智能時代背景下變電站電氣設計要點分析

廣西鑫源電力勘察設計有限公司 董志鵬

1 變電站電氣主接線設計

1.1 主接線的設計原則和要求

變電站是樞紐型變電站，區域型變電站、終端型變電站、企業型變電站，或者是分支型變電站，因其在電網中的位置與功能各不相同，所以對主接線的可靠性、靈活性和經濟性有較大的要求。從近期、長遠兩個方面來看，變電所電氣線路的電氣主接線應該按照5～10年的電網發展計劃來確定。要考慮到負荷的大小與分布、負荷的增長速率、區域電網的狀況與潮流分布、對多種可能的操作模式，從而決定系統的電氣線路布置，與變電站相連的供電數量和線路回數；一次負荷與二次負荷之間，必須有兩臺相互獨立的電源供應，在其中一臺電力供應中斷時，要確保所有二級負荷連續供應，通常情況下，三級負載僅用一臺電源。

1.2 主接線具體設計

1.2.1 設計步驟

制定一套切實可行的電氣線路規劃方案需要經過嚴謹的步驟和細致的分析。首先，在對原有數據進行綜合分析的前提下，根據設計工作的需求，制定多個可能的方案。在制定方案時，要考慮主變壓器的形式、數量和容量，以及各級電壓分配設備的接線形式，這些因素直接關系到電氣線路的可靠性和穩定性。因此，在制定方案時，需要針對每種可能的選擇進行技術上的驗證，評估其在滿足電氣線路需求方面的優劣。經過技術驗證，選出了兩種在技術上具有可比性的方案。為了進一步評估這兩種方案的經濟性，選擇了兩個工藝水平優良的工程實例，并進行了經濟性分析。這些實例能夠提供寶貴的經驗和數據，幫助對方案進行全面評估。最后，對兩種方案進行綜合的技術和經濟對比。在考慮了技術可行性和經濟效益之后，得出了最佳的電氣線路布置方案。為了更直觀地展示這個方案，繪制最佳的線路布置圖，可將其可視化。

1.2.2 初步方案設計

在原來的數據中，該變電所有110/35/10kV 三種電壓，所以可以對三個三繞組的變壓器進行初步篩選，由該變電所與該系統相連的線路示意圖可知，該變電所有兩個入口，為了確保供電可靠，可以安裝兩個主變。為了確保最佳配線方式，本文對如下兩種配線方式進行了初步研究。

方案一（如圖1所示）：110kV 側采用雙母線接線，35kV 側采用單母分段接線，10kV 側采用單母分段接線。

圖1 方案一

方案二（如圖2所示）：110kV 側采用單母分段接線，35kV 側采用雙母線接線，10kV 側采用單母分段接線。

圖2 方案二

1.2.3 最優方案確定

第一，技術比較。在經過綜合分析后，得到了兩個初步的方案。第一種方案是在110kV 端采取雙母線方式，而第二種方案是在110kV 端采用單母線分區方式。雙母線供電方式在系統運行可靠性和供電可靠性方面具有明顯優勢。由于采用雙母線方式，一旦其中一根母線發生故障，系統可以無縫地切換到另一根母線，確保系統的穩定運行。此外，雙母線方式還具備系統排程靈活性和便于擴展的特點，可以滿足未來發展和擴容的需求。第二種方案則是在110kV 端采用單母線分區方式。這種方式的特點是線路簡單、使用方便，因為只有一根母線，維護和管理也比較容易。此外，單母線分區方式還可以減少所需設備的數量，從而降低建設成本。對于35kV 一側，第一種方案采用了單相分段式，而第二種方案則采用了雙母線式。綜合考慮兩種方案的特點和優勢，選擇了110kV 一側采用雙母線方式，35kV 一側則采用單相分段式。

第二，經濟比較。從整體的設計來看，35kV和10kV 側采用單母線形式的供電方式，從整體投入來看，在包含了控制設備、線纜、母線和基建成本等方面，比雙母線方式更為靈活。通過上述研究，得出了最佳的方案，也就是110kV 一側是兩條母線，35kV 一側是一條母線，10kV 一側是一條母線。具體的線路圖如圖1所示。

2 短路電流計算

2.1 短路計算的目的、規定與步驟

2.1.1 短路電流計算的目的

在對配電線路進行選型時，不管是對不同的接線方式進行對比，還是對某些接線方式進行限定，都要對其進行短路電流的分析。比如，通過對某個瞬間的短路電流的有效數值進行運算，來檢驗開關裝置的開斷性能及電抗器的電抗值；通過對該裝置進行短路電流的沖量的計算，來檢驗該裝置的動穩定性；室外高壓配電網在進行室外供電時，應根據短路情況檢查軟導體的相間、相到地之間的安全間距[1]。

2.1.2 關于短路電流的通用規定

第一，計算基礎。電網內各供電單位以額定負荷工作；全部的同步電動機均設有強制激勵（含強制激勵）的激勵設備；當短路電流達到最大時，會出現短路；EMF 的相角在各供電端是相同的；除了在短路點電阻之外，其他因素都應該被納入對短路電流的數值中。只有當計算出感應電機的短路電流脈動及最大額定電流時，才能將其計算在內。

第二，配線模式。短路電流的計算方法應該是最大短路電流（也就是最大工作模式），而不是只有可能在開關過程中并行工作的接線模式。

2.2 變壓器的參數計算及短路點的確定

2.2.1 變壓器參數的計算

基準值的選取：Sb=100MVA,Ub取各側平均額定電壓。

主變壓器參數計算：

電抗標幺值：

站用變壓器參數計算：

系統等值電抗：

2.2.2 短路點的確定

在本變電站的設計中，存在4種不同的電壓等級，在選擇的短路點中，110kV 進線的短路與變壓器高壓端的短路電流相同，所以，在這樣的電壓等級下，只需選擇一個短路點，其余三個電壓等級均需選擇一個短路點。根據該變電所的主接線形式、設備參數及短路點的選取，確定了其配電網的等值線圖（如圖3所示）。

圖3 配電網的等值線圖

3 無功補償設計

為了保障電網的電力品質，確保電力供應的安全性，無功功率與有功功率同樣重要。根據有關資料，在電網中，消費者每年消費的無功功率為其所消費的50%～100%。此外，電網中還有大量的無功損失，在電網中及在電網中所耗費的無功可分別占全部無功的75%和25%。所以，在整個電網中，各種類型的無功電源必須提供相當于全部有功的1到2倍的無功。從無功的靜止特征可以看出，與電壓相比，有功對電壓的影響要比無功對電壓的影響大得多，基本上，只有充足的無功供給才能保證電網的整體電壓。由于無功功率的缺乏，使輸電線路的電壓下降，輸電裝置無法發揮其應有的功率，造成了電力損耗的增加，因此有必要對其進行無功補償。

電力系統中的無功功率控制原理及技術。電力系統中的無功功率控制原理：按照《電力系統規范》要求[3]，電網負荷為10%～20%；按照等級補償的原理，即用變壓器的無功損失減去線路上的電量來決定其無功補償的能力：10kV、110kV 的電壓不得小于額定的電壓；當負載較小時（按2%～30%的主變壓器容量），因受線纜充電的作用，其所充的電量幾乎被補償的電量所抵消。

電力系統中的無功功率補償技術：無論在任何情況下還是在發生故障的情況下，電網中的無功功率和無功負載都應該執行分層分區，就地平衡的原理。同時，無功電源還必須具備靈活性的調整功能，以及一些檢修備用的功能；在常規工作狀態下，當某條線路或某一最大容量的無功補償裝置或者某一最大功率的機組（含失磁），在此情況下，系統中的無功功率應急儲備的容量模式和分配模式，應該能夠保證電壓的穩定性和正常的電力供應，防止電壓坍塌：在常規維修模式下，如果遇到這種情況，可以通過切斷一些負載或者并聯電抗器來保證電壓的穩定性；在110kV 及以后的電網中，必須充分發揮改善電網穩定功能的功能。

4 結論

準確把握變電站電氣設計的要點，注重主接線設計和無功補償設計，是確保電力系統高效、穩定供電的關鍵。通過優化設計和技術的應用，可以提高變電站的運行效率和可靠性，滿足不斷增長的電力需求。綜上所述，變電站電氣設計的關鍵要點包括主接線設計和無功補償設計，合理運用這些要點可以確保變電站高效運行和可靠供電。