220 kV變電站所用電外接電源方案及真空斷路器選型的探討

趙東輝，吳 昕，李功軍

（湖北金盛蘭冶金科技有限公司，湖北 嘉魚 437200）

0 引 言

220 kV變電站是各級地區(qū)重要的電力資源傳輸樞紐，對各領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)營建設(shè)的穩(wěn)定開展具有重要意義。220 kV變電站內(nèi)部由主變冷卻器電源、通信及火災(zāi)預(yù)警裝置等構(gòu)成。為保障電力資源的持續(xù)供應(yīng)，防止大規(guī)模停電情況出現(xiàn)，在原有220 kV變電站電源設(shè)施基礎(chǔ)上，還需增設(shè)用電外接電源設(shè)備，確保220 kV變電站能夠在嚴(yán)重自然災(zāi)害或電力系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)輸?shù)那闆r下也能夠保持正常供電。

1 220 kV變電站用電外接電源改造要求

以某220 kV變電站為例，該站于2008年一次雷擊事件中，內(nèi)部電源嚴(yán)重受損，發(fā)電車因外部原因無法及時(shí)達(dá)到事故現(xiàn)場，導(dǎo)致變電站內(nèi)長時(shí)間停電，不僅嚴(yán)重威脅到變電站及電網(wǎng)的運(yùn)行安全，還導(dǎo)致各用戶蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此為從根本上避免此類問題再度發(fā)生，變電站要求進(jìn)行大規(guī)模用電外接電源的改革，在現(xiàn)有所有用電回路基礎(chǔ)上，增設(shè)保安電源系統(tǒng)，確保電源設(shè)備在各類因素影響下也能夠?qū)崿F(xiàn)正常高效的供電。

目前，該220 kV變電站的用電來源于本站內(nèi)的干式所用變。干式變壓器裝置主要采用熔斷器保護(hù)裝置，內(nèi)部包括低壓空氣斷路器、低壓電力電纜、低壓所用屏、低壓側(cè)母線等設(shè)備[1]。在因各類應(yīng)影響因素而出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷的情況下，需相關(guān)技術(shù)人員拆開進(jìn)線電纜頭，外接移動發(fā)電電源等方式恢復(fù)供電。但在實(shí)際操作中，因此項(xiàng)作業(yè)頻率過低，技術(shù)人員對相關(guān)操作流程與操作內(nèi)容掌握并不熟練，極易在操作期間發(fā)生問題，導(dǎo)致變電站停電時(shí)間進(jìn)一步延長。因此，為確保220 kV變電站能夠?yàn)楦饔脩籼峁┏渥愠掷m(xù)的電力，設(shè)計(jì)用電外接電源方案，增設(shè)用電外接電源裝置，加入戶外高壓交流真空斷路器已成為技術(shù)人員重點(diǎn)研究的對象。

2 高壓交流真空斷路器的理論研討

2.1 高壓交流真空斷路器結(jié)構(gòu)

高壓交流真空斷路器主要由三相真空滅弧室、絕緣拉桿、永磁機(jī)構(gòu)、絕緣子與箱體等結(jié)構(gòu)組成[2]。其中，3個(gè)絕緣子與三相真空滅弧室內(nèi)的靜觸座連接在一起，其他3個(gè)絕緣子與動觸頭連接在一起。永磁機(jī)的頂桿與3個(gè)絕緣拉桿相互連接，絕緣拉桿的另一端與三相真空滅弧室動觸頭連接，并在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中設(shè)有手動分閘裝置、分閘絕緣支架等。

2.2 高壓交流真空斷路器背景

高壓交流真空斷路器以永久磁鐵的分合閘狀態(tài)為運(yùn)行原理。傳統(tǒng)永磁真空斷路裝置主要采用單獨(dú)一個(gè)永磁機(jī)構(gòu)，實(shí)際運(yùn)行期間需要運(yùn)用機(jī)械拐臂來帶動三相滅室運(yùn)行，因此合閘期間的能源消耗量巨大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)行壽命被嚴(yán)重縮短，設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量與可靠性下降，實(shí)際應(yīng)用期間的經(jīng)濟(jì)效益與安全效益無法更好滿足變電站改造需求[3]。因此，為確保變電站用電外接電源改造工作有序開展，相關(guān)工作人員開發(fā)出了戶外高壓交流真空斷路器，以期利用更加精密加工手段，提升戶外高壓交流真空斷路器各項(xiàng)運(yùn)行性能。

2.3 高壓交流真空斷路器特征

高壓交流真空斷路器實(shí)際應(yīng)用架構(gòu)特征主要體現(xiàn)在如下4個(gè)方面：第一，高壓交流真空斷路器內(nèi)部永磁機(jī)構(gòu)內(nèi)部包括動鐵芯、金屬皮、分閘線圈、合閘線圈以及磁軛等結(jié)構(gòu)，動鐵芯沿著移動方向設(shè)有動鐵芯頂桿、金屬皮環(huán)繞在動鐵芯外部[4]；第二，高壓交流真空斷路器內(nèi)部永磁機(jī)構(gòu)還具有分閘彈簧等結(jié)構(gòu)，動鐵芯為筒狀結(jié)構(gòu)，分閘彈簧套在動鐵芯頂桿上；第三，高壓交流真空斷路器內(nèi)部永久磁鐵含有鐵硼材料，可切實(shí)延長設(shè)備實(shí)際運(yùn)行壽命，在變電站用電外接電源設(shè)置過程中發(fā)揮出應(yīng)有的積極作用[5]；第四，高壓交流真空斷路器設(shè)有分閘接近開關(guān)與合閘接近開關(guān)。此種電子感應(yīng)開關(guān)可更好處理振蕩信號，使電源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)能夠得到根本上控制。

2.4 高壓交流真空斷路器應(yīng)用及優(yōu)勢

湖北金盛蘭冶金科技有限公司從2012年建廠至今應(yīng)用了真空斷路器大約800多臺以上，各級220 kV、35 kV、10 kV變電站使用最多的10～35 kV真空斷路器為VN1-40.5E及CVG-12E。包括在220 kV變電站使用COOPER-CES-40.5雙斷口切電容斷路器，該斷路器是為替代傳統(tǒng)六氟化硫方案，CES-40.5電容器投切專用真空斷路器是由庫柏托馬斯-愛迪生研發(fā)中心根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷需求精心研制的新一代專用型開關(guān)設(shè)備，可為500 kV、330 kV、220 kV變電站的35 kV電壓側(cè)無功補(bǔ)償電容器組的投切提供穩(wěn)定可靠的解決方案。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

（1）先進(jìn)的EATON雙斷口真空滅弧技術(shù)；

（2）長壽命，高達(dá)30000次操作循環(huán)；

（3）高達(dá)1500A背靠背電容器組投切能力；

（4）帶有快速分閘功能的雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)；

（5）美國COOPER多年經(jīng)驗(yàn)的戶外固封絕緣技術(shù)，免維護(hù)。

220 kV變電站設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)院依據(jù)系統(tǒng)短路容量需要選用了35 kV的COOPER--VN1-40.5E/3150-40型斷路器，該大電流容量國內(nèi)生產(chǎn)廠家極少，COOPER公司提供類似問題的解決方案，同類型合資品牌產(chǎn)品中性價(jià)比高，使用后安全、穩(wěn)定、維護(hù)方便。

截止目前，此斷路器在湖北金盛蘭鋼鐵項(xiàng)目中已經(jīng)連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行近5年多的時(shí)間。

3 220 kV變電站用電外接電源方案的設(shè)計(jì)

3.1 戶外配變設(shè)計(jì)

在220 kV變電站用電電源外接期間，需運(yùn)用當(dāng)前成熟的配電裝置，如小型歐式箱變等。小型歐式箱變具有結(jié)構(gòu)美觀、占地面積小、各項(xiàng)性能穩(wěn)定等特征，通過進(jìn)入高壓電纜，可更好實(shí)現(xiàn)220 kV變電站戶外配變功能。在歐式箱變內(nèi)部配置31.5 kV配變裝置一臺，附有高壓負(fù)荷開關(guān)以及戶外高壓交流真空斷路器。在箱體進(jìn)線部位增設(shè)過電壓保護(hù)裝置。由于設(shè)備的使用頻率低，因此取消低壓空氣開關(guān)裝置，注重對設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的控制，防止設(shè)備出現(xiàn)受潮或內(nèi)部被污染等情況。

3.2 戶內(nèi)所用屏的改造

在變電站用電外接電源改造過程中，還需對戶內(nèi)所用屏進(jìn)行改造，但應(yīng)遵守少改原則，以維持現(xiàn)狀為主，控制改造成本。對所用屏的相關(guān)回路進(jìn)行必要性改造，如在回路上增設(shè)雙投隔離開關(guān)等。同時(shí)，對低壓柜的各項(xiàng)尺寸規(guī)格進(jìn)行規(guī)范性調(diào)整，替換其內(nèi)部四級雙投隔離開關(guān)，確保電力資源的傳輸穩(wěn)定性。在所用屏的下樁頭設(shè)置連接變電站內(nèi)部低壓電纜裝置，中樁頭通過隔離開關(guān)等裝置連接到下樁頭。嚴(yán)格遵守與220 kV變電站用電外接電源改造工程相關(guān)的各國標(biāo)、行規(guī)等，對所用屏的隔離開關(guān)安裝地點(diǎn)，與保障所用屏隔離開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)操作流程進(jìn)行不斷優(yōu)化與完善，在實(shí)現(xiàn)220 kV變電站用電外接電源改造工作綜合效益最大化基礎(chǔ)上，對雙投隔離開關(guān)進(jìn)行合理設(shè)置。

在出現(xiàn)220 kV變電站用戶外接電源無法正常運(yùn)行或投入切換的情況下，借助高壓戶外真空斷路器及雙投隔離開關(guān)等設(shè)備對備用電源設(shè)置，確保備用電源能夠在220 kV變電站出現(xiàn)供電異常的情況下發(fā)揮出重要作用。

4 提升220 kV變電站用電外接電源設(shè)計(jì)水平具體措施

為切實(shí)提升220 kV變電站用電外接電源設(shè)計(jì)方案的可行性，需結(jié)合變電站運(yùn)行特征與需求，對用電外接電源設(shè)計(jì)內(nèi)部進(jìn)行不斷完善。同時(shí)，加大戶外高壓交流真空斷路器開發(fā)力度，確保其能夠增強(qiáng)備用電源運(yùn)行可靠性，促進(jìn)電力穩(wěn)供。同時(shí)，對用電外接電源改造過程進(jìn)行全程監(jiān)管，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際與方案中存在的差異，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)。細(xì)化方案中關(guān)于戶外高壓交流真空斷路器的應(yīng)用流程與要點(diǎn)，確保相關(guān)技術(shù)人員能夠深刻認(rèn)知其重要性。

5 結(jié) 論

為確保220 kV變電站用電外接電源改造工作順利開展，相關(guān)部門不僅需要積極引進(jìn)先進(jìn)電力系統(tǒng)控制裝置，而且需加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)人員的管理力度，針對戶外高壓交流真空斷路器的運(yùn)行原理、確保戶外高壓交流真空斷路裝置能夠在220 kV變電站用電外接電源的改造過程中發(fā)揮出重要的作用。