上海電氣輸配電工程成套有限公司 羅呂文

現(xiàn)階段，各國城城市化發(fā)展的速度逐漸加快，人們對生活生產(chǎn)的需求日益提升，從城市供電量的角度考慮，對其提出了越來越高的要求，突出了電力供給與需求之間的矛盾，這致使建設(shè)城市變電站工作顯得十分的重要。220kV 的變電站作為電網(wǎng)體系中最關(guān)鍵的供電節(jié)點，在供電過程中發(fā)揮著不可替代的核心作用?；诖耍ㄔO(shè)城市電網(wǎng)的過程中，應(yīng)重視不斷優(yōu)化與更新220kV變電站，進一步提升變電站的技術(shù)水平和工作成效，滿足社會生活生產(chǎn)的電力需要。

1 220kV 的變電站發(fā)展近況

為推動220kV 的變電站發(fā)展，各國電網(wǎng)公司投入更多的資源用以研究220kV 的變電站，進一步實現(xiàn)電網(wǎng)公司管理經(jīng)營與220kV 的變電站一體化，如圖1所示?，F(xiàn)階段國家已創(chuàng)建環(huán)保、可靠及低碳的智能化設(shè)施，同時產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)實現(xiàn)，最終采用自動化新型控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，220kV 的變電站實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化平臺通信、數(shù)字化信息、標(biāo)準(zhǔn)化共享信息等[1]。就目前來看，各國對環(huán)保提出了越來越高的要求，各國新建220kV 的變電站大多具備很強的適應(yīng)能力，與此同時還具備不燃、無毒、低噪聲、低損耗等優(yōu)點。不過，相比于發(fā)達國家，各國在應(yīng)用220kV 的變壓器上存在一定差距，進而限制了各國220kV 的變電站進一步的發(fā)展[2]。

圖1 220kV 變電站

2 設(shè)計220kV 的變電站的要點

本文以非洲某國220kV 變電站電氣主線設(shè)計為例，是當(dāng)?shù)剌^高電壓等級的變電站，是該地區(qū)重要的中心樞紐變電站，安裝有兩臺100MW 降壓變壓器，負(fù)責(zé)將水電站的發(fā)電送至首都新建20kV 及30kV 配電網(wǎng)進行供電，供電容量約達首都電力供電總量的45%，并與該國220kV 主電網(wǎng)和臨國220kV電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通。電壓有220kV、30kV 和20kV三個等級。220kV 側(cè)出線5回，遠期8回，不允許停電檢修斷路器，選擇具有檢修期長、性能好等優(yōu)勢條件的六氟化硫斷路器，為此選擇采用雙母線接線，不帶旁路，這不僅滿足供電的可靠和調(diào)度靈活要求，還有效減少占地面積。

2.1 設(shè)計電氣主接線

針對電氣主接線設(shè)計來說，變電站最高電壓等級、性質(zhì)等條件是其設(shè)計的主要依據(jù)，在接線方式的選擇上需要考慮變電站的系統(tǒng)地位以及變電站的性質(zhì)作用，確保兩者相適應(yīng)。其作為電力系統(tǒng)接線的重要組成結(jié)構(gòu)，變電站內(nèi)線路、變壓器、無功補償設(shè)備等設(shè)備與電力系統(tǒng)的最佳連接方式均由其表明，同時表明變電站內(nèi)其他電氣設(shè)備之間的最佳連接方式。因此，對于電氣主接線設(shè)計來說，其對電氣設(shè)備的選擇布置、繼電保護裝置設(shè)計等相關(guān)設(shè)計工作有關(guān)鍵影響和重要作用，是變電站規(guī)劃設(shè)計中的重點內(nèi)容和核心技術(shù)。

220kV 的變電站電氣主接線的設(shè)計是依據(jù)電網(wǎng)內(nèi)部的出線數(shù)量、地位、設(shè)備特性、回路數(shù)來明確的，與此同時在進行設(shè)計時值得注意的是控制供電荷載，在符合供電運行可靠性、靈活性和方便操作前提下盡可能保障能源的節(jié)約，與此同時擴大可靠性、靈活性以及經(jīng)濟性等層面的需要[3]。從經(jīng)濟角度出發(fā)，電氣主接線設(shè)計時應(yīng)考慮成本的節(jié)約性、操作的便捷性以及后期維護的便利性，確保電氣主接線設(shè)計具有較強的經(jīng)濟性。在220kV 降壓變電站中，220kV 線路4回及以上主變壓器2組時，一般采用雙母線接線而不帶旁路，當(dāng)少于3回且總元件數(shù)少于5回時，也可用各種橋接線或是線路變壓器組接線。在電氣設(shè)計階段，一次設(shè)備選擇時應(yīng)考慮其接線的穩(wěn)定安全性，確保接線科學(xué)合理，且滿足經(jīng)濟性要求等相關(guān)條件，同時在主接線等相關(guān)設(shè)計工作開展時，都應(yīng)注重設(shè)計方法、設(shè)計技術(shù)等方面的合理規(guī)范性。

220kV 變電站主接線設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)任務(wù)書設(shè)計要求，根據(jù)本區(qū)域及國家電力工業(yè)實際發(fā)展?fàn)顩r，明確220kV 的變電站電壓等級、負(fù)荷回路數(shù)以及容量。詳細研究及分析原始數(shù)據(jù)資料，擬定部分主接線的初步方案。綜上所述，主接線相關(guān)基本要求是：在保證符合供電經(jīng)濟性、靈活性、可靠性、發(fā)展擴建留有空間的基礎(chǔ)上，展開科學(xué)性較強的分析論證，最終才能夠確定主接線的最佳方案。

2.2 選擇與設(shè)計斷路器

220kV 變電器內(nèi)部斷路器屬于電氣設(shè)施，發(fā)揮著控制及保護高壓回路的重要作用，可提高線路及220kV 變電站運行的穩(wěn)定性。從維修及配電成本角度考慮，220kV 的變電站在選擇斷路器時大多考慮同一廠家、型號，這樣做可以盡可能降低備用件類型，并且對日常開展維護和檢修工作較為有利。

220kV 的變電站確定斷路器過程中應(yīng)保障其具備良好動穩(wěn)定性、良好熱穩(wěn)定性、最短分?jǐn)鄷r間、絕緣性、短路較強能力，從而完成220kV 的變電站高效、安全運行這一目標(biāo)[4]。具體實踐過程中，220kV 的變電站通常會選擇六氟化硫斷路器，其具有體積小、壽命長、絕緣性好等優(yōu)勢特點。除此以外，此類斷路器具有較強的滅弧能力，并且容易檢修、維護，從而大大提高供電的可靠性和連續(xù)性。

2.3 電流、電壓互感器的配置

電流互感器不僅需要與電流最大負(fù)荷的熱動穩(wěn)定性以及一次回路的電壓、額定電流要求相符，還需要與二次回路中的自動裝置、保護裝置、測量儀表相關(guān)準(zhǔn)確度要求等相符。電流互感器依據(jù)不同的絕緣介質(zhì)分成許多類型，現(xiàn)階段在電壓各種等級中常見使用的一種類型即是油浸式。

對于電壓互感器的選擇，主要有以下幾點：一是6～20kV 配電裝置。選擇油浸絕緣結(jié)構(gòu)，主要設(shè)置在高壓開關(guān)柜等位置，安裝方式主要對油浸絕緣結(jié)構(gòu)進行澆筑，澆筑材料通常為樹脂。二是35～110kV 配電裝置。選擇油浸絕緣結(jié)構(gòu)電磁式電感互感器。三是220kV 及以上配電裝置。在容量、計量要求等條件符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，選擇電容式電壓互感器，其成本、性能等方面更有優(yōu)勢性，不易發(fā)生電磁諧振問題。選擇電壓互感器還需要滿足相關(guān)的條件（安裝點額定電壓應(yīng)大于一次側(cè)額定電壓）。除此以外，二次接線的方法和電壓互感器選擇的具體類型需要依據(jù)二次負(fù)荷性質(zhì)，以及具體用途來予以相應(yīng)的判斷。

2.4 優(yōu)化接地開關(guān)和接地引下線的設(shè)計

為保證設(shè)備、線路等檢修過程中不對人員造成威脅，同時又能更好地保護設(shè)備、線路等自身結(jié)構(gòu)的安全，在主接線設(shè)計階段應(yīng)合理設(shè)置接地開關(guān)和接地器。一是斷路器兩側(cè)的隔離開關(guān)在斷路器側(cè)應(yīng)設(shè)置接地開關(guān)，作為斷路器檢修時接地用；二是應(yīng)根據(jù)實際情況，將合適數(shù)量的接地開關(guān)設(shè)置在各種接線形式的線路隔離開關(guān)線路側(cè)。同時，針對同塔雙回或多回線路，設(shè)計人員還需對其運行、檢修等不同狀況下的感應(yīng)電流進行計算分析，根據(jù)結(jié)果合理設(shè)置具有滅弧性能的接地開關(guān)。三是主母線可利用母線隔離開關(guān)帶有的接地開關(guān)，或是母線電壓互感器前的隔離開關(guān)設(shè)接地開關(guān)，如通過對母線接地點的計算后，需要時應(yīng)設(shè)專用的接地開關(guān)。

變壓器各側(cè)的隔離開關(guān)在變壓器側(cè)應(yīng)設(shè)接地開關(guān)，作為變壓器檢修時接地用。在變壓器中性點中應(yīng)有兩根接地引下線，將其與不同干線中的主地網(wǎng)進行連接，在設(shè)計時需保證接地引下線滿足熱穩(wěn)定等條件。針對涉及的重要性設(shè)備和設(shè)備結(jié)構(gòu)，則要有兩根與220kV 變電站主接地網(wǎng)不同地點連接的接地引下線， 與此同時還要確保兩根接地引下線滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[5]。

2.5 設(shè)計總平面布置及配電裝置

配電設(shè)置選擇過程中需要充分考慮所處區(qū)域的環(huán)境條件及地理情況，因勢利導(dǎo)，保障土地節(jié)約的同時符合檢修及運行的需要。通過比較經(jīng)濟技術(shù)，配電裝置40kV 及以下適合使用屋內(nèi)型。配電裝置使用管型母線時，應(yīng)采用分裂結(jié)構(gòu)或是單管，固定形式適合使用懸掛式或者支撐式，若地震烈度≥Ⅵ度時，適合使用懸掛式。

設(shè)計總平面布置，具體如下：一是變電站設(shè)備間縮短連接線。設(shè)計時滿足主接線生產(chǎn)運行需求，確保設(shè)備之間具有較強的聯(lián)系性，整體布置合理緊湊，以達到減少能耗、降低電纜敷設(shè)難度的目的，同時還能避免故障及安全事故的發(fā)生。另外，這種布置方式還能便于日常巡視和后期的維護檢修，即便發(fā)生事故也可以在第一時間內(nèi)予以處理，降低事故影響。

二是布置整體思路。為保障大型設(shè)施（例如變壓器）的安裝、檢修及運輸便利，需要盡可能縮小運輸?shù)木嚯x。要求主變壓器及主控制室之間方便交通，主控制室需要處于能夠輕易觀察變電站整體概況的地方，最大限度降低電視設(shè)施和連線管路的干擾及交叉。以保障出線和變線的便利，架空導(dǎo)線交叉得以有效減少。

三是結(jié)合遠近期，保留發(fā)展的余地。設(shè)計布置電氣總平面時需要依據(jù)批準(zhǔn)規(guī)劃的容量展開，同時保留發(fā)展的余地。較小或較大的規(guī)劃容量，都會致使不合理總平面布置的出現(xiàn)，較大容量會導(dǎo)致資源浪費，較小容量則會增加用電負(fù)荷，極易影響生產(chǎn)運行的安全性，引發(fā)嚴(yán)重后果。在電氣總平面布置時，還應(yīng)注重建設(shè)初期的設(shè)計，主要以集中布置方式為主，這樣不僅便于購地分期和擴建，還能有效推動工程后期的正式施工，為其搭建良好的施工條件，做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。

四是合理緊湊布置，保障用地節(jié)約。為提高空間使用效果，充分利用占地面積，應(yīng)選擇集中布局方式合理設(shè)置各個設(shè)備。同時，在用地過程中應(yīng)考慮其性質(zhì)，盡可能選擇荒地、坡地等場地，提高資源利用率。對于狹窄地形條件的工程，能夠?qū)z修間、通信樓、控制樓等相近功能或有一定程度聯(lián)系的建筑物使用多層聯(lián)合的方式進行布置[6]。

五是因勢利導(dǎo)布置。根據(jù)自然地形條件，結(jié)合實際情況，合理選擇配電各級裝置形式和其互相間平面的組合，從而選擇恰當(dāng)?shù)奈恢眠M行布置。以此為基礎(chǔ)，靈活布置站前的建構(gòu)筑物以及附屬設(shè)施。而對于高壓配電裝置等較為重要的建筑構(gòu)物，在條件滿足的情況下應(yīng)沿自然等高線布置，并結(jié)合進站道路等情況，盡量達到土方平衡，同時減少埋設(shè)基礎(chǔ)深度以及深挖高填，以保證現(xiàn)場可正常排水。而針對山區(qū)等特殊地形來說，在設(shè)置前應(yīng)先制定相應(yīng)的預(yù)防措施，避免后期出現(xiàn)塌方等問題影響變電站的安全運行，同時在設(shè)計時也應(yīng)避免將建筑構(gòu)物設(shè)置在山坡附近。另外，對于主變壓器、主控樓及并聯(lián)電抗器等配電裝置，應(yīng)對現(xiàn)場環(huán)境進行提前調(diào)查，排除斷層或地質(zhì)構(gòu)造不均的位置，盡可能將其設(shè)置在地基穩(wěn)定的位置。不僅如此，還需要盡可能保障不對山體本身具備的自然地貌造成破壞，以保障山體平衡，提升布置的安全性。

3 優(yōu)化設(shè)計220kV 的變電站相關(guān)策略

3.1 總平面設(shè)計優(yōu)化策略

遵循“土地節(jié)約、因勢利導(dǎo)”原則，加強關(guān)注220kV 變電站周圍環(huán)境條件，經(jīng)過比較經(jīng)濟技術(shù)，配電采用科學(xué)性、經(jīng)濟性、可靠性好的裝置。在配電裝置中管型母線的使用較為廣泛，這時管型母線應(yīng)選取分裂結(jié)構(gòu)或是單管，同時采取支撐式或懸掛式展開固定，充分保障其合理性及穩(wěn)定性[7]。針對配電裝置屋外設(shè)計，應(yīng)對已存在道路展開合理利用，同時保障不會對正常道路通行產(chǎn)生影響，若路基寬度在5.5m 以內(nèi)，同時道路兩端無法正常通行時，應(yīng)在道路合適區(qū)域設(shè)置錯車道或是環(huán)形道路。除此以外按照標(biāo)準(zhǔn)《變電所總布置設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中所提出的，220kV 的變電所布置總平面應(yīng)全方面依據(jù)現(xiàn)階段使用的各式各樣要求及指標(biāo)，做到減少浪費、持續(xù)創(chuàng)新、因地制宜，針對劣地、荒地和坡地等不適合耕耘的土地區(qū)域展開合理利用，同時做好經(jīng)濟技術(shù)論證相關(guān)工作，進而保障220kV 的變電站有序運行。

3.2 電流及電壓互感器優(yōu)化策略

在大接地短路電流系統(tǒng)的220kV 回路中，應(yīng)按三相式配置電流互感器；小接地短路電源系統(tǒng)一般可按兩相式配置，當(dāng)不能滿足繼電保護靈敏度要求時，方采用三相式電流互感器。在配置保護用電流互感器時，需要保證主保護電流互感器、供線路保護電流互感器其兩部分之間能夠有線連接和相互覆蓋，達到消除保護死區(qū)的要求。在選擇微機保護時，不同保護應(yīng)盡可能選擇共用二次繞組的方式，但一個元件的兩套保護必須使用不同的二次繞組。高一個電壓等級與500kV、400kV 變電站內(nèi)的220kV 母線，變壓器等重要部分，需要采取雙套主保護和雙套后備保護的方式。如220kV 電流互感器包括6個繞組，其中2個供線路和變壓器保護用，2個供母線保護用，1個供失靈保護用，1個供測量和計量用。

主接線方式可直接影響電壓互感器的配置方式，如常規(guī)配置、以變壓器單元配置等，需要根據(jù)具體情況合理做出選擇。所以雙母線接線電壓互感器的配置采用哪種方案，要根據(jù)工程具體情況進行技術(shù)經(jīng)濟比較來確定，隨著數(shù)字化保護和測量儀表的采用，電壓互感器的二次負(fù)荷大幅度下降，小容量的電壓互感器的價格也在下調(diào)，按單元配置雖然電壓互感器的用量多，但節(jié)省了切換裝置，簡化了接線。

3.3 優(yōu)化母線接地相關(guān)策略

在設(shè)計220kV 的變電站過程中，如果變電站支流線路中設(shè)計母線接地出現(xiàn)錯誤，常常會引起故障?；诖耍瑑?yōu)化母線接地相關(guān)問題是較為重要的。一般情況下能夠使用絕緣監(jiān)控檢查系統(tǒng)，保障支流母線成功接地以后，依據(jù)從低到高順序展開判斷和分析，同時嚴(yán)格實施合閘和分別信號，在此之中應(yīng)對由于過長的拉開時間致使電源喪失使用成效予以重點關(guān)注[8]。判斷、檢查和分析絕緣監(jiān)控系統(tǒng)以后，應(yīng)掌控和匯報具體接地回路狀況，與值班人員處理好交接工作，與此同時應(yīng)安排變電站維修專業(yè)工作人員對故障展開處理。

3.4 限制短路電流的相關(guān)策略

在電力系統(tǒng)規(guī)模和容量不斷增加的過程中，其短路水平不斷提高，為了減少短路給電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成的危害，同時也除降低斷路器的斷流容量，一般采取以下措施限制短路電流：一是在電力系統(tǒng)方面為大系統(tǒng)分割、限制變壓器中性點接地數(shù)量、限制使用220kV 自耦變壓器、在系統(tǒng)中設(shè)置若干解列點。二是采用高阻抗變壓器。三是通常會將串聯(lián)電抗器設(shè)置在主變壓器低壓側(cè)，但實際運行過程中，分裂電抗器的作用效果更高于普通電抗器。四是主變壓器低壓側(cè)母線采用分列運行，每臺主變只帶一段母線，為提高供電可靠性，在母線分段斷路器上裝設(shè)備用電源自動投入裝置。在實際應(yīng)用中需再結(jié)合占地面積進行技術(shù)經(jīng)濟的比較。

綜上所述，在人們?nèi)粘Ｉ钆c生產(chǎn)中，220kV的變電站發(fā)揮著不可替代的作用，電網(wǎng)管理和建設(shè)部門應(yīng)從整體上予以把握，側(cè)重于分析及思考電氣的布置、設(shè)備、主接線等層面的優(yōu)化設(shè)計，進而保障220kV 變電站日常高效、正常運行，為社會生活生產(chǎn)提供電力方面的支持。