500 kV標準配送式智能變電站站用電系統優化設計

陳　斌，李海烽，劉蘇琴

（江蘇省電力設計院，江蘇南京211102）

收稿日期：2014-07-30；修回日期：2014-09-23

500 kV標準配送式智能變電站站用電系統優化設計

陳斌，李海烽，劉蘇琴

（江蘇省電力設計院，江蘇南京211102）

針對標準配送式智能變電站的建設特點，對全站的站用系統進行優化設計。合理配置站內照明及動力負荷，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。結合二次設備艙的布置，采用輻射式供電，優化電纜敷設路徑，減小電纜截面，減低施工難度。

標準配送式；智能變電站；站用電負荷；非晶合金變壓器；輻射式供電

站用電系統是變電站的重要組成部分，負責給站內的主變冷卻、照明、檢修等供電，是保證變電站安全、可靠運行的重要環節。標準配送式智能化變電站采用分散布置的二次預制艙代替常規的二次設備室，采用與視頻監控系統相結合的智能照明系統，其站用電系統出現了一些新的特點。結合山西太原南500 kV變電站，對配送式變電站站用電系統進行了優化設計。

1　站用電負荷優化

1.1站用電負荷分析

參照DL/T 5155—2002［1］，根據負荷運行的使用機會多少，站用電負荷可以分為經常類、不經常類負荷。根據負荷每次運行的時間長短，負荷可以分為短時類、連續類、斷續類負荷。計算全站站用電負荷總量時，連續運行及經常短時運行的設備予以計算，不經常短時和不經常斷續的運行設備不予計算。

變電站內的站用電負荷主要包括主變通風冷卻負荷、配電裝置操作負荷、照明負荷、暖通負荷、配電裝置加熱負荷、通信電源負荷、檢修電源負荷、水泵類負荷等。以太原南500 kV無人值守標準配送式智能變電站為例，對站內的主要負荷性質進行分析。該站遠景建設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主變通風冷卻負荷

主變通風冷卻負荷負責給主變冷卻風機供電，該負荷也是站用電負荷中最重要的負荷，需保證連續、可靠的供電。此處考慮遠景4臺主變同時運行，所有風機全開。該負荷屬于經常、連續性負荷。

1.1.2配電裝置操作負荷

配電裝置操作負荷負責給開關設備操作機構供電，提供分合閘所需要的能量，屬于經常、斷續類負荷。為計算開關設備操作所需最大負荷，考慮極端情況下同時動作的斷路器最大臺數。

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線斷路器拒動，此時該主變500 kV進線串內的中間斷路器需跳開，該臺主變對側220 kV主變進線斷路器也需跳開，總共動作1臺220 kV斷路器、6臺500 kV斷路器，所需負荷總量為：

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

220 kV考慮2條母線并列運行，分段開關斷開，1條母線故障，同時母聯斷路器拒動，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，所需的負荷總量為：

式中：P2總為此故障下所需的最大操作負荷；N22為此時動作220 kV斷路器臺數，N22=12。計算可得：P2總為27 kW。變電內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荷非所有斷路器操作負荷的簡單疊加，站用電負荷總量統計時取27 kW。

1.1.3戶內照明

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

1.1.4戶外照明

常規變電站中在戶外設置草坪燈和低位投光燈，用于夜間的照明需求，屬于經常、連續類負荷。無人值班變電站中只有在夜間出現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的照明控制箱開啟戶外燈具。夜間巡視可配合視頻監控系統，在常規照明回路的基礎上增加外部控制回路，實現對戶外照明燈具的遠程控制。根據視頻監控需要開啟相應燈具，作為夜間攝像的光線補償［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常短時負荷，不計入全站站用電負荷總量統計。

收稿日期：2014-07-30；修回日期：2014-09-23

1.1.5暖通負荷

暖通負荷主要指為站內的空調、風機等供電，調節室內的溫度，保證空氣的流通。在無人值班變電站中該負荷則主要是保證二次設備的正常運行，屬于經常、連續類負荷。

1.1.6其他負荷

其他負荷包括配電裝置加熱負荷、檢修電源、通信電源、UPS電源、充電機、交流分電柜、逆變器、雨水泵等。配電裝置加熱電源負責給端子箱、匯控柜加熱裝置供電，在氣溫過低時保持端子箱、匯控柜內的溫度，保證二次設備正常運行，屬于經常、連續類負荷。

檢修電源負責在設備檢修時給電焊機等檢修設備供電，屬于不經常、短時類負荷，不計入全站用電總負荷統計。雨水泵主要用于下雨天排除站內積水，屬于不經常、短時負荷。

通信電源、UPS電源、充電機、逆變器等屬于通信及二次專業的負荷需求，為經常、連續類負荷。

1.2全站站用電負荷統計

經優化分析，全站設置4 m預制艙5個，每個艙內風機負荷2 kW，加熱負荷2.5 kW，照明負荷2 kW；6 m預制艙4個，每個艙內風機負荷2.5 kW，加熱負荷3.5 kW，照明負荷2 kW；9 m預制艙2個，每個艙內風機負荷2.95 kW，加熱負荷5 kW，照明負荷2 kW。全站站交流用電負荷統計見表1。站用變壓器總負荷為：

式中：S為站用變壓器總負荷；P1為站用動力負荷之和；P2為站用電熱負荷之和；P3為站用動力負荷之和。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。

國網通用設計以及常規工程500 kV變電站中站用變壓器容量均為800 kV·A，經過優化后只需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3臺站用變壓器，1號和2號站用變為工作變壓器，0號為備用變壓器。正常情況下全站負荷由工作變壓器供電，備用變壓器處于熱備用狀態，絕大部分時間內處于空載狀態，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傳統硅鋼片，其單位損耗和勵磁特性大大降低，具有損耗低，運行溫度低，性能穩定，使用壽命長，節能環保等特點。雖然初期投資大于傳統變壓器，但由于其損耗低，運營成本低，綜合使用成本低于傳統變壓器［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理念。

表1　站用電負荷統計

3　配電裝置場地供電方式優化

配電裝置場地的斷路器、隔離開關的操作及加熱負荷可采取2種供電方式：（1）采用環形供電網絡，并在環網中間設置刀開關以開環運行。（2）采用輻射供電，各配電裝置場地設置專用配電箱，配電箱電源進線一路運行，一路備用。輻射式供電需要在各場地配置專用配電箱，因此傳統變電站中大多數采用環形供電網絡。隨著變電站規模的擴大，配電裝置面積大大增加，為保證環形供電網絡末端短路時斷路器的靈敏性，需要增大電纜截面，電纜敷設施工極為不方便。

該工程采用分散布置的二次預制艙，配電裝置的用電可由二次預制艙內引出，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種供電方式進行對比。斷路器每相電機負荷取1000 W/220 V，隔離開關、接地開關每相電機負荷150 W/380 V；斷路器加熱負荷640 W/220 V，TV端子箱加熱負荷40 W/220 V。

（1）環形供電。該站遠景共5個完整串，組成2個環形供電網絡。第1、2、3串組成1個環形供電網，第4、5串組成1個環形供電網。其供電如圖1所示。

圖1　環形供電示意圖

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端子箱的加熱負荷，總共所需的負荷為17.7 kW，1、2、3串的環形供電網的長度約為400 m。

式中：P為總的操作負荷；U為額定電壓，U=380 V；I負荷電流；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，電纜載流量Ixu為85.5 A＞30.09 A。

脫扣器靈敏系數校驗需滿足：

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要求。環形供電共需3×50+1×25電纜700 m。

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

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

（2）輻射供電。由每串配電裝置內的二次預制艙的交流分電柜引至場地匯控柜，此時每個回路只需負責給1臺斷路器供電，總負荷約為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。考慮采用輻射供電后匯控柜的電源均來自二次設備艙，二次設備艙負荷增加，站用電柜至二次設備艙的電纜需加粗，會增加部分費用，但綜合造價依然低于環形供電。

輻射供電方式，每個回路只給1個匯控柜供電，而環形供電網絡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　結束語

山西太原南500 kV標準配送式變電站的站用系統優化設計后，簡化了交流負荷回路，減小了站用變容量，站用變容量由常規的800 kV·A減至500 kV·A。針對備用站用變壓器空載運行時間長的特點，備用站用變選用空載損耗低、節能環保的非晶合金變壓器。結合二次預制艙的布置，配電裝置場地的斷路器、隔離開關、匯控柜等負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］華東電力設計院.DL/T 5155—2002 220 kV～500 kV變電所所用電設計技術規程［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計工作。