220kV變電站規劃設計要點及優化

上海電氣輸配電工程成套有限公司 羅呂文

現階段，各國城城市化發展的速度逐漸加快，人們對生活生產的需求日益提升，從城市供電量的角度考慮，對其提出了越來越高的要求，突出了電力供給與需求之間的矛盾，這致使建設城市變電站工作顯得十分的重要。220kV 的變電站作為電網體系中最關鍵的供電節點，在供電過程中發揮著不可替代的核心作用。基于此，建設城市電網的過程中，應重視不斷優化與更新220kV變電站，進一步提升變電站的技術水平和工作成效，滿足社會生活生產的電力需要。

1 220kV 的變電站發展近況

為推動220kV 的變電站發展，各國電網公司投入更多的資源用以研究220kV 的變電站，進一步實現電網公司管理經營與220kV 的變電站一體化，如圖1所示。現階段國家已創建環保、可靠及低碳的智能化設施，同時產業化已經實現，最終采用自動化新型控制系統以及網絡技術，220kV 的變電站實現了網絡化平臺通信、數字化信息、標準化共享信息等[1]。就目前來看，各國對環保提出了越來越高的要求，各國新建220kV 的變電站大多具備很強的適應能力，與此同時還具備不燃、無毒、低噪聲、低損耗等優點。不過，相比于發達國家，各國在應用220kV 的變壓器上存在一定差距，進而限制了各國220kV 的變電站進一步的發展[2]。

圖1 220kV 變電站

2 設計220kV 的變電站的要點

本文以非洲某國220kV 變電站電氣主線設計為例，是當地較高電壓等級的變電站，是該地區重要的中心樞紐變電站，安裝有兩臺100MW 降壓變壓器，負責將水電站的發電送至首都新建20kV 及30kV 配電網進行供電，供電容量約達首都電力供電總量的45%，并與該國220kV 主電網和臨國220kV電網實現互聯互通。電壓有220kV、30kV 和20kV三個等級。220kV 側出線5回，遠期8回，不允許停電檢修斷路器，選擇具有檢修期長、性能好等優勢條件的六氟化硫斷路器，為此選擇采用雙母線接線，不帶旁路，這不僅滿足供電的可靠和調度靈活要求，還有效減少占地面積。

2.1 設計電氣主接線

針對電氣主接線設計來說，變電站最高電壓等級、性質等條件是其設計的主要依據，在接線方式的選擇上需要考慮變電站的系統地位以及變電站的性質作用，確保兩者相適應。其作為電力系統接線的重要組成結構，變電站內線路、變壓器、無功補償設備等設備與電力系統的最佳連接方式均由其表明，同時表明變電站內其他電氣設備之間的最佳連接方式。因此，對于電氣主接線設計來說，其對電氣設備的選擇布置、繼電保護裝置設計等相關設計工作有關鍵影響和重要作用，是變電站規劃設計中的重點內容和核心技術。

220kV 的變電站電氣主接線的設計是依據電網內部的出線數量、地位、設備特性、回路數來明確的，與此同時在進行設計時值得注意的是控制供電荷載，在符合供電運行可靠性、靈活性和方便操作前提下盡可能保障能源的節約，與此同時擴大可靠性、靈活性以及經濟性等層面的需要[3]。從經濟角度出發，電氣主接線設計時應考慮成本的節約性、操作的便捷性以及后期維護的便利性，確保電氣主接線設計具有較強的經濟性。在220kV 降壓變電站中，220kV 線路4回及以上主變壓器2組時，一般采用雙母線接線而不帶旁路，當少于3回且總元件數少于5回時，也可用各種橋接線或是線路變壓器組接線。在電氣設計階段，一次設備選擇時應考慮其接線的穩定安全性，確保接線科學合理，且滿足經濟性要求等相關條件，同時在主接線等相關設計工作開展時，都應注重設計方法、設計技術等方面的合理規范性。

220kV 變電站主接線設計階段，應根據任務書設計要求，根據本區域及國家電力工業實際發展狀況，明確220kV 的變電站電壓等級、負荷回路數以及容量。詳細研究及分析原始數據資料，擬定部分主接線的初步方案。綜上所述，主接線相關基本要求是：在保證符合供電經濟性、靈活性、可靠性、發展擴建留有空間的基礎上，展開科學性較強的分析論證，最終才能夠確定主接線的最佳方案。

2.2 選擇與設計斷路器

220kV 變電器內部斷路器屬于電氣設施，發揮著控制及保護高壓回路的重要作用，可提高線路及220kV 變電站運行的穩定性。從維修及配電成本角度考慮，220kV 的變電站在選擇斷路器時大多考慮同一廠家、型號，這樣做可以盡可能降低備用件類型，并且對日常開展維護和檢修工作較為有利。

220kV 的變電站確定斷路器過程中應保障其具備良好動穩定性、良好熱穩定性、最短分斷時間、絕緣性、短路較強能力，從而完成220kV 的變電站高效、安全運行這一目標[4]。具體實踐過程中，220kV 的變電站通常會選擇六氟化硫斷路器，其具有體積小、壽命長、絕緣性好等優勢特點。除此以外，此類斷路器具有較強的滅弧能力，并且容易檢修、維護，從而大大提高供電的可靠性和連續性。

2.3 電流、電壓互感器的配置

電流互感器不僅需要與電流最大負荷的熱動穩定性以及一次回路的電壓、額定電流要求相符，還需要與二次回路中的自動裝置、保護裝置、測量儀表相關準確度要求等相符。電流互感器依據不同的絕緣介質分成許多類型，現階段在電壓各種等級中常見使用的一種類型即是油浸式。

對于電壓互感器的選擇，主要有以下幾點：一是6～20kV 配電裝置。選擇油浸絕緣結構，主要設置在高壓開關柜等位置，安裝方式主要對油浸絕緣結構進行澆筑，澆筑材料通常為樹脂。二是35～110kV 配電裝置。選擇油浸絕緣結構電磁式電感互感器。三是220kV 及以上配電裝置。在容量、計量要求等條件符合規定標準的情況下，選擇電容式電壓互感器，其成本、性能等方面更有優勢性，不易發生電磁諧振問題。選擇電壓互感器還需要滿足相關的條件（安裝點額定電壓應大于一次側額定電壓）。除此以外，二次接線的方法和電壓互感器選擇的具體類型需要依據二次負荷性質，以及具體用途來予以相應的判斷。

2.4 優化接地開關和接地引下線的設計

為保證設備、線路等檢修過程中不對人員造成威脅，同時又能更好地保護設備、線路等自身結構的安全，在主接線設計階段應合理設置接地開關和接地器。一是斷路器兩側的隔離開關在斷路器側應設置接地開關，作為斷路器檢修時接地用；二是應根據實際情況，將合適數量的接地開關設置在各種接線形式的線路隔離開關線路側。同時，針對同塔雙回或多回線路，設計人員還需對其運行、檢修等不同狀況下的感應電流進行計算分析，根據結果合理設置具有滅弧性能的接地開關。三是主母線可利用母線隔離開關帶有的接地開關，或是母線電壓互感器前的隔離開關設接地開關，如通過對母線接地點的計算后，需要時應設專用的接地開關。

變壓器各側的隔離開關在變壓器側應設接地開關，作為變壓器檢修時接地用。在變壓器中性點中應有兩根接地引下線，將其與不同干線中的主地網進行連接，在設計時需保證接地引下線滿足熱穩定等條件。針對涉及的重要性設備和設備結構，則要有兩根與220kV 變電站主接地網不同地點連接的接地引下線， 與此同時還要確保兩根接地引下線滿足相關標準和要求[5]。

2.5 設計總平面布置及配電裝置

配電設置選擇過程中需要充分考慮所處區域的環境條件及地理情況，因勢利導，保障土地節約的同時符合檢修及運行的需要。通過比較經濟技術，配電裝置40kV 及以下適合使用屋內型。配電裝置使用管型母線時，應采用分裂結構或是單管，固定形式適合使用懸掛式或者支撐式，若地震烈度≥Ⅵ度時，適合使用懸掛式。

設計總平面布置，具體如下：一是變電站設備間縮短連接線。設計時滿足主接線生產運行需求，確保設備之間具有較強的聯系性，整體布置合理緊湊，以達到減少能耗、降低電纜敷設難度的目的，同時還能避免故障及安全事故的發生。另外，這種布置方式還能便于日常巡視和后期的維護檢修，即便發生事故也可以在第一時間內予以處理，降低事故影響。

二是布置整體思路。為保障大型設施（例如變壓器）的安裝、檢修及運輸便利，需要盡可能縮小運輸的距離。要求主變壓器及主控制室之間方便交通，主控制室需要處于能夠輕易觀察變電站整體概況的地方，最大限度降低電視設施和連線管路的干擾及交叉。以保障出線和變線的便利，架空導線交叉得以有效減少。

三是結合遠近期，保留發展的余地。設計布置電氣總平面時需要依據批準規劃的容量展開，同時保留發展的余地。較小或較大的規劃容量，都會致使不合理總平面布置的出現，較大容量會導致資源浪費，較小容量則會增加用電負荷，極易影響生產運行的安全性，引發嚴重后果。在電氣總平面布置時，還應注重建設初期的設計，主要以集中布置方式為主，這樣不僅便于購地分期和擴建，還能有效推動工程后期的正式施工，為其搭建良好的施工條件，做好基礎準備工作。

四是合理緊湊布置，保障用地節約。為提高空間使用效果，充分利用占地面積，應選擇集中布局方式合理設置各個設備。同時，在用地過程中應考慮其性質，盡可能選擇荒地、坡地等場地，提高資源利用率。對于狹窄地形條件的工程，能夠將檢修間、通信樓、控制樓等相近功能或有一定程度聯系的建筑物使用多層聯合的方式進行布置[6]。

五是因勢利導布置。根據自然地形條件，結合實際情況，合理選擇配電各級裝置形式和其互相間平面的組合，從而選擇恰當的位置進行布置。以此為基礎，靈活布置站前的建構筑物以及附屬設施。而對于高壓配電裝置等較為重要的建筑構物，在條件滿足的情況下應沿自然等高線布置，并結合進站道路等情況，盡量達到土方平衡，同時減少埋設基礎深度以及深挖高填，以保證現場可正常排水。而針對山區等特殊地形來說，在設置前應先制定相應的預防措施，避免后期出現塌方等問題影響變電站的安全運行，同時在設計時也應避免將建筑構物設置在山坡附近。另外，對于主變壓器、主控樓及并聯電抗器等配電裝置，應對現場環境進行提前調查，排除斷層或地質構造不均的位置，盡可能將其設置在地基穩定的位置。不僅如此，還需要盡可能保障不對山體本身具備的自然地貌造成破壞，以保障山體平衡，提升布置的安全性。

3 優化設計220kV 的變電站相關策略

3.1 總平面設計優化策略

遵循“土地節約、因勢利導”原則，加強關注220kV 變電站周圍環境條件，經過比較經濟技術，配電采用科學性、經濟性、可靠性好的裝置。在配電裝置中管型母線的使用較為廣泛，這時管型母線應選取分裂結構或是單管，同時采取支撐式或懸掛式展開固定，充分保障其合理性及穩定性[7]。針對配電裝置屋外設計，應對已存在道路展開合理利用，同時保障不會對正常道路通行產生影響，若路基寬度在5.5m 以內，同時道路兩端無法正常通行時，應在道路合適區域設置錯車道或是環形道路。除此以外按照標準《變電所總布置設計技術規定》中所提出的，220kV 的變電所布置總平面應全方面依據現階段使用的各式各樣要求及指標，做到減少浪費、持續創新、因地制宜，針對劣地、荒地和坡地等不適合耕耘的土地區域展開合理利用，同時做好經濟技術論證相關工作，進而保障220kV 的變電站有序運行。

3.2 電流及電壓互感器優化策略

在大接地短路電流系統的220kV 回路中，應按三相式配置電流互感器；小接地短路電源系統一般可按兩相式配置，當不能滿足繼電保護靈敏度要求時，方采用三相式電流互感器。在配置保護用電流互感器時，需要保證主保護電流互感器、供線路保護電流互感器其兩部分之間能夠有線連接和相互覆蓋，達到消除保護死區的要求。在選擇微機保護時，不同保護應盡可能選擇共用二次繞組的方式，但一個元件的兩套保護必須使用不同的二次繞組。高一個電壓等級與500kV、400kV 變電站內的220kV 母線，變壓器等重要部分，需要采取雙套主保護和雙套后備保護的方式。如220kV 電流互感器包括6個繞組，其中2個供線路和變壓器保護用，2個供母線保護用，1個供失靈保護用，1個供測量和計量用。

主接線方式可直接影響電壓互感器的配置方式，如常規配置、以變壓器單元配置等，需要根據具體情況合理做出選擇。所以雙母線接線電壓互感器的配置采用哪種方案，要根據工程具體情況進行技術經濟比較來確定，隨著數字化保護和測量儀表的采用，電壓互感器的二次負荷大幅度下降，小容量的電壓互感器的價格也在下調，按單元配置雖然電壓互感器的用量多，但節省了切換裝置，簡化了接線。

3.3 優化母線接地相關策略

在設計220kV 的變電站過程中，如果變電站支流線路中設計母線接地出現錯誤，常常會引起故障。基于此，優化母線接地相關問題是較為重要的。一般情況下能夠使用絕緣監控檢查系統，保障支流母線成功接地以后，依據從低到高順序展開判斷和分析，同時嚴格實施合閘和分別信號，在此之中應對由于過長的拉開時間致使電源喪失使用成效予以重點關注[8]。判斷、檢查和分析絕緣監控系統以后，應掌控和匯報具體接地回路狀況，與值班人員處理好交接工作，與此同時應安排變電站維修專業工作人員對故障展開處理。

3.4 限制短路電流的相關策略

在電力系統規模和容量不斷增加的過程中，其短路水平不斷提高，為了減少短路給電力系統和電氣設備造成的危害，同時也除降低斷路器的斷流容量，一般采取以下措施限制短路電流：一是在電力系統方面為大系統分割、限制變壓器中性點接地數量、限制使用220kV 自耦變壓器、在系統中設置若干解列點。二是采用高阻抗變壓器。三是通常會將串聯電抗器設置在主變壓器低壓側，但實際運行過程中，分裂電抗器的作用效果更高于普通電抗器。四是主變壓器低壓側母線采用分列運行，每臺主變只帶一段母線，為提高供電可靠性，在母線分段斷路器上裝設備用電源自動投入裝置。在實際應用中需再結合占地面積進行技術經濟的比較。

綜上所述，在人們日常生活與生產中，220kV的變電站發揮著不可替代的作用，電網管理和建設部門應從整體上予以把握，側重于分析及思考電氣的布置、設備、主接線等層面的優化設計，進而保障220kV 變電站日常高效、正常運行，為社會生活生產提供電力方面的支持。