陳　斌，李海烽，劉蘇琴

（江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102）

收稿日期：2014-07-30；修回日期：2014-09-23

500 kV標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站站用電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

陳斌，李海烽，劉蘇琴

（江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102）

針對標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站的建設(shè)特點，對全站的站用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。合理配置站內(nèi)照明及動力負(fù)荷，減小站用變壓器選用容量，備用站用變壓器選用非晶合金變壓器，降低站用變壓器的投資和損耗。結(jié)合二次設(shè)備艙的布置，采用輻射式供電，優(yōu)化電纜敷設(shè)路徑，減小電纜截面，減低施工難度。

標(biāo)準(zhǔn)配送式；智能變電站；站用電負(fù)荷；非晶合金變壓器；輻射式供電

站用電系統(tǒng)是變電站的重要組成部分，負(fù)責(zé)給站內(nèi)的主變冷卻、照明、檢修等供電，是保證變電站安全、可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)配送式智能化變電站采用分散布置的二次預(yù)制艙代替常規(guī)的二次設(shè)備室，采用與視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的智能照明系統(tǒng)，其站用電系統(tǒng)出現(xiàn)了一些新的特點。結(jié)合山西太原南500 kV變電站，對配送式變電站站用電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

1　站用電負(fù)荷優(yōu)化

1.1站用電負(fù)荷分析

參照DL/T 5155—2002［1］，根據(jù)負(fù)荷運(yùn)行的使用機(jī)會多少，站用電負(fù)荷可以分為經(jīng)常類、不經(jīng)常類負(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷每次運(yùn)行的時間長短，負(fù)荷可以分為短時類、連續(xù)類、斷續(xù)類負(fù)荷。計算全站站用電負(fù)荷總量時，連續(xù)運(yùn)行及經(jīng)常短時運(yùn)行的設(shè)備予以計算，不經(jīng)常短時和不經(jīng)常斷續(xù)的運(yùn)行設(shè)備不予計算。

變電站內(nèi)的站用電負(fù)荷主要包括主變通風(fēng)冷卻負(fù)荷、配電裝置操作負(fù)荷、照明負(fù)荷、暖通負(fù)荷、配電裝置加熱負(fù)荷、通信電源負(fù)荷、檢修電源負(fù)荷、水泵類負(fù)荷等。以太原南500 kV無人值守標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站為例，對站內(nèi)的主要負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行分析。該站遠(yuǎn)景建設(shè)4臺主變，500 kV采用3/2接線，共6回出線；220 kV采用雙母線雙分段接線，共18回出線。

1.1.1主變通風(fēng)冷卻負(fù)荷

主變通風(fēng)冷卻負(fù)荷負(fù)責(zé)給主變冷卻風(fēng)機(jī)供電，該負(fù)荷也是站用電負(fù)荷中最重要的負(fù)荷，需保證連續(xù)、可靠的供電。此處考慮遠(yuǎn)景4臺主變同時運(yùn)行，所有風(fēng)機(jī)全開。該負(fù)荷屬于經(jīng)常、連續(xù)性負(fù)荷。

1.1.2配電裝置操作負(fù)荷

配電裝置操作負(fù)荷負(fù)責(zé)給開關(guān)設(shè)備操作機(jī)構(gòu)供電，提供分合閘所需要的能量，屬于經(jīng)常、斷續(xù)類負(fù)荷。為計算開關(guān)設(shè)備操作所需最大負(fù)荷，考慮極端情況下同時動作的斷路器最大臺數(shù)。

500 kV采用3/2接線，考慮1條500 kV母線故障，同時與該母線相連的主變進(jìn)線斷路器拒動，此時該主變500 kV進(jìn)線串內(nèi)的中間斷路器需跳開，該臺主變對側(cè)220 kV主變進(jìn)線斷路器也需跳開，總共動作1臺220 kV斷路器、6臺500 kV斷路器，所需負(fù)荷總量為：

式中：P1總為此故障下所需的最大操作負(fù)荷，N11為此時動作的500 kV斷路器臺數(shù)，N11=6；N12為動作的220 kV斷路器臺數(shù)，N12=1；P1為1臺500 kV斷路器的操作負(fù)荷，P1=3.3kW；P2為1臺220 kV斷路器的操作負(fù)荷，P2=2.25kW。計算可得：P1總為22.05 kW。

220 kV考慮2條母線并列運(yùn)行，分段開關(guān)斷開，1條母線故障，同時母聯(lián)斷路器拒動，則與該母線相連的所用斷路器均需斷開，總共動作9臺220 kV斷路器，所需的負(fù)荷總量為：

式中：P2總為此故障下所需的最大操作負(fù)荷；N22為此時動作220 kV斷路器臺數(shù)，N22=12。計算可得：P2總為27 kW。變電內(nèi)部所有斷路器同時斷開的可能性基本不存在，配電裝置最大操作負(fù)荷非所有斷路器操作負(fù)荷的簡單疊加，站用電負(fù)荷總量統(tǒng)計時取27 kW。

1.1.3戶內(nèi)照明

該站為無人值班變電站，戶（艙）內(nèi)的燈具一般不會同時全部開啟。在統(tǒng)計全站站用電負(fù)荷總量時，考慮同時工作的戶（艙）照明，戶內(nèi)照明總負(fù)荷乘以一定的修正系數(shù)，此處暫取0.75。

1.1.4戶外照明

常規(guī)變電站中在戶外設(shè)置草坪燈和低位投光燈，用于夜間的照明需求，屬于經(jīng)常、連續(xù)類負(fù)荷。無人值班變電站中只有在夜間出現(xiàn)特殊故障搶修或夜間巡視時，才可能需要戶外照明。夜間故障搶修時可通過站內(nèi)的照明控制箱開啟戶外燈具。夜間巡視可配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在常規(guī)照明回路的基礎(chǔ)上增加外部控制回路，實現(xiàn)對戶外照明燈具的遠(yuǎn)程控制。根據(jù)視頻監(jiān)控需要開啟相應(yīng)燈具，作為夜間攝像的光線補(bǔ)償［2-4］。鑒于無人值守變電站中夜間事故搶修和夜間巡視并非常態(tài)化，且每次戶外燈具開啟的時間也不長，戶外照明可視為不經(jīng)常短時負(fù)荷，不計入全站站用電負(fù)荷總量統(tǒng)計。

收稿日期：2014-07-30；修回日期：2014-09-23

1.1.5暖通負(fù)荷

暖通負(fù)荷主要指為站內(nèi)的空調(diào)、風(fēng)機(jī)等供電，調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度，保證空氣的流通。在無人值班變電站中該負(fù)荷則主要是保證二次設(shè)備的正常運(yùn)行，屬于經(jīng)常、連續(xù)類負(fù)荷。

1.1.6其他負(fù)荷

其他負(fù)荷包括配電裝置加熱負(fù)荷、檢修電源、通信電源、UPS電源、充電機(jī)、交流分電柜、逆變器、雨水泵等。配電裝置加熱電源負(fù)責(zé)給端子箱、匯控柜加熱裝置供電，在氣溫過低時保持端子箱、匯控柜內(nèi)的溫度，保證二次設(shè)備正常運(yùn)行，屬于經(jīng)常、連續(xù)類負(fù)荷。

檢修電源負(fù)責(zé)在設(shè)備檢修時給電焊機(jī)等檢修設(shè)備供電，屬于不經(jīng)常、短時類負(fù)荷，不計入全站用電總負(fù)荷統(tǒng)計。雨水泵主要用于下雨天排除站內(nèi)積水，屬于不經(jīng)常、短時負(fù)荷。

通信電源、UPS電源、充電機(jī)、逆變器等屬于通信及二次專業(yè)的負(fù)荷需求，為經(jīng)常、連續(xù)類負(fù)荷。

1.2全站站用電負(fù)荷統(tǒng)計

經(jīng)優(yōu)化分析，全站設(shè)置4 m預(yù)制艙5個，每個艙內(nèi)風(fēng)機(jī)負(fù)荷2 kW，加熱負(fù)荷2.5 kW，照明負(fù)荷2 kW；6 m預(yù)制艙4個，每個艙內(nèi)風(fēng)機(jī)負(fù)荷2.5 kW，加熱負(fù)荷3.5 kW，照明負(fù)荷2 kW；9 m預(yù)制艙2個，每個艙內(nèi)風(fēng)機(jī)負(fù)荷2.95 kW，加熱負(fù)荷5 kW，照明負(fù)荷2 kW。全站站交流用電負(fù)荷統(tǒng)計見表1。站用變壓器總負(fù)荷為：

式中：S為站用變壓器總負(fù)荷；P1為站用動力負(fù)荷之和；P2為站用電熱負(fù)荷之和；P3為站用動力負(fù)荷之和。計算得：S為458.27 kW。考慮一定的裕度，站用變壓器容量選擇500 kV·A。

國網(wǎng)通用設(shè)計以及常規(guī)工程500 kV變電站中站用變壓器容量均為800 kV·A，經(jīng)過優(yōu)化后只需500 kV·A，減少了投資和造價，降低了能源損耗。

2　站用變壓器的選擇

該站設(shè)3臺站用變壓器，1號和2號站用變?yōu)楣ぷ髯儔浩鳎?號為備用變壓器。正常情況下全站負(fù)荷由工作變壓器供電，備用變壓器處于熱備用狀態(tài)，絕大部分時間內(nèi)處于空載狀態(tài)，推薦采用非晶合金變壓器。

非晶合金變壓器鐵心采用非晶合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅鋼片，其單位損耗和勵磁特性大大降低，具有損耗低，運(yùn)行溫度低，性能穩(wěn)定，使用壽命長，節(jié)能環(huán)保等特點。雖然初期投資大于傳統(tǒng)變壓器，但由于其損耗低，運(yùn)營成本低，綜合使用成本低于傳統(tǒng)變壓器［5-8］。

該工程0號站用變引自站外電源，采用非晶合金箱式變壓器，布置靈活，損耗低，而且符合工程配送式的建設(shè)理念。

表1　站用電負(fù)荷統(tǒng)計

3　配電裝置場地供電方式優(yōu)化

配電裝置場地的斷路器、隔離開關(guān)的操作及加熱負(fù)荷可采取2種供電方式：（1）采用環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，并在環(huán)網(wǎng)中間設(shè)置刀開關(guān)以開環(huán)運(yùn)行。（2）采用輻射供電，各配電裝置場地設(shè)置專用配電箱，配電箱電源進(jìn)線一路運(yùn)行，一路備用。輻射式供電需要在各場地配置專用配電箱，因此傳統(tǒng)變電站中大多數(shù)采用環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)。隨著變電站規(guī)模的擴(kuò)大，配電裝置面積大大增加，為保證環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)末端短路時斷路器的靈敏性，需要增大電纜截面，電纜敷設(shè)施工極為不方便。

該工程采用分散布置的二次預(yù)制艙，配電裝置的用電可由二次預(yù)制艙內(nèi)引出，不需要采用專用配電箱，適合采用輻射供電方式。

以500 kV配電裝置場地為例，對2種供電方式進(jìn)行對比。斷路器每相電機(jī)負(fù)荷取1000 W/220 V，隔離開關(guān)、接地開關(guān)每相電機(jī)負(fù)荷150 W/380 V；斷路器加熱負(fù)荷640 W/220 V，TV端子箱加熱負(fù)荷40 W/220 V。

（1）環(huán)形供電。該站遠(yuǎn)景共5個完整串，組成2個環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)。第1、2、3串組成1個環(huán)形供電網(wǎng)，第4、5串組成1個環(huán)形供電網(wǎng)。其供電如圖1所示。

圖1　環(huán)形供電示意圖

考慮1條母線故障時，跳開與此母線相連的3臺斷路器。再考慮斷路器及PT端子箱的加熱負(fù)荷，總共所需的負(fù)荷為17.7 kW，1、2、3串的環(huán)形供電網(wǎng)的長度約為400 m。

式中：P為總的操作負(fù)荷；U為額定電壓，U=380 V；I負(fù)荷電流；L為電纜長度，L=400 m；S為電纜截面積。由式（4）、式（5）計算得：S=33.88 mm2。選擇電纜3×35+1× 16，考慮0.75的校正系數(shù)，電纜載流量Ixu為85.5 A＞30.09 A。

脫扣器靈敏系數(shù)校驗需滿足：

式中：Id為電纜的末端短路電流；Iz為過電流脫扣器整定值。選擇斷路器額定電流Ie=32 A，Iz=5Ie，Iz=160 A。熱脫扣器：Iz=3Ie時，6 s跳，查表得到末端短路時，Id為232 A，此時Id＜1.5Iz，脫扣器靈敏性系數(shù)無法滿足，即末端短路時斷路器可能不動作，無法斷開短路回路。

增大電纜截面，選擇3×50+1×25電纜，末端短路電流Id=356 A＞1.5Iz，滿足脫扣器靈敏性系數(shù)要求。環(huán)形供電共需3×50+1×25電纜700 m。

由上述計算過程可以看出，隨著負(fù)荷和電纜長度的增加，為保證脫扣器靈敏性系數(shù)，需增加電纜截面。

若全站500 kV配電裝置場地采用1個環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，電纜截面需采用3×95+1×50，如此大截面的電纜敷設(shè)施工難度極大。

（2）輻射供電。由每串配電裝置內(nèi)的二次預(yù)制艙的交流分電柜引至場地匯控柜，此時每個回路只需負(fù)責(zé)給1臺斷路器供電，總負(fù)荷約為5.37 kW，最大供電長度取60 m。由式（4—6）計算可知，電纜截面僅需選擇3×16+1×10電纜，長度為10到60 m不等，共需1200 m。其供電如圖2所示。

雖然輻射供電電纜長度增加，但電纜截面減小，施工方便?？紤]采用輻射供電后匯控柜的電源均來自二次設(shè)備艙，二次設(shè)備艙負(fù)荷增加，站用電柜至二次設(shè)備艙的電纜需加粗，會增加部分費(fèi)用，但綜合造價依然低于環(huán)形供電。

輻射供電方式，每個回路只給1個匯控柜供電，而環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)中串接了多個匯控柜，供電可靠性不如輻射供電。

圖2　輻射供電示意圖

4　結(jié)束語

山西太原南500 kV標(biāo)準(zhǔn)配送式變電站的站用系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計后，簡化了交流負(fù)荷回路，減小了站用變?nèi)萘?，站用變?nèi)萘坑沙Ｒ?guī)的800 kV·A減至500 kV·A。針對備用站用變壓器空載運(yùn)行時間長的特點，備用站用變選用空載損耗低、節(jié)能環(huán)保的非晶合金變壓器。結(jié)合二次預(yù)制艙的布置，配電裝置場地的斷路器、隔離開關(guān)、匯控柜等負(fù)荷采用輻射供電方式，較大程度地減小電纜截面和工程造價，降低了施工難度。

［1］華東電力設(shè)計院.DL/T 5155—2002 220 kV～500 kV變電所所用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2002.

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The Optimization Design of Station Power System in 500 kV Standard Distribution-mode Smart Substation

CHEN Bin，LI Haifeng，LIU Suqin
（Jiangsu Electric Power Design Institute，Nanjing 211102，China）

According to the characteristics of 500 kV standard distribution-mode smart substation，an optimization design of station power system is proposed.The optimization design includes reasonable allocating the lighting and power load，decreasing the capability of the station transformer，selecting amorphous alloy backup transformer，and decreasing the investment on station transformer.Combining with the re-configuration of the secondary-equipment-chamber，a radiant system is design to reduce the section area of cable and the difficulty of construction.

standard distribution-mode；smart substation；station power；amorphous alloy station transformer，radiant system

TM63

A

1009-0665（2015）01-0030-03

陳斌（1986），男，湖北黃岡人，工程師，從事輸變電工程電氣設(shè)計工作；

李海峰（1975），男，江蘇南京人，高級工程師，從事輸變電工程電氣設(shè)計工作；

劉蘇琴（1980），女，江蘇南京人，高級工程師，從事輸變電工程電氣設(shè)計工作。