110kV變電站電氣設計及其防雷保護

張博

國網延安供電公司 陜西 延安 716000

1 110kV變電站電氣設計與防雷保護的意義

在推進經濟體制走向改革的整個過程中，促進了各種科技的發展。同時，也增加了對電力的需求，對電力供應的安全性和穩定性均提出了更高的標準，促進了能源消費在數年間的快速上升，這與可持續發展的原則背道而馳。變電站的綜合利用，在為社會發展提供安全用電的前提下，節約能耗。作為電網系統中的核心部分，110kV對供電水平有很大的影響。所以，改良變電站原有的電氣設計方案，提高防雷能力，對電網建設及其后續發展均有較大的益處。

2 110kV變電站設計原則及基本要求

對110kV變電站來說，其在電氣設計中涉及多個方面的內容，因而設計者必定要顧及該類因素內在的矛盾，優化變電站本身的某些功能。在推出一項主接線方案時，設計師也應考慮變電站長遠的規劃和自身的實際作用來確定。一般來說，主接線方案在很大程度上會影響變電站實際的規模，與變電站電氣設備、配電設備和繼電保護的選擇密切相關，對電力系統后期的運行安全也有很大影響。在此基礎上，主接線設計人員也應綜合分析對應用效果產生影響的相關因素，確定出備選的主接線方案。要從經濟和技術這兩個角度來選擇最理想的設計方案。

具體而言，主接線方案應堅持各項基本的原則[1]：①肯定變電站對于電力系統的必要性及其功能，然后進行相關設計。如果忽略這一因素，那么電力系統很可能沒有辦法安全地運行。②變電站設定的短期目標和長期計劃。這一因素在很大程度上決定了變電站后期運行的安全性和可靠性，對把控變電站的總體設計方向有深遠的意義，可以優化相關設計方案，從而真正落實方案的內容。③假設備用容量難以滿足變電站日常的需求，那么系統運行也就毫無安全可言。

3 110kV變電站電氣設計

3.1 主接線設計

對變電站主接線進行設計時，先要結合變電站實際的規模大小、功能等基本要素，找到最佳的主接線方案。該方案中，還涵蓋了變壓器的形式、數量和容量。同時，還應考慮變電站設計工作對主接線提出的要求，比較各主接線方案的經濟性，分析各方案的優缺點，然后對方案進行比較，保留技術性最佳的兩個方案[2]。然后，相關人員應當從經濟性和實用價值的雙重視角，選擇出最合適的主接線方案，以便在確定方案的前提下編制出電氣主接線圖。電氣設計中，設備選擇也會對110kV變電站實際的功能產生影響。所以，電氣設備的選型應當要充分考慮運行、維護等這些方面的問題，適應變電站后續和長期發展的需求，并結合變電站的實際運行環境做出選擇。電氣設備同時還需保證在技術和經濟方面的合理性。導線應盡量選擇同一個品種，以減少電力系統中出現多個不同的導線品種。

3.2 主變壓器的合理選擇

110kV變電站中，如何選擇適當的主變壓器是電氣設計的核心部分。在此前提下，相關人員應當充分考慮以下幾方面的設計要素[3]：①要妥善分析電力系統運行中的用電負荷變化，從性能、經濟性等方面來選擇適當的主變壓器；提高電氣工程實際的運行效果，確保其發揮出應有的作用。②主變壓器的選擇應當要和變電站的運行完全一致，使主變壓器能夠更好地適應變電站的運行，保持其在運行中的實用性。此外，電氣設計人員應當認真考慮容量大小等指標，改善主變壓器、系統運行二者的相關性，使其在以后的運行中發揮出最大的功用和價值。③電氣人員應分析變電站的具體需求，明確主變壓器的規格大小、型號和數量，使主變壓器的型號和應用基本適應變電站日常運行的相關需求，保證其功能最大化。④調壓方式的合理選擇。對主變壓器而言，其電壓調節模式一般可分為兩種類型：不帶電切換又叫無勵磁調節，其分接頭并不多。帶點切換，也叫有載調壓，它的電壓調節范圍接近于30%。同時，分接頭能夠在負載條件下自由調節。不過，它的結構十分復雜，售價也很高。出于電壓波動的考量，本設計最后選擇了有載調壓方式。⑤中性點接地設計。根據我國的現狀，110kV及以上系統基本上是采用中性點直接接地。如果該系統中遇到了單相接地故障，其中性點電位幾乎是不會移動的，且地電壓還會保持為零。非故障相對地電壓也會維持恒定，不會升高至線路電壓。此時的繼電保護裝置開始動作，并將接地線予以自動切斷。這種方法可以大大降低因單相接地所致的間歇性電弧過電壓。除上述外，對電網絕緣容量也沒有過多的要求，這就節省了電網的運行成本。所以，本次對高壓側進行設計時，我們選擇了中性點直接接地方式。⑥明確繞組個數及其連接形式。按照相關規定，一旦碰到以下兩種不同的情況，三繞組變壓器將會成為主變壓器最為理想的選擇：當變電站中出現了3個電壓，每側繞組的功率相比變壓器容量要高出15%。低壓側無負荷，但是在變電站內必須也要安裝相應的無功補償設施。本設計的110kV變電站就基本符合上述條件，故主變壓器最終也是選擇三繞組變壓器。為了確保各類變壓器繞組能夠在并聯狀態下運行，在連接時還需確保線路、系統電壓二者一致。繞組連接一般有兩種不同的形式，一是三角形，二是星形。就我國現狀而言，三繞組選擇了下列接線形式：110kV及以上電壓側為yn接線，也就是由中性點直接接地。35kV作為高中壓側，均選擇Y連接。它的中性點未接地或是未利用消弧線圈接地。用作低壓側時，它可以是星形，也可以的三角形。本次設計中，110kV和35kV均是選擇星形接線，而10kV則考慮三角形接線。⑦主變壓器及其冷卻方式。變壓器的冷卻方式因其容量或型號而異。常用的幾種冷卻方式：自然風冷、強制風冷、水（油）循環冷卻等。本文中的主變壓器，均已貫徹節能、環保、綠色的設計理念，已自冷冷卻為主。

3.3 高壓配電裝置的設計

變電站設計中，高壓配電裝置是十分關鍵的組成部分。設計時，應當考慮變電站自身的負荷性質、運行環境及其維護要求，從技術、環保和經濟等層面上選擇靠譜的高壓配電裝置，制定節省資源、不占地過多面積的布局方案。110kV變電站的具體設計中，高壓配電通常會選擇GIS配電裝置。在這種設計模式下，變電站設計必定會對中心城區帶來十分不利的影響。特別是運行期間會產生交大的噪聲污染，對附近居民的生產和生活構成惡劣的影響。面對該種情況，人們大多會將高壓配電分布于室內。假設環境狀況相對良好，也可考慮將其布置在室外。如果室外布局選定了AIS布局方案，則多改為半高位或是普通中型布局，而并非高位布局方案。這是由于，高位布局需要耗費大量的材料、投資成本高、并不環保。

4 110kV變電站的防雷保護

大多數變電站都建在室外。在對110kV變電站構成影響的外部環境中，致命性最大的為雷害事故。雷害事故大多源于下列兩個方面[4]：一是雷電直接擊當地的中變電站，二是雷電擊中輸出線路，同時形成雷電波并侵襲整個變電站。如遇上雷雨天氣，110kV變電站很可能會陷入危險的境地。在雷擊天氣里，變電站將會蒙受巨大的損失，并對周邊線路造成損傷，影響正常的電壓輸出，并使電壓范圍值陷入異常。更有甚者，110kV變電站實際的壽命也將大受折損。正因為這樣，相關人員有必要挑選最理想的防雷措施，對變電站給予專業的防雷保護，避免雷電造成更嚴重的影響。防雷工作中效果最好的方法是在易受雷擊的位置安裝相應的防雷設備。伴隨科技的持續創新，員工今后也會將更先進的智能技術引入至110kV變電站日常的防雷中來。

4.1 防雷保護設備概述

電力系統設置了許多不同的防雷設備，最為基礎的為避雷針、避雷線和直擊雷保護裝置。而直擊雷保護裝置，一般會將閃電引至設備自己的身上，以防止電力系統免受損壞，接入地面。避雷針、電線均可以避免雷電對變電站造成直接的破壞，發揮出防御功能。因此，也叫直擊雷保護。避雷器的功能不同于其他兩種裝置，它可以杜絕沿輸電線路過快地侵入電站。所以，也叫作雷電侵入波防護。

4.2 避雷針的保護原則

安裝原則及對避雷針接地裝置的相關要求：①避雷針建議安裝于單獨的接地裝置。特別是110kV變電站中，其避雷針裝置通常都是分布于變電站架構中，可有效避免雷擊對變電站構成破壞。在構筑物上安裝起來的避雷針，需要和接地網進行直連，接地裝置也要集中地安裝在避雷針附近。部分架構中已配置了避雷針，也可能提出不同的要求，如接地部分，其間隔應當高于絕緣子串原有的長度。不過，在污染相對惡劣的區域，可考慮將這種距離予以縮小。②從避雷針與地下連接點，到接地線和接地網二者的地下連接點，其連接長度不得小于15cm。由于變壓器本身的門型結構和變壓器十分接近，幾乎無法達到大于15cm的這項要求。所以，框架上不得安裝避雷針等相關設備。

4.3 避雷器的保護措施和配置要求

4.3.1 避雷器的保護措施。對110kV變電站而言，其配電裝置基本的保護措施是將氧化鋅避雷器、進線保護段進行結合。配電裝置絕緣、氧化鋅避雷器二者的最大雷電沖擊為10kA，其配合系數也要高于1.4的范圍。此外，進線路保護段的功能在于限制雷擊流量，用以防止雷電波遭到過多的破壞。所以，進線段避雷器本身的絕緣值切勿高于標準的最大值。

4.3.2 避雷器的配置要求。不論是安裝位置還是組數，氧化鋅避雷器均做了較高的要求和說明。配置要求，通常是由變電站、接線方式以及雷電沖擊絕緣水平這幾大因素來決定。避雷器和110kV變電站之間的距離，和雷電季節實際的進線數量之間成正相關。也就是進線數量越多，其允許距離相對也就會越遠。在110kV變電站內還設有斷路器或是隔離開關這些絕緣等級相對較高的元件。從這點分析，其和避雷器的間隔也要適當地擴大。

4.3.3 變壓器的防雷保護。變壓器作為110kV變電站中一種常見而核心的部分，也是防雷保護的重點對象。三繞組變壓器本身的絕緣性不佳，在工作時大多會出現高、中壓繞組，而低壓繞組則會陷入開路的狀態。一旦此時有雷電波，低壓繞組也會陷入過低壓，損壞變壓器的絕緣。為了防止上述事故，有必要在低壓繞組的各個出口處安裝氧化鋅避雷器。對中性點接地系統而言，僅安裝氧化鋅避雷器就行。

5 結束語

當代社會，電力資源是一種重要的需求存在。從近年國內的電力需求分析，其走勢仍在上升階段。該形勢下，對電力安全也有更高和更嚴格的要求。從這個角度來看，電網發展不可避免地會迎來新的難關。110kV變電站原本作為電網系統的構成要件，后續將成為電網優化的重要方向。從設計方面加以優化，提高防雷保護水平，以確保供電穩定性。降壓變電站作為電壓調節一項常規的設施，也是電網系統中的基礎結構。110kV變電站的功能在于調整上下電壓和負責電力配送，在變電站設計期間，應當保障自身的可靠性和安全性。唯有這樣，才能確保正常而持續的供電。電氣設計方面，應堅持靈活性、時效性這兩項基本原則，在防雷保護上習慣選擇增加一種防護層，建造備用變電站。今后，還應探索先進的電力技術，制定科學的設計方案，提高變電站的防雷防護能力。