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南华大学电气工程学院毕业设计110千伏城区变电所设计技术探讨（翻译）摘要 110kV变电所设计是城网建设中较为关键的技术环节，本文根据无人值班变电所要求，对城区110/10kV变电所设计作一些技术探讨。关键词 城区 变电站 设计前言近年来，随着各种新材料、新技术、新装备不断涌现，电气设备的制造技术、产品质量和性能得到了充分的保证，使城区无人值班变电所的建设得到较快的发展，并显示出旺盛的生命力和优越性。目前各城市正在进行的城网改造工作以及无人值班变电所设计规范，对变电所设计工作提出了新的要求，本文就110kV变电所主接线、平面布置、主变参数、无功补偿、中性点接地方式、交直流系统等方面的技术原则作一些论述。1.电网电压及电网结构 变电所的设计与电网结构是密切相关的，因此有必要首先谈一下电网电压及电网结构。根据国家标准，电网的标称电压为送电电压220kV，高压配电电压110（63，35）kV，中压配电电压10（20）kV，低压配电电压380/220伏。选用电压等级时，应尽量避免重复降压，城网电压力求简化，220kV以下输配电网不超过4级电压。根据计算，110/35/10kV供电系统比110/10kV供电系统建设费用和年运行费用均要高8%-10%,因此国内很多城市决定在城区逐步取消35kV电压。当必须保留35kV电网时，可结合城市总体规划在一定区域内（最好是220kV变电所附近）对35kV用户集中供电。城区内原则上不选用110/35/10kV三卷变。苏州工业园区通过论证认为110/20kV供电系统技术上先进，经济上合理，并经上级批准确定采用20kV电压等级，在合理配置供电电压方面作了有益的尝试。根据城网规划，220kV作为主网架将以多电源双环网方式运行，在建设高压环网新增高压配变点的基础上，实现10kV配变“手拉手” 环网供电。110kV变电所作为城市高压配网终端变电所，应尽量简化接线，简化保护配置。在110kV网络上可采用双T接（即二线二变）方式，分别由不同的220kV变电所供电，其中一条线路采用放射形，另一条线路采用双端电源同时作为220kV变电所的联络线。一旦线路或主变故障，通过低压备投将负荷转移至另一条线路，保证对用户不中断供电。220kV变电所失电时可通过空出来的110kV线路送35kV及一部分110kV负荷。 110kV线路截面应与当主变容量相适应，当采用40MVA主变时，110kV线路应选择240MM2架空线或400MM2电缆。2.主变参数2.1主变台数和容量长期以来变电所一般设置二台主变压器，随着城区负荷密度的增加，上海、广州等大城市出现了3台主变设计方式。变电所主变台数应根据供电区域负荷密度而定，城区内110kV供电半径宜取2KM，供电范围为4KM2，当负荷密度为20MW/kM2及以上时，3台主变设计方式是合理的，此时主变利用率为86%，大大减少了变电所布点。事实上，目前中等城市负荷密度一般都在8MW/KM2以下，因此，中等城市除个别繁华地段外变电所宜设二台主变，特大型城市可设三台主变。主变容量选择应与城区负荷密度相适应，并考虑系统短路容量、送出回路数、故障后的转移能力，一般为31.550MVA，变压器短时过载率取1.3，过载时间为2小时。 2.2短路阻抗值 根据城市电力网规划设计导则，各级电网的规划短路容量为: 110k为 20 kA， 10kV为 16 kA 变压器阻抗值的选择，与系统短路容量、变压器额定容量密切相关。据统计，目前110kV电网短路容量距20kA尚有一定的距离，但随着110kV主变容量的不断增大，10kV短路容量已经接近甚至超过了16kA，因此高阻抗变压器开始得到了应用。为控制10kV短路容量在16kA以下，主变容量为31.5MVA及以下时，短路阻抗宜取Uk%=10.5,主变容量为40MVA时，宜取Uk%=12，主变容量为50MVA时，宜取Uk%=15。2.3分接头选择主变分接头应根据电网电压水平选择，根据电力系统电压质量和无功电力管理规定，110kV电源最高电压取110（1+7%）kV，最低电压取110（1-3%）kV，10KV母线电压合格范围为10.0kV10.7kV。高峰时10KV母线上投入无功补偿。为保证10KV母线电压在合格范围内，应采用有载调压变压器。经计算变压器分接范围选择110+10-61.25%/10.5kV能满足调压要求。2.4变压器结线 10kV“手拉手” 环网供电后，相位应保持一致，因此变压器结线应保持一致。目前110/10kV变压器大部分采用Y/结线，有载调压开关装在高压侧。3. 变电所主接线 3.1 110kV线主接线长期以来，110kV变电所高压侧大多采用单母线分段接线，随着电网结构的改善，变电所主接线有逐渐简化的趋势。八十年代起普遍采用桥型接线。进入九十年代，广州供电局率先采用线路变压器组接线，时至今日，线路变压器组已在许多城市推广应用。相比其他主接线，线路变压器组接线简单，投资节约，运行操作方便，适合于无人值班，并切实解决了电磁环网问题。在10kV网络较为完善，主变容量能满足需求时应尽量采用。 110kV侧可不设电压互感器，线路隔离开关的带电闭锁采用“高压带电显示闭锁装置”。当变电所距电源侧较近，经技术经济比较合理时，可不设断路器，主变故障时直接跳电源侧开关。随着变电所三台主变的出现，110kV主接线出现了扩大桥及线路变压器组两种模式。扩大桥接线的好处是每一变电所只需两回进线，适用于输电线路比较紧张的情况，但扩大桥接线复杂，一、二次设备均需增加，高低压均需设置备投装置，因此三台主变应尽量采用线路变压器组接线。3.2 10kV线主接线每台主变带810回出线，采用单母线分段接线。当采用手车柜（中置柜）时，应不设旁路母线。但手车柜(中置柜)对于金加工工艺要求较高,应注意选用质量较好的设备。在10kV环网尚未形成的情况下采用装配式配电装置或采用固定开关柜时可增设旁路母线。4.平面布置变电所总平面必须坚持节约用地、减少建筑面积的原则，布置应紧凑合理，当规划部门没有特别要求时，宜采用半户内（主变在户外）布置，当必须采用全户内布置时，主变室应考虑消防、通风措施。为避免微机保护监控系统与电容器的电磁干扰，二次设备室与电容器室不应垂直布置。一层10kV配电装置采用手车（中置）柜面对面双列布置。二层110kV配电装置目前一般有两种选择，一是GIS（SF6组合电器），二是敞开式电器户内中型布置，选用SF6断路器。对现有变电所来说，建筑面积主要由10kV配电装置决定，因此采用GIS减少的占地面积极其有限。从经济上考虑，装配式配电装置价格低廉，当采用性能可靠的断路器时完全满足运行要求。在无油化方面，电流互感器可采用穿墙套管内置式，干式穿墙套管也已投入生产。因此建议尽量采用装配式配电装置。在经济发达、土地紧张的市中心，从减少维护工作量方面考虑，当技术经济比较合理时也可适当采用GIS。5.无功补偿无功补偿应根据分散补偿和集中补偿相结合原则进行配置，二次侧功率因数应根据用户性质测定。根据电力系统电压质量和无功电力管理规定的要求，在最大负荷时，一次侧不应低于0.95。城市电力网规划设计导则要求，110kV变电所无功补偿一般取主变容量的1/41/6，实际上城区内10kV线路较短，且大部分为电缆网，无功容量较充足，因此以补偿主变损耗为主。变电所无功补偿为主变容量的8%15%即可，当采用高阻抗变压器时需取较大值，投切时，10KV电压波动约为1.5%，满足小于2.5%的要求。6.10kV中性点运行方式长期以来，我国10kV配电网大部分采用中性点不接地方式，它的最大优点是发生单相接地故障时并不中断向用户供电。随着配电网的扩大，电缆线路的增多，电网对地电容电流大幅度上升，直接威胁着电力系统的安全运行。根据交流电气装置的过电压保护和绝缘配合，电容电流超过10A时中性点应改为消弧线圈接地。九三年起为配合变电所无人值班，国内研制了多种自动跟踪消弧线圈补偿装置，其原理大同小异，基本上都在原调匝式消弧线圈的基础上增加控制装置，由于其原理相对简单，可以运行于全补偿状态，工艺要求低，因此目前市场占有率较高，其它还有调隙式、直流偏磁式、调容式等，均由于各种原因难以进入实用状态。顺便说一下，目前有厂家在消弧线圈调谐装置中附加接地检测装置，其原理与出线保护装置中的接地检测装置是一致的，但使用时二次电缆需增加很多，不宜采用。消弧线圈的调节采用微机自动跟踪补偿装置。当主变无中性点引出时，结合变电所的所用电，在10KV母线上设置接地（曲折）变压器。近年来，国内各大城市10kV中性点改用电阻接地的越来越多。采用电阻接地，单相接地故障时动作于跳闸，健全相过电压倍数可限制在2.8倍以下，进一步降低弧光过电压，电网可采用绝缘水平较低的电气设备，提高设备运行条件和提高人身安全。目前中性点电阻值大致有5.77（上海）、10（北京、广州）、16（深圳），电阻值大小取值各有利弊，从各地运行情况来看，都是可行的。但在以架空线为主的电网中应慎用电阻接地。7.过电压保护根据交流电气装置的过电压保护和绝缘配合，变电所应设有防止直接雷和雷电波侵入的过电压保护措施。户内变电所采用屋顶避雷带防直击雷，屋顶避雷带用-404镀锌扁钢或8圆钢，半户内变电所设独立避雷针对主变进行保护。8.接地变电所接地方式以水平接地体为主，辅以垂直接地极，主接地网采用-506镀锌扁钢，布置上尽量利用配电楼以外的空地，深埋接地极。变电所主接地网的接地电阻应不大于0.5欧姆。考虑到微机保护监控系统对接地要求较高，二次设备室及10kV二次电缆沟接地采用254铜排。当110kV采用GIS时，110kV配电装置室也需采用铜排接地。9.防污等级根据高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准，户外电气设备取污秽等级2级，爬电比距2.5CM/kV。对于户内设备，该标准中没有规定，但参照高压开关设备的共用订货技术导则，可取瓷质材料1.8CM/kV，有机材料2.0CM/kV。当户外设备户内安装时，可取2.2CM/kV。10.保护监控无人值班变电所设计与常规变电所最大的不同点在于二次监控设备必须满足现场无人值班要求，目前采用微机保护基本上没有多大疑义了，而监控方式通常有两种模式： A.采用综合自动化系统 B.采用常规二次保护加RTU 。应该说，两者都能满足无人值班的要求，后者结构简单、造价低廉，但采用综合自动化系统技术上更先进，集成化程度更高，更易于做成面向对象的层次结构，从技术上讲是发展方向。随着计算机技术、自动控制技术的不断完善和成熟，综合自动化设备性能日趋稳定，价格逐渐下调，应作为新建变电所的首选系统，而后者可以作为老变电所改造用。采用综合自动化，就应该采用分布式结构（10kV保护装置安装在开关柜上），以充分发挥其功能，减少二次电缆，降低造价，但分布式保护装置应解决配电装置室的散热通风及电磁干扰问题。作为无人值班变电所，所内不宜设置固定的计算机监视设备（后台机），但应设置能与现场维护调试用便携式计算机相适应的硬、软件接口。另外，为了运行维护方便，变电所遥测、遥信、遥控量和当地显示量应按无人值班变电所设计规程进行设置，加以统一化、标准化。11.交流所用电和直流系统 11.1.交流所用电变电所宜设置二台所用变压器，容量为80100KVA。当变电所设置三台主变时分别接入#1、#3主变低压侧母线，设置二台主变时则分别接入其低压侧母线。所用电用中性点直接接地TN系统，额定电压380/220V，采用单母线分段接线。 11.2.直流系统直流电源宜采用一组220V蓄电池，容量应满足全所事故停电2h的放电容量，一般为100AH，单母线接线。蓄电池组宜采用性能可靠、维护量少的蓄电池，如阀控式密封铅酸蓄电池等。直流系统应具有自动调节功能，充电装置实现智能化实时管理，并应设置一套微机直流接地监测装置。12.建筑物变电所所址标高应高于频率为2%洪水位，变电所土建应采用联合建筑并按最终规模一次建成，建筑物的建筑风格、外墙面装修与周围环境相协调，内装修应简化实用。建筑物不宜设通长窗，如城市规划要求或采光需要底层可设置假窗或高窗。变电所的防震、消防、通风应符合国家有关规定。按无人值班要求变电所附房应从简设置，110kV变电所规模为二台主变时建筑面积应控制在700M2(主变放户外)及900M2(主变放户内)，占地面积1600 M2，三台主变时建筑面积应控制在1200M2(主变放户外)及1500M2(主变放户内)，占地面积1900 M2。 13.结论13.1.变电所主接线应力求简化，宜优先采用线路变压器组接线。13.2.中等城市变电所宜设置二台主变，大城市可设置三台主变。 13.3.为保证10KV母线电压在合格范围内，应采用有载调压变压器。13.4.变电所无功补偿宜取主变容量的8%12%，当采用高阻抗变压器时需取较大值。13.5.变电所优先采用半户内布置（主变布置在户外）。13.