系統過電壓治理技術應用研究

朱志偉 戚 猛

(南水北調中線信息科技有限公司，北京 100038)

1 研究背景

以供電電壓為重要衡量指標的供電質量穩定性不僅是信息機電設備正常運行的重要保障，也是保證施工、運維等作業人員生命安全的重要基礎，對南水北調沿線日常安全生產作業的重要性不言而喻[1-2]。截至目前，南水北調沿線的供電質量安全完全符合甚至高于國家相關標準，對于同類工程具有較高的借鑒及參考意義，但由于個別降壓變電站距離上級站較近，導致供電段內出現了系統電壓超過額定設計值的情況[3]。系統長期處于過電壓狀態，容易造成變電站供電范圍內的信息機電設備帶病運行，輕則導致設備絕緣下降、壽命受損，重則將導致設備損壞[4]。

本文對當前南水北調中線唐河中心站供電段存在的系統過電壓現象進行了分析研究，重點討論了系統過電壓治理技術的應用，以推動南水北調中線唐河中心站供電段安全供電管理技術改良工作穩步前進，同時為南水北調沿線供配電系統過電壓問題治理提供了一定的參考依據。

2 研究項目概況

2.1 供電現狀

南水北調中線唐河中心站位于河北省定州市境內，供電段下設37座降壓站，供電跨度達110km，電源引自唐縣拔茄AC110kV變電站，系統預設額定線電壓為AC35kV。由于唐河中心站位于供電線路初端，導致實際電源電壓高達38.5kV，超過額定值10%。

2.2 系統過電壓存在的安全隱患

唐河中心站供電段降壓變電站用電負荷數量較多，長期的系統過電壓將對其供配電系統、轄區用電設備造成極大的危害，嚴重影響設備安全運行，具體表現在以下幾個方面[5]：

a.加速供電段內降壓站電氣及信息機電設備絕緣老化速度，降低設備使用壽命。

b.易導致站內直流屏設備故障，從而影響電氣系統正常操作。

c.增大站內二次設備采樣誤動概率，同時增加微機保護裝置相關電壓保護定值設定區間的復雜度。

d.導致設備故障率增高，間接增加運維人員工作量及運維成本。

3 系統過電壓治理技術

3.1 創新管理措施

為提高南水北調中線唐河中心站供電段供電管理水平，同時較好地解決唐河中心站供電段系統過電壓問題，經研究討論后，決定從以下幾個方面進行供電質量創新管理措施改進。

.1.1 建立設備預知供電管理模式

以提高電能質量及供電安全為目的的傳統管理措施多采用定期維保或事后報修模式，屬于被動式供電管理措施，故引進國際先進供電管理方法，創新性地從定期維保轉變為預知供電管理模式，有效地降低了設備故障率、減少了設備維修成本[6]。

.1.2 制定合理供電質量管理方案，建立科學管理制度

唐河中心站供電段降壓站改造項目建立了科學的供電管理制度及項目管理制度，通過組建工作管理小組，負責人直接協調調動各個部門，將日常工作層層分配，實現了工作內容的精細化管理，提高了中心開關站供電運行管理的可靠性[7]。

.1.3 開展唐河中心站供電段降壓站改造

通過采用預裝式箱式變電站改造措施，將電源引入KYN61高壓開關柜，創新性地配置SCB13-38.5/35kV-3150kVA特種變壓器，實現了降壓和穩壓的目的。該特種變壓器電壓變比屬國內首例，采用干式變壓器結構，避免了漏油風險，設計使用壽命長達30年，具有體積小巧、結構緊湊、投產迅速、經濟效益高等優點。

3.2 特種變壓器參數設計

根據唐河中心站供電段系統運行需求，對38.5kV箱式變電站主要技術參數進行選型計算，具體如下。

.2.1 運行條件

系統額定電壓：38.5kV；

系統最高電壓：40.5kV；

系統接地方式：中性點不接地系統；

系統運行頻率：50Hz。

.2.2 降壓變比參數設計

降壓變高壓側額定電壓為38.5kV，降壓變低壓側額定電壓為35kV，故變壓器變比參數為N=38.5/35=1.1。

.2.3 變壓器容量設計

唐河中心開關站供電段下設降壓變電站37座，其中，降壓變電站的供電設備總需求容量為2100kVA，過載設計容量裕度取1.5，故降壓變壓器額定設計容量為S=2100×1.5=3150kVA。

.2.4 特種變壓器基本參數設計及技術要求

結合現場使用條件及運行需求，變壓器選用SC10系列、戶內、空氣自冷、環氧樹脂絕緣型干式變壓器，高壓側額定電壓為38.5kV，低壓側額定電壓為35kV，主要技術參數見表1。

表1 38.5kV/35kV特種變壓器主要技術參數

根據相關規范標準可知，變壓器在規定的使用環境、運行工況及空氣自冷等條件下，應能長期、連續滿負荷運行，變壓器線圈平均溫升(電阻法測量)不超過100℃，線圈最高溫度不超過155℃，在任何情況下，不得出現使鐵芯本身、其他部件或與其相鄰材料受到損害的溫度[8]。

變壓器承受短路電流的能力應符合《電力變壓器 第五部分：承受短路的能力》(GB1094.5—2008)[9]中相關規定，當系統容量為無窮大時(即系統阻抗值為0)，變壓器在任意分接頭以及1.05倍額定電壓條件下，熱穩定能力應能承受變壓器滿負荷運行時端部三相對稱短路電流持續時間2s，且線圈的平均溫度最高不超過350℃；動穩定能力應能承受端部三相對稱短路動穩定電流持續時間0.5s，且變壓器各部位應無損壞、明顯位移、變形及放電痕跡[10]。

變壓器線圈在短路后的最大平均溫度為

式中：θ0為變壓器線圈起始溫度，℃；J為短路電流密度，A/mm2；t為持續時間，s。

4 成果效益分析

通過實施預知供電管理模式，實現了工作內容的精細化管理，不僅降低了設備故障發生率，也間接減少了運維人員工作量，節約了設備維修成本。項目采用預裝式變電站方案，變電站由預裝式模塊化結構現場拼接組合而成，降低了土建施工投資成本，同時，所選用的集成式箱式變電站具有體積小、結構緊湊、投產迅速、經濟效益高等優點，內置的節能降耗型SCB13-38.5/35kV-3150kVA特種干式變壓器變比尚屬國內首例，技術先進成熟，運行穩定可靠，現場實際效果見圖1[11]。

圖1 預裝式箱式降壓變電站現場效果

5 結 論

本文首先分析了唐河中心站供電段系統過電壓問題產生的原因及影響，之后對供電質量管理改進措施及系統過電壓治理技術進行了討論 研究，并重點介紹了國內首例38.5/35kV專用降壓變壓器。實際運行表明，38.5/35kV專用降壓變壓器的應用成功解決了唐河中心站供電段系統過電壓問題，形成的治理模式對南水北調電力安全運行管理起到了非常積極的促進作用，同時也為南水北調工程其他供電段系統過電壓問題處理提供了一定的參考依據。