氧化鋁廠110 kV開關站技術方案論述

楊 畢

(東北大學設計研究院(有限公司)， 遼寧 沈陽 110166)

1 電氣主接線

氧化鋁廠110 kV開關站的電氣主接線，應根據廠區所在地電網供電條件、全廠總負荷及生產片區分布確定進線和出線回路數，并應滿足供電可靠、運行靈活、操作檢修方便、節約投資和便于擴建等要求[1]。

本文所論述的110 kV開關站電氣主接線如下：110 kV進線為2回進線，進線側設斷路器，采用雙母線分段(在一組母線上設置斷路器)接線方式。110 kV出線4回，10 kV出線34回，采用單母線分段接線方式。電氣主接線如圖1所示：

圖1 電氣主接線簡圖

運行時要求兩路進線電源、四臺主變壓器分列運行。10 kV Ⅰ段，Ⅱ段分列運行，Ⅰ段，Ⅱ段母聯開關斷開；10 kV Ⅲ段，Ⅳ段分列運行，Ⅲ段，Ⅳ段母聯開關斷開。當考慮1#主變檢修，2#主變在1#主變維護期間發生故障或其他情況退出運行，此時允許Ⅱ段, Ⅲ段母聯開關閉合。除此情況外，Ⅱ段, Ⅲ段母聯開關不允許閉合。此方案可以保證在任何兩個主變同時間退出運行時，不影響全廠供電[2]。

2 短路電流計算

在上述電氣主接線配置情況下，考慮1#、2#主變壓器分列運行，主變壓器回路的短路電流計算阻抗如圖2所示，圖中阻抗均已歸算為基準容量為100 MVA的標準值(主變壓器容量取40 MVA，阻抗電壓取10.5%，YN，d11接線組別，調壓范圍115±8×1.25%/10.5 kV)。

圖2 短路計算阻抗圖

經過計算，10 kV母線k1短路點短路電流初始值為19.86 kA。

3 主要電氣設備選擇

3.1 主變壓器

主變壓器的臺數和容量，應根據進線回路數、全廠總負荷和運行方式等條件綜合確定。110 kV開關站內通常設置兩臺或兩臺以上110/10 kV主變壓器，當其中一臺或者兩臺主變壓器發生故障或者檢修時，剩余的主變壓器的容量能保證全部一、二級負荷用電的需求。主變壓器通常采用YN，d11接線組別，中性點直接接地。

3.2 110 kV配電裝置

110 kV配電裝置一般采用SF6氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)。它包括了除變壓器以外的斷路器、主母線、隔離開關、接地開關、電壓互感器、避雷器等一次設備，以間隔的型式經過優化設計有機地組合成一個整體。間隔通常包括主變間隔、母聯間隔、電壓互感器間隔和進線間隔。同時每個GIS間隔還配置有1臺就地匯控柜LCP。LCP是每個間隔里所有設備二次回路的整合，主要起到測量線路上的電壓電流，并在線路故障時保護線路的作用。GIS內部充有一定壓力的SF6氣體，作為其絕緣和斷路器消弧介質，具有安全可靠、耐受力強、可靠的導電性能、渦流損耗小、絕緣可靠等主要特點[3]。110 kV配電裝置和LCP通常布置在GIS室中，室內可設置電動單梁起重機來進行吊裝。

3.3 10 kV高壓開關柜

10 kV總配電所內設置10 kV交流金屬封閉手車式開關柜。柜內采用真空斷路器，主變壓器進線柜、母聯柜內真空斷路器額定電流通常選為3 150 A；饋線柜、消弧線圈柜內真空斷路器額定電流通常選為1 250 A。10 kV母線按分段運行考慮，最大開斷電流40 kA。饋線回路的電流互感器變比大小根據負載容量選擇。同時柜內還設置電壓互感器、接地開關、過電壓保護器、零序電流互感器、帶電顯示器、綜合自動化保護裝置、多功能儀表、小電流選線裝置、在線絕緣監測裝置等。

3.4 消弧線圈

10 kV總配系統采用經消弧線圈接地。當電網發生單相接地故障時，故障點流過電容電流，消弧線圈提供電感電流進行補償，補償后的殘余電流很小，不足以維持電弧，從而達到滅弧的目的。這樣就可使接地故障迅速消除而不至于引起過電壓危險。

消弧線圈的補償容量，可按式(1)計算：

(1)

式中Q—補償容量，kVA；

K—系數，取1.35；

IC—電容電流，A；

UN—系統額定線電壓，kV。

式(1)中IC由電力線路和電力設備兩部分的電容電流組成。10 kV電纜線路的單相接地電容電流按式(2)計算：

(2)

式中S—電纜芯線的標稱截面，mm2；

l—線路長度，km。

有架空地線線路單相接地電容電流按式(3)計算：

IC=3.3UNl×10-3

(3)

110 kV開關站增加的接地電容電流值為10%[4]。

3.5 限流電抗器

由于氧化鋁廠內的10 kV電纜線路末端任意一點短路，易造成10 kV總配母線失壓，致使全廠停電。通過在10 kV總配母線上串聯限流電抗器，在短路故障時仍可使10 kV總配母線的殘壓維持在65%額定值以上，從而保證氧化鋁廠的正常生產運行；可以顯著降低系統短路電流，降低氧化鋁廠電氣設備及線路在短路過程中對動、熱穩定性的防護等級,既可顯著節省投資，還可提高供電系統的安全可靠性。限流電抗器按其后部三相短路時，10 kV主母線殘壓不低于65%的額定電壓來選擇。

按照上述電氣主接線系統，X*1=X*S+X*T=0.014 34+0.262 5=0.277。

電抗器電壓損失Δu%不得大于母線額定電壓的5%，按式(4)驗算。

(4)

式中Ig—正常通過的負荷電流，kA；

φ—負荷功率因數角。

經過驗算，選擇電抗率10%電抗器滿足要求。

3.6 所用變壓器

10 kV總配電所內設置2臺10/0.4 kV所用變壓器，單母線分段接線，每臺變壓器各帶一段母線。負責給站內主變端子箱、模擬屏、檢修電源箱、照明配電箱、空調等低壓負荷供電。

4 電氣設備布置

主變壓器戶外布置，變壓器中性點設備布置在變壓器附近。110 kV、10 kV配電裝置戶內布置。10 kV總配電所采用上中下結構，共分三層，布局緊湊。其中第一層布置消弧線圈及電抗器，第二層為電纜夾層，第三層布置10 kV高壓開關柜、所用變壓器及低壓開關柜、直流屏、綜合保護控制屏、模擬屏、電腦桌、電腦椅等。其中10 kV高壓開關柜、所用變壓器及低壓開關柜、直流屏為單列布置。

5 直流系統

直流屏通常由電池屏、充電屏、直流饋電屏組成，布置在10 kV總配電所三層配電室內。主要負責提供GIS控制電源、GIS直流指示電源、GIS斷路器電源、GIS直流電機電源、屏頂小母線、消弧線圈直流電源、交直流切換屏電源、逆變屏電源、10 kV總配直流儲能、直流控制電源等。直流屏兩路供電電源分別引自所用變低壓配電柜不同母線。

6 綜合自動化保護

變電站綜合自動化保護就是對110 kV和10 kV系統的電流電壓模擬量、脈沖量、開關量以及非電量信號進行采集，經過功能的組合和優化設計，利用當前先進的計算機網絡技術、通信技術、電子技術以及信號處理技術等綜合技術對110 kV和10 kV的主要設備和線路實現自動監控、測量和控制，實現其綜合自動化的功能[5]。

在10 kV總配電所內設置綜合保護控制屏室和主控室。綜合保護控制屏室內通常布置主變保護測控屏、進線保護測控屏、母聯保護測控屏、母差屏、故障錄波屏和通訊屏等。主控室內通常布置模擬屏、電腦桌、電腦椅，控制人員能夠實時監測全廠電力系統運行情況。

7 照明

10 kV總配電所內正常照明由照明配電箱供電，事故照明由交直流切換屏供電。交直流切換屏交直流電源分別取自所用變低壓配電柜和直流屏。配電室、辦公室等室內照明采用熒光燈，事故照明采用節能燈。

8 防雷接地

當110 kV開關站遭受雷擊時，為了避免電氣設備被破壞，保證系統安全可靠運行，需采取防雷接地措施。

8.1 直擊雷保護

依據項目所在地的平均雷暴日，按開關站內各個建筑物的高度及建筑面積確定防雷等級，按確定的等級考慮防雷設計。

110 kV開關站、10 kV總配電所設置避雷針保護，避雷針高度根據站內建筑物高度確定。對于辦公樓等混凝土屋面采用熱鍍鋅扁鋼作為避雷帶保護，在屋面上沿屋角、屋檐和棱角等易受雷擊的部位敷設，并在屋面上組成接閃網格。熱鍍鋅扁鋼與柱內主筋焊接，上部與避雷帶可靠焊接，下部與零平面接地干線焊接后，與室外接地網可靠焊接，組成綜合接地網。

8.2 過電壓保護

為防止線路侵入的雷電波過電壓，在110 kV進線、主變壓器中性點和消弧線圈處裝設避雷器。在所用變壓器進線柜、照明配電箱等處設置浪涌保護器[6]。

8.3 接地

10 kV總配電所接地網以水平接地體為主，并輔以垂直接地極。水平接地體埋深為0.8 m，垂直接地體頂端高出水平接地體0.2 m，接地網的外緣應閉合且各角做成圓弧形，圓弧的半徑不宜小于0.5 m。獨立避雷針接地電阻不大于10 Ω；室外綜合接地網接地電阻不大于0.5 Ω。GIS室應設置與主網相連接的均壓帶。

9 結束語

綜上所述，110 kV開關站是氧化鋁場內的重要組成部分，在設計過程中需要將供電可靠、運行靈活、操作檢修方便、節約投資等因素綜合考慮，這樣的設計方案才能可行，保證將來企業供電安全可靠，順利生產。