电力工程：变电所工程设计.pdf

第 ! 章变电所工程设计 !“# 变电所构成及作用 !“#“#变电所构成与分类 变电所是电力网中的线路连接点， 用以变换电压、 交换功率和汇集、 分配电能的设施。变电所中有不同电压的 配电装置， 电力变压器， 控制、 保护、 信号和通信设施， 以及二次回路电源等。有些变电所中还由于无功平衡、 系统 稳定和限制过电压等因素， 装设同步调相机、 并联电容器、 并联电抗器、 静止无功补偿装置、 串联补偿装置等。 变电所的主要设施包括： 配电装置、 电力变压器、 控制设备、 保护自动装置、 通信设施与补偿装置。 按变电所在电力系统中的位置、 作用及其特点划分， 变电所的主要类型有枢纽变电所、 区域变电所、 地区变电 所、 终端变电所、 开关站、 配电变电所、 用户变电所、 地下变电所和无人值班变电所。变电所的名称通常是按其最高 一级电压等级来命名的， 例如某 $%3 对防火要求较高的地点。象酒店、 公寓、 学校、 医院等建筑以及地下商业区、 地下变电站等。其他靠近居民 区、 工厂或化工厂的地点。 ? , ? + ? 1 ? +。 !“#“#全封闭式组合电器 （9:)） !“#“#“$概述 全封闭式组合电器， 通常又被称为 “)%*组合电器” 或简称为 9:) （9;:abc;5de)fg5=h7d;i） ， 是 ,1 世纪 *1 年代 以来发展起来的新一代成套封闭式高压电器设备。它是把断路器、 隔离开关、 接地 （快速） 开关、 电流互感器、 电压 互感器、 避雷器、 母线 （单相或三相） 、 连接管和其他过渡元件 （如电缆终端盒、 出线套管、 与变压器的连接结构等） 多 种高压电器组合在一起， 而构成的成套装置。其基本结构是以金属筒为外壳， 将上述高压电器和绝缘部件封闭在 金属筒内， 并充入一定压力的六氟化硫 （)%*） 气体作为绝缘介质和灭弧介质。 )%*是一种不易与其他物质反应的稳定化合物， 一般在 +-1j以下， 化学性能稳定， 在 -11k 时仍不自行分解， 是 一种高绝缘强度的气体。在均匀电场下， 绝缘强度为同气压下空气的 ,3- 倍左右， 在 1302l; 的绝缘性能可达到变 压器油的绝缘水平； 它的灭弧能力也很强， 约为空气的 - 4 +1 倍； 在低温下容易液化。一般 )%*断路器的额定气压 为 13-2l;， 允许最低运行温度在 ? ,1j左右， 如要在更低气温下工作， 则需要电加热或在系统短路容量允许情况 下， 降低气压运行； )%*气体特殊的物理性能、 化学特性对电气的绝缘、 灭弧非常有利； 工作后的 )%*气体可以复原， 不会产生悬浮性碳， 介质绝缘强度变化不大， 并完全没有火灾的危险。所以， )%*封闭式组合电器得到了迅速发展， 尤其是在土地昂贵、 人口稠密的地区， 9:) 组成的变电站具有非常高的经济效益和环保价值。 6,!+第五编送变电部分 表 ! “ # “ $ “ % “ $倍 （!分别为调相机的直轴及交轴同步电抗） ；#电 压稳定性好， 在端电压突变时能立即作出反应减少电压变动；$有较大的短时过负荷能力， 能在电网故障电压下跌 时， 强行励磁支撑电压；%单台容量大， 足以满足系统需要。缺点是投资较大， 运行维修复杂， 损耗大， 需冷却水源， 起动和响应速度较慢， 噪音较大。 （$） 主要类型。同步调相机按其不同的冷却方式可分为空冷调相机、 氢冷调相机和全水内冷调相机三种。 $） 空冷调相机。以空气作为循环冷却介质的同步调相机。一般容量在 +%?#7 及以下， , 极， 户内密闭循环式， 其中小于 $%?#7 的多用开启式， 其能耗率较高， 一般为 *$ 多年的历史。早期容量小， 都是空冷型的， 主要供改善功率因数用。其后为了提高容量， 减少损 耗， %!#? 氢冷调相机； %!;% 年瑞典 +8 公司试制成一台 )*? 全水内冷调相机， 在美国杜蒙变电所投入运行。中国调相机发展较迟， #$ 世纪 $ 年代末开始制造少量空冷调相 机； %!;? 氢冷调相机， 于 %!* 彼 得森 （*?ab42)#%第五编送变电部分 对直击雷进行保护， 防止或减少近区雷击闪络， 使进入变电所通过阀式避雷器的雷电流不超过绝缘配合要求。!“ # $%2?) !等电气量数值， 并具有采集和发送状态量、 事件顺序记录、 电能量和控制等功能的综合型远动终端。 这类 “#$ 的传输规约、 软件编制的要求同上， 但应增加电压与电流互感器异常的报警软件。其结构尺寸应符 合 8;2#e)） 。后者提供 优先级控制， 实时性强， 支持点对点和广播方式通信， 并具有较强的错误识别和处理能力， 但传输距离有限， 比较适 用于中央处理单元和各类 625 模板相距不远的场合使用。 图 * d , d - d ( d () 及 ()） 。由于配电网调度所调度管理的范围除了配电变电所 （可兼做 配电子站） 外， 大量的被调度管辖的范围是配电网中的各种设备及馈线， 例如许多配网的分段器、 重合器、 补偿电容 器、 调压变压器等， 都是按配电线路的长度或城市街道布局因素来装设的， 很多都装设在电杆上或电缆隧道内以及 地面的箱式配电设备内， 而不在变电所内。因此， 为了采集它们的运行数据和监控， 就必须装设相适应的远方终 端， 其主要类型如下： 444 !*+, 配电网到 )*+, 超高压联合电力系统的电能量自动采集计费系统。其配套 标准与国际标准 7892:*4)! 至 7892:*4) 的配套标准相兼容。适用的通信道可以是电力载波、 微波、 光纤、 有线及公共电话网等。 3/(/ 子站系统的配置 （!） 一般应以 -#$ 为核心进行配置， 但当 %*、 *、 )*+, 变电所及 )*+, 换流站等已设置面向开放分布式计算 机集中监控系统时， 为节省投资， 变电所的监控系统可与子站系统进行一体化设计， 即监控系统兼有 -#$ 的全部功 能。这时变电所监控系统的前置子系统应具有远动传输规约的处理软件及远程通信接口， 保证与各级调度所实现 :44!第五编送变电部分 可靠的通信。 （!） “#、 $% !“!=、 ;6? 4!4a# 都无法避免通信系统繁琐、 通信速度缓慢的缺陷， 这使得在以往的变电站自动化系统中， 通 信问题始终没有一个理想的解决方案， 现场总线的应用部分缓解了变电站自动化系统对通信的要求， 但在系统容 量较大时依然显得捉襟见肘。以太网及其嵌入式应用， 使这一问题的解决变得豁然开朗， 因为以太网的通信速度 比以前的任何一种通信方式提高了几个数量级。 （“） 变电站自动化系统的开放性极大地提高了它与其他设备之间的可互操作性， 充分体现了开放性设计思想。 从单元设备到监控系统的各个环节的设计中， 除了保持其自身的系统性和完整性以外， 还非常强调与其他智能设 备的互相连接和可互操作性。 在单元设备的接口设计中， 除了上述以太网通信接口外， 还应提供与现有通信方式 （(/!“!=、 ;6?4!4a# 或 现场总线） 的兼容性设计， 这使得变电站自动化的设计或改造选择性更多、 更灵活。 目前 6;= 正在制定有关变电站自动化系统的内部通信协议体系， 其目的在于使不同厂家的产品具备互操作 性， 尽管该标准目前还没公布， 但其有关资料表明， 其主干网就是以太网。 （4） 在单元设备中， 使用 “免调节” 概念设计、“即插即用” 的设计方法以及通用的软、 硬件平台， 并采用全汉化显 示操作界面和图形化、 表格化的输出界面。过程全息再现技术的运用， 使得使用者可以用配套提供的调试、 分析 软件非常方便的读取存储在单元设备中的信息， 并清晰的再现设备的数据和逻辑处理过程。 在变电站计算机监控系统中， 数据库采用了透明化的管理方式， 数据库的描述采用面向对象利用人机交互图 形描述， 使繁杂的工作变得更简单、 更方便。利用建立在 =bc3=bc 基础上的 “! 位的软件编译平台， 软件功能模 5dd$第五编送变电部分 块可重新系统组态， 保证了系统的可扩展性及可维护性。基于全矢量图形的人机界面， 各功能节点具有统一风格 的操作方式， 易学易用。其人机界面主机具有多种图形画面功能， 同时也能支持多媒体功能。 （!） 适应系统发展的需要， 变电站自动化系统采用先进的微处理器， 配置以大容量的 “#$ 和 %） 操作票系统功能。能生成、 预演、 执行、 管理及打印操作票。 （） 。 （/） 小电流接地选线功能。发生小电流单向接地时， 系统自动报警并显示出接地的线路及相别。 （/0） 系统自诊断与自恢复功能。 （/1） 远动功能。除常规的远动信息通道外， 还可通过光纤或广域网， 以 !“# $ %# 协议传输。通信规约支持 ?、 a,&bcd、 ef4:6 :6 & 2 ? -&= （ !# 2 ? 3#=） 。 !） 相对湿度： &% 2 8&%。 +） 大气压力： 7# 2 “#ab。 8$&土建设计情况介绍 变电构架是变电所土建设计的主要部分， 根据工艺专业的配电装置布置， 目前多采用联合构架的型式。采用 联合构架既可以有效地减少占地面积， 减少母线构架柱和主变进线构架柱的数量， 节省用钢量， 节约投资， 又使构 架受力更加接近其实际受力状况， 充分利用钢材的强度。 !“#“$结构选型 过去 +#, 及以下变电构架多采用预应力钢筋混凝土环形杆或非预应力钢筋混凝土环形杆， 此种结构型式结 构自重大， 制作、 安装复杂， 钢筋混凝土环形杆长时间暴露于室外混凝土保护层剥落， 钢筋锈蚀， 影响运行与维护。 !74“第五编送变电部分 随着 !“、 #!“$% 变电所的实施， 预应力钢筋混凝土环形杆或非预应力钢筋混凝土环形杆已不能满足设计需要； 同时 随着国民经济水平的不断提高， 国家鼓励在变电所土建设计中采用钢结构构架， 变电构架出现了多种新的结构型 式。目前， 变电构架主要有以下几种型式： （&） 等截面普通钢管结构。该结构由 型普通钢管构架柱和三角形断面格构式钢梁组成， 梁柱采用铰接， 纵向 设置端撑。构架柱和钢梁弦材均采用普通钢管， 柱、 梁弦杆拼接接头采用刚性法兰连接， 梁腹杆采用螺栓连接， 安 装、 加工和运输方便。此种结构受力明确， 是目前 !“$% 构架应用最为广泛的一种结构型式。对于直径较大的钢 管， 一般采用螺旋焊缝圆形钢管或直缝焊接圆形钢管。直缝焊接圆形钢管由于可以任意取材， 断面可以不受规格 限制， 故较螺旋焊缝圆形钢管节省钢材， 且焊接工作量小， 外形较螺旋焊缝圆形钢管美观， 所以直缝焊接圆形钢管 较螺旋焊缝圆形钢管的应用更为广泛； 而圆形钢管由于截面特性好， 受力合理局部受压及抗扭特性较好。对于直 径较小的钢管， 一般采用热轧无缝钢管， 市场货源丰富。 （(） 薄壁离心钢管混凝土结构。该结构由 型薄壁离心钢管混凝土构架柱和三角形断面格构式钢梁组成， 梁 柱采用铰接， 纵向设置端撑。构架柱采用薄壁离心钢管混凝土结构， 通常情况下钢管内衬 )*!+, 厚的离心混凝土， 混凝土处于三向应力状态， 较大地提高了柱压弯受力的承载能力， 并提高了人字柱的整体刚度。柱拼接接头采用 内插法焊接连接， 加工制作及现场安装较普通钢管结构困难， 且结构自重大 （比钢管结构增加重量 (“- . /“-） ， 增 加了运输和安装的难度。由于生产厂家较少， 自重大引起的运输成本高， 在运输和吊装过程中易发生管内混凝土 脱落的现象， 现场吊装焊接时， 易发生上下两段柱不同轴， 从而使构架柱在未受力前就存在初始偏心， 且高空焊接 质量不易保证。其整体用钢量较普通钢管结构节省， 但综合造价二者持平甚至高出较普通钢管结构。 （)） 格构式钢结构。该结构体系由矩形断面格构式柱和矩形断面格构式钢梁组成， 梁柱采用铰接。构架柱有 自立式和带端撑式两种， 以自立式使用较多。自立式角钢结构的优点在于其整个结构均由角钢组成， 节点采用螺 栓连接， 构件自重小， 制作、 运输及防腐处理方便， 但由于杆件种类和数量较多， 给现场拼装带来许多不便， 安装周 期较长， 外形不够美观。同时， 自立式角钢结构纵向宽度较大， 为保证跳线的带电距离， 会增加间隔宽度， 增加占 地。 （/） 等截面或变截面高强度多边形钢管结构。该结构由 型等截面或变截面高强度多边形钢管构架柱和单杆 式高强度多边形钢管钢梁组成， 梁柱采用刚接， 纵向不设置端撑。该结构的特点是： 钢材屈服强度高（/!“012） ， 杆 件重量轻， 由于微量元素控制严格， 热浸镀锌质量将得到永久保证， 外观好， 免维护。构件少， 接头制作工厂化， 安 装速度快， 从而减少安装费用。用钢量少， 但生产厂家较很少， 运输成本高， 单价也高， 总体造价仍高于普通钢管结 构。(“( 年 3 月在北京良乡电力建设研究所曾为某变电所做过该种结构型式 !“$% 构架真型试验， 试验结果不太 理想， 其梁柱接头节点设计有待进一步改进。目前， 已有 (“、 !“$% 变电所在做这方面的尝试， 对于 !“、 #!“$% 变 电构架而言， 还有待更多的工程实践检验， 该种结构型式尚需有不断完善成熟的过程。 （!） 宽翼缘工字钢结构。该结构由 型宽翼缘工字钢构架柱和单杆式宽翼缘工字钢钢梁组成， 梁柱采用刚接， 宽翼缘工字钢强轴位于人字柱平面内、 构架平面外， 纵向不设置端撑。这种结构形式多见于国外设计， 国内目前没 有实际工程实践。构架柱一般采用 450)3 （相当于 6()!） 热轧宽翼缘工字钢， 构架梁一般采用 450!“ （相当于 6)/!） 热轧宽翼缘工字钢。该结构柱与柱、 梁与梁的拼接接头类似于一般工业厂房的梁的梁连接， 即两段构件腹板 及翼缘均通过外加节点板用高强螺栓连接的方式， 总体上讲， 接头安装较为复杂， 对加工精度的要求较高， 且宽翼 缘工字钢空间受力特性比面普通钢管差。优点是结构受力明确， 构件少。目前国内热轧宽翼缘工字钢的技术并不 成熟， 若采用焊接宽翼缘工字钢， 则其加工成本偏高。该结构总体造价仍将高于普通钢管结构， 在国内推广尚待时 日。 !“#“$结构分析 变电架构过去一直采用平面计算方法， 近年来随着 !“、 #!“$% 变电站的规划， 对架构进行三维空间计算的要求 越来越多。采用空间分析方法， 使结构受力更接近于其实际受力状态， 从而提高了整个结构的安全 度； 同时可以优 化结构， 有效地节省了钢材， 降低工程造价。传统的平面分析方法， 由于无法精确反映构件的真实受力状态， 造成 某些构件受力不足安全度过于富裕， 而另一些构件接近于满应力甚至超应力工作， 结构安全性很差， 甚至发生重大 事故， 结果造成虽然构件用钢量并不低， 但构架的整体安全度并不高； 而采用空间分析方法时， 由于可以对所有的 构件依照设定的应力控制指标进行满应力设计， 所有的构件的安全度都是接近的， 构架的整体可靠度指标也就等 同于任一构件的可靠度指标。所以空间计算有着非常好的优越性。根据以往的工程经验， 采用空间分析方法较平 )7#&第五编送变电部分 面计算可节省总用钢量 !“#。 $%&其他 （包括防火、 防震、 环境保护等） !“#“$变电所的防火 （!） 变电所内建 （构） 筑物的火灾危险性分类及其耐火等级应符合表 $ & ! “ ! 的规定。 （(） 变电所内各建 （构） 筑物及设备的防火间距不应小于表 $ & ! “ ( 的规定。 表 $ & ! “ !建 （构） 筑物的火灾危险性分类及其耐火等级 建 （构） 筑物名称火灾危险性分类耐火等级 戊二级 戊二级 丙二级 屋内配电装置楼 （室） 单台设备油量 &“)* 以上丙二级 单台设备油量 &“)* 及以下丁二级 屋外配电装置丙二级 油浸变压器室丙一级 有可燃介质的电容器室丙二级 油处理室丙二级 总事故储油池丙一级 检修间丁二级 调相机厂房丁二级 汽车库丁二级 材料间、 工具间 （有可燃物）丙二级 材料棚库戊三级 天桥 下面设置电缆夹层时丙二级 下面不设置电缆夹层时戊二级 锅炉房丁二级 水泵房、 水处理室、 水塔、 水池戊二级 制氢站、 储氢罐甲二级 空气压缩机室 （无润滑油或不喷油）戊二级 注主控制楼、 通信楼当不采取防止电缆着火后延燃的措施时， 火灾危险性应为丙类。 +,-!第五编送变电部分 表 ! “ # “ $ “ % “ & 变电所内建 （构） 筑物及设备的防火间距（） 名称 火灾危险性为丙、 丁、 戊类生产建 （构） 筑物 （一、 二级耐火等级） 生活建筑物 （一、 二级耐火等级） 屋外配 电装置 屋外可燃介 质电容器 总储 火灾危险性为丙、 丁、 戊 类生产建 （构） 筑物 （一、 二 级耐火等级） $%$%$%$% 生活建筑物 （一、 二级耐火 等级） $%#$%$($ 屋外配电装置$%$%$% 屋外可燃介质电容器$%$($% 总事故储油池($%( 注两建筑物相邻， 其较高一边外墙为防火墙时， 防火间距可不限。但两座建筑物门窗之间净距不应小于 (。 （)） 变压器的主要防火措施。 $） &%、 )%、 (%*+ 独立变电所， 单台容量为 $&(%*+, 及以上的主变压器应设置水喷雾灭火系统。当采用该系 统有困难时， 可采用其他灭火设施。 &） 总油量超过 $%*- 的屋内油浸变压器， 应设置单独的变压器室。 )） 油量为 &(%*- 及以上的屋外油浸变压器之间的最小间距见表 ! “ # “ $ “ % “ )。 表 ! “ # “ $ “ % “ ) 油量为 &(%*- 及以上的屋外油浸 变压器之间的最小间距 电压等级.*+)( 及以下 #$%&% 及以上 最小间距.( #/$% 当间距不能满足表 ! “ # “ $ “ % “ ) 要求时应设置防火墙。 （0） 户内配电装置的主要防火措施。 $） 配电装置室应设向外开的防火门， 装弹簧锁， 严禁用门闩。 &） 长度大于 1 的配电装置室应有两个安全出口， 长度大于 #% 时宜增添一个出口。 )） 户内单台油量为 $%*- 以上的电气