110kV變電站電氣一次設(shè)計(jì)研究

中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 許森科

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，在電力傳遞、電能轉(zhuǎn)換等方面發(fā)揮出重要作用。特別是對(duì)于110kV 變電站來(lái)說(shuō)，對(duì)于城市建設(shè)有著直接影響。因此，有必要加強(qiáng)變電站電氣一次部分設(shè)計(jì)研究，對(duì)主接線方式、變壓器、高壓斷路器等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，不斷提高變電站設(shè)計(jì)及系統(tǒng)可靠性，降低電力故障出現(xiàn)概率。本文從實(shí)際變電站項(xiàng)目出發(fā)，致力于提高電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性，優(yōu)化電網(wǎng)電力調(diào)度效果。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為110kV 變電站，電壓等級(jí)為110kV/10kV，確定3臺(tái)80MVA 主變的設(shè)計(jì)規(guī)模，以滿足區(qū)域供電需求。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)主要目的是滿足城市商務(wù)區(qū)供電需求，結(jié)合區(qū)域規(guī)劃方案，預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期負(fù)荷在590～620MW 范圍內(nèi)。當(dāng)前，商務(wù)區(qū)內(nèi)已完成2座35kV 變電站的設(shè)計(jì)工作，其容量分別為3×20MVA 和2×20MVA，變電站運(yùn)行供電壓力較大，特別是在夏季用電高峰期，兩臺(tái)變電站的最大負(fù)載率可高達(dá)84%與89%。

根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃，商務(wù)區(qū)內(nèi)正開(kāi)展一會(huì)展項(xiàng)目及其配套設(shè)施建設(shè)工作，設(shè)計(jì)面積為139萬(wàn)m2，隨后還會(huì)逐步進(jìn)行水廠、房產(chǎn)等大容量用戶的建設(shè)工作，其容量均在8～19MVA 范圍內(nèi)，已完成申請(qǐng)的用電報(bào)裝容量就達(dá)到126MVA。而且，隨著商務(wù)區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)的持續(xù)開(kāi)展，區(qū)域內(nèi)每年增加的新建建筑面積將達(dá)50萬(wàn)m2以上，區(qū)域電力負(fù)荷呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，現(xiàn)有的2座35kV 變電站無(wú)法滿足區(qū)域供電需求。針對(duì)這一問(wèn)題，商務(wù)區(qū)建設(shè)規(guī)劃提出本項(xiàng)目建設(shè)方案，即在商務(wù)區(qū)南側(cè)新建110kV 變電站，以增加區(qū)域變電容量，滿足區(qū)內(nèi)負(fù)荷發(fā)展需求。原有的2座35kV 變電站及新建110kV 變電站在改建前后的電力負(fù)荷情況見(jiàn)表1。

表1 2座35kV 變電站及新建110kV 變電站改建前后電力負(fù)荷情況

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目（110kV 變電站）于2017年建成后，原有的2座35kV 變電站負(fù)載率明顯降低，隨著110kV 變電站持續(xù)投運(yùn)，其供電負(fù)荷逐漸從51MW 增長(zhǎng)至當(dāng)前的86MW，負(fù)載率從34%增長(zhǎng)至57%。

2 110kV 變電站電氣一次設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 主接線方式設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目110kV 變電站主接線設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：一是經(jīng)濟(jì)性原則。在滿足供電需求的基礎(chǔ)上減少高壓側(cè)斷路器數(shù)量，提高電氣一次設(shè)備性價(jià)比，解決線路短路問(wèn)題并減少設(shè)備占地面積。二是靈活性原則。變電站主接線設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)電力調(diào)度、設(shè)備維修、后期擴(kuò)建等多方面需求進(jìn)行考量，靈活調(diào)整電力線路與負(fù)荷，有效控制電力線路故障影響。三是可靠性原則。電氣主接線承擔(dān)電能傳輸、分配功能，為滿足區(qū)域供電需求，應(yīng)確保變電站電氣主接線穩(wěn)定性與可靠性，提高110kV 變電站供電質(zhì)量。

2.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)上述原則，本項(xiàng)目進(jìn)行主接線方式設(shè)計(jì)，以主變低壓側(cè)額定電流4620A 為基礎(chǔ)，分別按1.05倍與1.3倍考慮其過(guò)載電流，即為4850A 和6000A。規(guī)格為125mm×10mm 的四拼銅母排在不同溫度條件下的載流量見(jiàn)表2。

表2 不同溫度條件下的四拼銅母排載流量

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，四拼125mm×10mm 銅母排載流量會(huì)隨著溫度升高而降低，特別是在夏天高負(fù)荷情況下，其運(yùn)行溫度將持續(xù)升高，其載流量難以滿足運(yùn)行需求，同時(shí)無(wú)法和鍍銀雙拼接線板低壓套管實(shí)現(xiàn)可靠連接。而且，截面為500mm2的10kV 電纜在40℃下載流量?jī)H為662A，多拼排數(shù)最多為三拼，也無(wú)法滿足本工程流量要求。在這樣的情況下，本項(xiàng)目選擇絕緣母線至開(kāi)關(guān)柜的主接線方式。連接雙拼4000A 絕緣母線與主變套管，到達(dá)主變室后再分別連接進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜。

本項(xiàng)目中，110kV 變電站電氣主接線設(shè)計(jì)還要進(jìn)一步考慮其接線復(fù)雜性，為控制檢驗(yàn)難度、減少占地面積，工作人員還須進(jìn)一步對(duì)電氣主接線設(shè)計(jì)負(fù)載、運(yùn)行、損耗、調(diào)度、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而體現(xiàn)出良好的靈活性與可靠性。

考慮商務(wù)區(qū)規(guī)劃現(xiàn)狀，本項(xiàng)目應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)主接線方式進(jìn)行控制，選擇單母線分段式、雙母線等主接線形式。單母線分段式斷路器連接大多分為三段，若某一段母線出現(xiàn)故障，斷路器可及時(shí)進(jìn)行隔離，確保整體線路運(yùn)行不受故障影響。而雙母線接線則是通過(guò)斷路器與隔離開(kāi)關(guān)連接，通過(guò)分列、并列等接線形式滿足主接線靈活性需求。

2.2 主變壓器設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)原則

變壓器是110kV 變電站中的關(guān)鍵設(shè)備，與變電站運(yùn)行安全穩(wěn)定性息息相關(guān)，因此在電氣一次設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)做好變壓器設(shè)備選型與數(shù)量確定，有效降低變壓器功率損耗[1]。一方面變壓器選型應(yīng)注重其使用的靈活性，例如可通過(guò)專用變壓器滿足季節(jié)性負(fù)荷容量需求，或通過(guò)沖擊負(fù)荷專用變壓器應(yīng)對(duì)沖擊性負(fù)荷。另一方面，為保證110kV 變電站穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)合理確定變壓器數(shù)量，通常每一110kV 變電站2臺(tái)及以上主變壓器可滿足變電站運(yùn)轉(zhuǎn)需求。在配置兩臺(tái)變壓器的前提下，可作為一臺(tái)主用、一臺(tái)備用，并對(duì)負(fù)荷性質(zhì)、供電條件、運(yùn)行方式等因素進(jìn)行綜合考量，確保變壓器數(shù)量的合理性。值得注意的是，商務(wù)區(qū)內(nèi)土地資源比較緊張，因此需要控制110kV 變電站變壓器占地面積。

2.2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目中變壓器設(shè)置是在主接線方式基礎(chǔ)上進(jìn)行，變壓器通過(guò)一進(jìn)三出接線形式與110kV 側(cè)接線連接，10kV 側(cè)單母線出線48回，并進(jìn)行10kV 電容器安裝。變電站總體設(shè)計(jì)規(guī)模為3臺(tái)80MVA 主變，第一期建設(shè)為2臺(tái)80MVA 主變，10kV 側(cè)單母線出線32回。

在確定設(shè)計(jì)規(guī)模與連接方式后，本項(xiàng)目基于智能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行變壓器選型。考慮到110kV 變電站電壓等級(jí)為110kV/10kV，對(duì)多方面影響因素進(jìn)行綜合分析，確定以下兩方面要點(diǎn)。

首先，若存在單相變壓器需要獨(dú)立運(yùn)行的情況時(shí)，需要保證其符合Sjs×（60%～70%）的要求，并通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，其公式表示為：

其中，ST表示的是每臺(tái)變壓器的容量，SNT表示的主變壓器的容量，Sjs表示的是全部用電設(shè)備計(jì)算負(fù)荷，將數(shù)據(jù)代入其中得到數(shù)值為50mVA。

其次，在出現(xiàn)上述情況時(shí)，獨(dú)立運(yùn)行的變壓器可滿足一二級(jí)負(fù)荷的運(yùn)行需求[2]。公式表示為：

其中，Sjs（Ⅰ+Ⅱ）表示的是全部一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷，將數(shù)據(jù)代入其中得到數(shù)值為50mVA。結(jié)合計(jì)算結(jié)果及本項(xiàng)目實(shí)際要求，選用S9-1000/10型變壓器2臺(tái)。

2.3 高壓配電裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)原則

高壓配電裝置布置方式包括室內(nèi)及室外兩種，其中室內(nèi)裝置布置包括110kV 斷路器、普通電氣裝置以及全封閉電氣設(shè)備。相較之下，前兩種室內(nèi)設(shè)置方法成本投入較高且占地面積較大，后一種布置方法雖然也需要較多的資金支持，但便于維護(hù)，適合應(yīng)用在土地資源比較緊張的區(qū)域。室外布置方式則包括中型布置、半高型布置以及高型布置，其中中型布置方式為最常見(jiàn)的布置方式，在進(jìn)行高壓配電裝置的過(guò)程中，需要通過(guò)母線線路對(duì)110kV 變電站電氣設(shè)備進(jìn)行連接，具有較高的便捷性與經(jīng)濟(jì)性[3]。

對(duì)上述兩種方式進(jìn)行對(duì)比，室內(nèi)布置的主要優(yōu)勢(shì)在于占地面積小，有利于母線、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的合理布置，可為后續(xù)運(yùn)維工作提供便利；而室外布置方式的成本較低，可通過(guò)地面支架設(shè)置配電裝置，具有較高的可靠性。在進(jìn)行電氣一次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)110kV 變電站實(shí)際情況及區(qū)域供電需求選擇合理的配電器布置方式。

2.3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目在進(jìn)行配電裝置設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)商務(wù)區(qū)環(huán)境條件、運(yùn)維要求以及110kV 變電站負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而選擇GIS 配電裝置。考慮到商務(wù)區(qū)新建110kV 變電站環(huán)境要求，工作人員對(duì)GIS 組合電器配電裝置進(jìn)行整體改造，受場(chǎng)地因素影響，選用室外三相共箱式全封閉型組合配電器作為110kV 配電裝置，通過(guò)母線雙列布置發(fā)揮其布局優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，還可以選用AIS 配電裝置，通過(guò)中型或半高型布置方式進(jìn)行母線布置。一般情況下，110kV 變電站電氣設(shè)備方案需要對(duì)斷路器、電流互感器、隔離開(kāi)關(guān)的布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)地閃絡(luò)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，以有效提高線路運(yùn)行的穩(wěn)定性。值得注意的是，在進(jìn)行接線布置時(shí)，可在不進(jìn)行架構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)母線進(jìn)行直接連接，以滿足變電站運(yùn)行要求。

2.4 短路電流計(jì)算

根據(jù)110kV 變電站運(yùn)行要求，本項(xiàng)目選用標(biāo)幺制法對(duì)短路電路進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，首先確定Sj=100MVA，Uj=Ujp，Uk%=14.5%。其中Sj表示的是基礎(chǔ)容量，Uj表示的是基準(zhǔn)電壓，Ujp表示的是短路點(diǎn)處的短路計(jì)算電壓，Uk%表示的是變壓器短路電抗。根據(jù)上述基準(zhǔn)值可進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算步驟包括：一是工作人員以110kV 變電站原始資料為參考，完成電路圖繪制與計(jì)算工作；二是完成基準(zhǔn)值Sd、Ud的確定；三是根據(jù)110kV 變電站要求確定元件電抗標(biāo)幺值；四是對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行等效電路圖的繪制；五是對(duì)各短路數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行短路電流計(jì)算的過(guò)程中，主要涉及以下公式。

公式（3）為基準(zhǔn)電流計(jì)算公式，其中Id表示的是基準(zhǔn)電流；Sd表示的是基準(zhǔn)容量；Ud表示的是基準(zhǔn)電壓；Uc表示的是短路點(diǎn)處的短路計(jì)算電壓。

公式（4）為基準(zhǔn)電抗計(jì)算公式，其中Xd表示的是基準(zhǔn)電抗。

公式（5）為電源電抗標(biāo)幺值，Sk表示的是系統(tǒng)變電所高壓饋電線出口斷路器的斷流容量，進(jìn)而可得到電力系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值公式：

電力變壓器電抗標(biāo)幺值公式表示為：

公式（7）中，UK%表示的是變壓器的短路電壓（阻抗電壓）百分值；SN表示的是變壓器額定容量。

公式（8）為電力線路電抗標(biāo)幺值，X0L 表示電抗器電抗；根據(jù)化簡(jiǎn)電路可得到總電抗標(biāo)幺值，進(jìn)而得到三相短路電流周期分量有效值，公式表示為：

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電氣一次設(shè)計(jì)是110kV 變電站有效運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)從變電站實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)接線方式、變壓器、高壓配電裝置等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，明確電氣一次設(shè)計(jì)流程及相關(guān)重點(diǎn)，有效優(yōu)化變電站電氣配置，確保110kV 變電站運(yùn)行與區(qū)域供電需求相適應(yīng)，促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的提升。