中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司 許森科

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，在電力傳遞、電能轉(zhuǎn)換等方面發(fā)揮出重要作用。特別是對于110kV 變電站來說，對于城市建設(shè)有著直接影響。因此，有必要加強變電站電氣一次部分設(shè)計研究，對主接線方式、變壓器、高壓斷路器等設(shè)計環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，不斷提高變電站設(shè)計及系統(tǒng)可靠性，降低電力故障出現(xiàn)概率。本文從實際變電站項目出發(fā)，致力于提高電力系統(tǒng)設(shè)計可靠性，優(yōu)化電網(wǎng)電力調(diào)度效果。

1 項目概況

本項目為110kV 變電站，電壓等級為110kV/10kV，確定3臺80MVA 主變的設(shè)計規(guī)模，以滿足區(qū)域供電需求。本項目設(shè)計主要目的是滿足城市商務(wù)區(qū)供電需求，結(jié)合區(qū)域規(guī)劃方案，預(yù)計遠期負荷在590～620MW 范圍內(nèi)。當(dāng)前，商務(wù)區(qū)內(nèi)已完成2座35kV 變電站的設(shè)計工作，其容量分別為3×20MVA 和2×20MVA，變電站運行供電壓力較大，特別是在夏季用電高峰期，兩臺變電站的最大負載率可高達84%與89%。

根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃，商務(wù)區(qū)內(nèi)正開展一會展項目及其配套設(shè)施建設(shè)工作，設(shè)計面積為139萬m2，隨后還會逐步進行水廠、房產(chǎn)等大容量用戶的建設(shè)工作，其容量均在8～19MVA 范圍內(nèi)，已完成申請的用電報裝容量就達到126MVA。而且，隨著商務(wù)區(qū)開發(fā)建設(shè)的持續(xù)開展，區(qū)域內(nèi)每年增加的新建建筑面積將達50萬m2以上，區(qū)域電力負荷呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，現(xiàn)有的2座35kV 變電站無法滿足區(qū)域供電需求。針對這一問題，商務(wù)區(qū)建設(shè)規(guī)劃提出本項目建設(shè)方案，即在商務(wù)區(qū)南側(cè)新建110kV 變電站，以增加區(qū)域變電容量，滿足區(qū)內(nèi)負荷發(fā)展需求。原有的2座35kV 變電站及新建110kV 變電站在改建前后的電力負荷情況見表1。

表1 2座35kV 變電站及新建110kV 變電站改建前后電力負荷情況

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，本項目（110kV 變電站）于2017年建成后，原有的2座35kV 變電站負載率明顯降低，隨著110kV 變電站持續(xù)投運，其供電負荷逐漸從51MW 增長至當(dāng)前的86MW，負載率從34%增長至57%。

2 110kV 變電站電氣一次設(shè)計內(nèi)容

2.1 主接線方式設(shè)計

2.1.1 設(shè)計原則

本項目110kV 變電站主接線設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：一是經(jīng)濟性原則。在滿足供電需求的基礎(chǔ)上減少高壓側(cè)斷路器數(shù)量，提高電氣一次設(shè)備性價比，解決線路短路問題并減少設(shè)備占地面積。二是靈活性原則。變電站主接線設(shè)計應(yīng)對電力調(diào)度、設(shè)備維修、后期擴建等多方面需求進行考量，靈活調(diào)整電力線路與負荷，有效控制電力線路故障影響。三是可靠性原則。電氣主接線承擔(dān)電能傳輸、分配功能，為滿足區(qū)域供電需求，應(yīng)確保變電站電氣主接線穩(wěn)定性與可靠性，提高110kV 變電站供電質(zhì)量。

2.1.2 設(shè)計內(nèi)容

根據(jù)上述原則，本項目進行主接線方式設(shè)計，以主變低壓側(cè)額定電流4620A 為基礎(chǔ)，分別按1.05倍與1.3倍考慮其過載電流，即為4850A 和6000A。規(guī)格為125mm×10mm 的四拼銅母排在不同溫度條件下的載流量見表2。

表2 不同溫度條件下的四拼銅母排載流量

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，四拼125mm×10mm 銅母排載流量會隨著溫度升高而降低，特別是在夏天高負荷情況下，其運行溫度將持續(xù)升高，其載流量難以滿足運行需求，同時無法和鍍銀雙拼接線板低壓套管實現(xiàn)可靠連接。而且，截面為500mm2的10kV 電纜在40℃下載流量僅為662A，多拼排數(shù)最多為三拼，也無法滿足本工程流量要求。在這樣的情況下，本項目選擇絕緣母線至開關(guān)柜的主接線方式。連接雙拼4000A 絕緣母線與主變套管，到達主變室后再分別連接進線開關(guān)柜。

本項目中，110kV 變電站電氣主接線設(shè)計還要進一步考慮其接線復(fù)雜性，為控制檢驗難度、減少占地面積，工作人員還須進一步對電氣主接線設(shè)計負載、運行、損耗、調(diào)度、經(jīng)濟性等方面進行調(diào)整，進而體現(xiàn)出良好的靈活性與可靠性。

考慮商務(wù)區(qū)規(guī)劃現(xiàn)狀，本項目應(yīng)結(jié)合實際情況對主接線方式進行控制，選擇單母線分段式、雙母線等主接線形式。單母線分段式斷路器連接大多分為三段，若某一段母線出現(xiàn)故障，斷路器可及時進行隔離，確保整體線路運行不受故障影響。而雙母線接線則是通過斷路器與隔離開關(guān)連接，通過分列、并列等接線形式滿足主接線靈活性需求。

2.2 主變壓器設(shè)計

2.2.1 設(shè)計原則

變壓器是110kV 變電站中的關(guān)鍵設(shè)備，與變電站運行安全穩(wěn)定性息息相關(guān)，因此在電氣一次設(shè)計中，應(yīng)重點做好變壓器設(shè)備選型與數(shù)量確定，有效降低變壓器功率損耗[1]。一方面變壓器選型應(yīng)注重其使用的靈活性，例如可通過專用變壓器滿足季節(jié)性負荷容量需求，或通過沖擊負荷專用變壓器應(yīng)對沖擊性負荷。另一方面，為保證110kV 變電站穩(wěn)定運行，應(yīng)合理確定變壓器數(shù)量，通常每一110kV 變電站2臺及以上主變壓器可滿足變電站運轉(zhuǎn)需求。在配置兩臺變壓器的前提下，可作為一臺主用、一臺備用，并對負荷性質(zhì)、供電條件、運行方式等因素進行綜合考量，確保變壓器數(shù)量的合理性。值得注意的是，商務(wù)區(qū)內(nèi)土地資源比較緊張，因此需要控制110kV 變電站變壓器占地面積。

2.2.2 設(shè)計內(nèi)容

本項目中變壓器設(shè)置是在主接線方式基礎(chǔ)上進行，變壓器通過一進三出接線形式與110kV 側(cè)接線連接，10kV 側(cè)單母線出線48回，并進行10kV 電容器安裝。變電站總體設(shè)計規(guī)模為3臺80MVA 主變，第一期建設(shè)為2臺80MVA 主變，10kV 側(cè)單母線出線32回。

在確定設(shè)計規(guī)模與連接方式后，本項目基于智能化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行變壓器選型?？紤]到110kV 變電站電壓等級為110kV/10kV，對多方面影響因素進行綜合分析，確定以下兩方面要點。

首先，若存在單相變壓器需要獨立運行的情況時，需要保證其符合Sjs×（60%～70%）的要求，并通過公式進行計算，其公式表示為：

其中，ST表示的是每臺變壓器的容量，SNT表示的主變壓器的容量，Sjs表示的是全部用電設(shè)備計算負荷，將數(shù)據(jù)代入其中得到數(shù)值為50mVA。

其次，在出現(xiàn)上述情況時，獨立運行的變壓器可滿足一二級負荷的運行需求[2]。公式表示為：

其中，Sjs（Ⅰ+Ⅱ）表示的是全部一級和二級負荷，將數(shù)據(jù)代入其中得到數(shù)值為50mVA。結(jié)合計算結(jié)果及本項目實際要求，選用S9-1000/10型變壓器2臺。

2.3 高壓配電裝置設(shè)計

2.3.1 設(shè)計原則

高壓配電裝置布置方式包括室內(nèi)及室外兩種，其中室內(nèi)裝置布置包括110kV 斷路器、普通電氣裝置以及全封閉電氣設(shè)備。相較之下，前兩種室內(nèi)設(shè)置方法成本投入較高且占地面積較大，后一種布置方法雖然也需要較多的資金支持，但便于維護，適合應(yīng)用在土地資源比較緊張的區(qū)域。室外布置方式則包括中型布置、半高型布置以及高型布置，其中中型布置方式為最常見的布置方式，在進行高壓配電裝置的過程中，需要通過母線線路對110kV 變電站電氣設(shè)備進行連接，具有較高的便捷性與經(jīng)濟性[3]。

對上述兩種方式進行對比，室內(nèi)布置的主要優(yōu)勢在于占地面積小，有利于母線、斷路器、隔離開關(guān)的合理布置，可為后續(xù)運維工作提供便利；而室外布置方式的成本較低，可通過地面支架設(shè)置配電裝置，具有較高的可靠性。在進行電氣一次設(shè)計的過程中，應(yīng)根據(jù)110kV 變電站實際情況及區(qū)域供電需求選擇合理的配電器布置方式。

2.3.2 設(shè)計內(nèi)容

本項目在進行配電裝置設(shè)計的過程中，對商務(wù)區(qū)環(huán)境條件、運維要求以及110kV 變電站負荷性質(zhì)進行綜合分析，進而選擇GIS 配電裝置。考慮到商務(wù)區(qū)新建110kV 變電站環(huán)境要求，工作人員對GIS 組合電器配電裝置進行整體改造，受場地因素影響，選用室外三相共箱式全封閉型組合配電器作為110kV 配電裝置，通過母線雙列布置發(fā)揮其布局優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，還可以選用AIS 配電裝置，通過中型或半高型布置方式進行母線布置。一般情況下，110kV 變電站電氣設(shè)備方案需要對斷路器、電流互感器、隔離開關(guān)的布置進行設(shè)計，對地閃絡(luò)點進行優(yōu)化，以有效提高線路運行的穩(wěn)定性。值得注意的是，在進行接線布置時，可在不進行架構(gòu)的基礎(chǔ)上對母線進行直接連接，以滿足變電站運行要求。

2.4 短路電流計算

根據(jù)110kV 變電站運行要求，本項目選用標(biāo)幺制法對短路電路進行計算。在此基礎(chǔ)上，首先確定Sj=100MVA，Uj=Ujp，Uk%=14.5%。其中Sj表示的是基礎(chǔ)容量，Uj表示的是基準(zhǔn)電壓，Ujp表示的是短路點處的短路計算電壓，Uk%表示的是變壓器短路電抗。根據(jù)上述基準(zhǔn)值可進行計算，其計算步驟包括：一是工作人員以110kV 變電站原始資料為參考，完成電路圖繪制與計算工作；二是完成基準(zhǔn)值Sd、Ud的確定；三是根據(jù)110kV 變電站要求確定元件電抗標(biāo)幺值；四是對電路進行調(diào)整，并進行等效電路圖的繪制；五是對各短路數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)進行計算。在進行短路電流計算的過程中，主要涉及以下公式。

公式（3）為基準(zhǔn)電流計算公式，其中Id表示的是基準(zhǔn)電流；Sd表示的是基準(zhǔn)容量；Ud表示的是基準(zhǔn)電壓；Uc表示的是短路點處的短路計算電壓。

公式（4）為基準(zhǔn)電抗計算公式，其中Xd表示的是基準(zhǔn)電抗。

公式（5）為電源電抗標(biāo)幺值，Sk表示的是系統(tǒng)變電所高壓饋電線出口斷路器的斷流容量，進而可得到電力系統(tǒng)電抗標(biāo)幺值公式：

電力變壓器電抗標(biāo)幺值公式表示為：

公式（7）中，UK%表示的是變壓器的短路電壓（阻抗電壓）百分值；SN表示的是變壓器額定容量。

公式（8）為電力線路電抗標(biāo)幺值，X0L 表示電抗器電抗；根據(jù)化簡電路可得到總電抗標(biāo)幺值，進而得到三相短路電流周期分量有效值，公式表示為：

3 結(jié)語

綜上所述，電氣一次設(shè)計是110kV 變電站有效運行的重要基礎(chǔ)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)從變電站實際情況出發(fā)，對接線方式、變壓器、高壓配電裝置等進行優(yōu)化設(shè)計，明確電氣一次設(shè)計流程及相關(guān)重點，有效優(yōu)化變電站電氣配置，確保110kV 變電站運行與區(qū)域供電需求相適應(yīng)，促進其經(jīng)濟效益與社會效益的提升。