電纜分段倒接進新建6 kV預制艙內，以減少停電時間，變電站正常運行后將原建筑物和設備拆除。

3.1.1 電氣主接線

1) 35 kV主接線采用單母線接線方式。2) 6 kV主接線采用單母線分段接線方式。

3.1.2 中性點接地方式

1) 35 kV側中性點不接地系統。2) 6 kV側中性點不接地系統。

3.1.3 配電裝置形式

1) 35 kV配電裝置。采用戶內移開式開關柜，預制艙內單列布置，采用電纜進出線，主變壓器35 kV側進線通過YJV22-26/35-1×240電纜引入35 kV配電裝置開關柜。共需建設9面開關柜，其中35 kV進線柜2面、35 kVPT及避雷器柜2面、35 kV出線柜3面、35 kV分段柜1面、35 kV聯絡柜1面。

2) 6 kV配電裝置。采用戶內金屬鎧裝移開式開關柜，預制艙內雙列布置，采用架空進線、電纜出線，主變壓器6 kV側進線通過封閉母線引入6 kV配電裝置開關柜。共需建設37面開關柜，其中6 kV主變進線柜2面、6 kV出線柜27面、6 kVPT柜2面、6 kV分段柜1面、6 kV隔離柜1面、6 kV電容器開關柜1面、6 kV接地變開關柜2面。

3.2 一次設備

風峪溝35 kV變電站站址污穢等級為d級，戶外設備外絕緣按d級上線考慮。35 kV設備按每條線路帶2臺20 MVA主變計算。本站各級電壓等級的設備短路電流按以下短路水平選擇:35 kV電壓等級按25 kA考慮，6 kV按31.5 kA考慮。主要設備配置如下：

1) 主變壓器。根據利舊原則，選用三相雙繞組油浸式自冷有載調壓變壓器。

2) 35 kV電氣設備。選用鎧裝移開式戶內開關柜，柜中斷路器選擇采用真空斷路器，額定電流為1 250 A，開斷電流為25 kA；配干式電流互感器、干式電壓互感器、交流無間隙金屬氧化物避雷器。

3) 6 kV電氣設備。選用鎧裝移開式戶內交流金屬封閉開關柜，柜中斷路器選用真空斷路器，回路額定電流為2 500 A，開斷電流為31.5 kA；配干式電流互感器、干式電壓互感器、交流無間隙金屬氧化物避雷器。

4) 無功補償裝置。采用戶外SVG電容器成套裝置，總補償容量2×4 800 kVar.

5) 6 kV接地變消弧線圈成套裝置。接地變700/6.9-50/0.4，消弧線圈6.0/6.9 50-105A,隔離開關GW19-12，避雷器HY5WR2-10/45.

6) 導體選擇。主變進線選擇導線型號YJV22-26/35-1×185，載流量455 A；電容器組選擇導線型號YJV22-6/6-1×300,載流量600 A；站用變選擇導線型號YJV22-6/6-1×150,載流量400 A.

一次設備部分布置方案可將原占地面積較多、分布較為分散的電氣設備最大程度的集成化，節省變電站內土地資源的同時，縮短了各設備間隔，節省了電纜導線的成本，便于運維人員對設備進行日常巡檢和維護，提升變電站運轉工作效率。

3.3 二次設備

二次設備作為監控和組織一次設備預制艙有序運行的設備，其核心內容包括測控配置、故障信息配置、安全性配置、監控配置、計量配置。將二次設備布置于預制艙內，35(6) kV多合一裝置下放至開關柜，站控層設備、主變保護、測控及其他二次設備(含通信設備)組屏安裝。屏柜靠墻布置，采用前接線、前顯示式(主變保護測控柜采用柜前開門，屏后接線方式)，屏柜高2 260 mm×寬800 mm×深600 mm. 主要設備配置如下：

1) 站控層設備。按遠期配置，包括監控主機1臺、數據通信網關機1臺、其他網絡設備打印機等。

2) 間隔層設備。主變各側測控裝置與后備保護集成配置，35(6) kV部分采用保護測控集成裝置。

3) 網絡通信設備。站控層交換機采用級聯方式，配置1臺中心交換機，安裝于公用測控柜；6 kV配置1臺隔層交換機，安裝于6 kVⅠ段PT柜。

4) 遠動系統。35 kV電壓等級變電站遠動通信裝置按單套配置，與其他自動化系統共享信息，不重復采集。

5) 電能計量系統。全站配置一套電能遠方終端，以串口方式采集各電能計量表信息，并通過電力調度數據網與電能主站通信。

6) 主變保護。采用主、后備保護獨立裝置，后備保護與測控裝置集成；非電量保護單獨配套，并通過電纜直接采樣、直接跳閘。

7) 組合式一體化電源系統。全站直流、交流、UPS、通信等電源采用集成設計、集成配置、集成監控，其運行工況和信息數據通過集成監控單元展示并通過DL/T860標準數據格式接入監控系統。

以上設備配置加強了站內設備運行期間數據收集匯總能力，加強了運維人員對站內設備狀態了解，便于運行和檢修期間對站內各個設備的詳細情況及時了解；在一次設備運行出現故障時，通過站控層設備及時了解故障信息，對故障點及故障原因快速做出研判，避免了事故擴大的可能性，提升站內供電安全和供電質量。

4 效能分析

預制艙式變電站智能化程度較高，人為控制因素較少，同時配套有遠程監控操作系統，同比普通布置型式變電站，可使后期運維成本大幅降低。同時，受益于預制艙模塊化的優點，對變電站運行期間設備突發故障的處理時間和費用也可有較大程度的降低。改造方案實施后將能有效解決風峪溝變電站基礎沉陷，建筑物變形，站內配電裝置運行不可靠，檢修不方便，主要設備老化，運行年限較長，電網安全可靠性差等問題，避免可能發生因地殼運動導致地質災害引起重大生產安全事故的發生，對保證礦區安全用電有重要意義。

5 結 語

預制艙是變電站應用新技術、新材料、新設備的一個重要體現，是由預制艙體、二次設備屏柜(或機架)、艙體輔助設施等組成，在工廠內完成制作、組裝、配線、調試等工作，并作為一個整體運輸至工程現場，就位于安裝基礎上。將其用于煤礦變電站的改造中，可有效減少設計、施工、調試等工程量，簡化檢修維護工作，縮短建設周期，加快智能變電站建設周期。