變電站電氣設(shè)計相關(guān)問題及措施分析

張榮君 何 銳

（1.江蘇謙鴻電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京榮風(fēng)電力設(shè)計有限公司，江蘇 南京 210000）

1 變電站功能以及電氣設(shè)計內(nèi)容概述

1.1 變電站主要功能概述

變電站的功能是轉(zhuǎn)換電源、集中和分配電能、控制和調(diào)節(jié)電能的流動。由于發(fā)電機(jī)的電壓很高，而使用者的電壓很低，所以發(fā)電機(jī)不能直接提供給客戶所需要的電能。此外，為將電力傳輸?shù)礁h(yuǎn)的地區(qū)，一般需要高壓變流器將發(fā)電機(jī)輸出的電力提升到供電區(qū)域。

戶外變電站指的是將變壓器、斷路器等的主要電氣設(shè)備設(shè)置在室外，而儀表、繼電保護(hù)裝置、直流電源以及部分低壓配電裝置則設(shè)置在室內(nèi)。其主要特點是占地面積小、建設(shè)成本低、受環(huán)境影響較大，不適合在化工、建材等周邊大氣污染地區(qū)使用。目前大部分高壓變電站都是戶外變電站。

1.2 變電站電氣設(shè)計內(nèi)容概述

變電站的電氣設(shè)計主要涉及第一座變電站的主接線。

首先，變電站主線負(fù)荷的確定將直接影響其所在地區(qū)的工業(yè)化和用戶的最大容量?？茖W(xué)合理的干線結(jié)構(gòu)可以確保供電的可靠性和連續(xù)性，防止負(fù)荷量大的變電站短路，從而對用戶的供電質(zhì)量造成不良后果[1]。

其次，如何合理地選用主變壓器。電力系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要進(jìn)行選擇，以滿足社會發(fā)展的需要。

最后，如何選用變電站的全套開關(guān)和無功功率。

2 變電站電氣設(shè)計相關(guān)原則

變電站的主線路應(yīng)根據(jù)位置和功能、地理位置、電壓等級、變壓器的數(shù)量和功率、進(jìn)出線等因素綜合確定。雖然城市電力系統(tǒng)的安全性和可靠性非常重要，但由于人口密集，土地資源有限，所以在保證供電可靠性的前提下，應(yīng)盡可能簡化供電。區(qū)間選擇時，要保證區(qū)間不調(diào)整或少調(diào)整，線路不交叉或少交叉，盡量少交叉，保證工作量最小。

首先，根據(jù)當(dāng)前時間間隔，系統(tǒng)專家決定本次新增路段的接入位置。如果線路是一個半斷路器，則應(yīng)將同名回路布置在不同線路上，避免一組中間斷路器發(fā)生故障或維修的情況下，串聯(lián)另一端回路發(fā)生故障，導(dǎo)致串聯(lián)中的兩條回路被切斷；對于同名的特殊線路，可以考慮采用“交替布置”，將其分別連接到各個側(cè)面的匯流排上[2]。

其次，線路專家根據(jù)柜體布置位置和變電站內(nèi)部線路路徑?jīng)Q定新增柜體的位置。如果雙回路的架空出線，則按先后排列，以防線路相交。

最后，根據(jù)以上原則，確定膜片彈簧的位置，將電路的主接線和總接線的設(shè)計方案交給各個部門。系統(tǒng)主專家根據(jù)變電站新增線路負(fù)荷、母線穿越功率和系統(tǒng)阻抗進(jìn)行相關(guān)計算、設(shè)備選型和校驗。

3 工程概況

本工程為鹿城（新）～全福220kV 線路工程，屬于戶外變電站。整個變電站按雙回路建設(shè)：新建架空線路路徑長度約0.45km，新建桿塔3 基（其中角鋼塔1 基，鋼管桿2 基），導(dǎo)線采用2×JL3/G1A-630/45 型高導(dǎo)電率鋼芯鋁絞線，地線采用2 根OPGW-150（72 芯）復(fù)合光纜。蘇州電網(wǎng)位于蘇南電網(wǎng)東部，是江蘇電網(wǎng)重要的負(fù)荷中心。蘇州電網(wǎng)的供電范圍包括張家港、常熟、市區(qū)、太倉、昆山、吳江共6 個縣區(qū)。本工程線路自鹿城（新）變向東架空出線后至規(guī)劃鼓樂路東側(cè)，后轉(zhuǎn)向南跨越清江路、昆嘉路接至原全?！钩请p線#16 塔南側(cè)約180 米處本期新建搭接塔。

4 當(dāng)前變電站電氣設(shè)計中存在的問題

4.1 當(dāng)前變電站電氣設(shè)備選擇

在變電站中，應(yīng)根據(jù)基本要求設(shè)計和選擇與線路相連的設(shè)備的主接線。但在具體方案中，電力主接線要從經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行界定。為了確保變電站的正常運營，必須保證供電線路的可靠性和靈活性，最大限度地減少投資，確保變電站的正常運行。但是，當(dāng)前一些工作人員為了減輕工作難度，直接根據(jù)自己的經(jīng)驗來選擇相應(yīng)的電氣設(shè)備，而不是根據(jù)變電站的實際情況以及周邊居民的用電情況來選擇，這就進(jìn)一步導(dǎo)致了所選擇的電氣設(shè)備不能滿足相應(yīng)的要求，不能及時準(zhǔn)確地為人們提供所需的電能，從而進(jìn)一步降低了人們的生活質(zhì)量。

4.2 主接線方式不科學(xué)合理

在選擇主接線時，應(yīng)根據(jù)單母線、雙母線和旁路的用途進(jìn)行選擇。如果復(fù)數(shù)較大，且35kV～60kV 的勝率大于8，在110kV～220kV 之間，應(yīng)選擇雙母線。如果負(fù)規(guī)少，回路少，宜采用單母線；如果220kV 導(dǎo)線頻率大于4 次，110kV 導(dǎo)線數(shù)目的6 倍，在主接線設(shè)計時 宜適當(dāng)采用旁路。但在實際設(shè)計中，設(shè)計人員無法完全了解變電站周圍的實際情況，導(dǎo)致設(shè)計的主接線方式存在漏洞。

4.3 在計算短路電流時存在誤差

短路是變電站常見的復(fù)雜故障，對電力設(shè)備的正常工作危害極大，甚至可能引發(fā)電力設(shè)備的安全問題[3]。因此，必須提前規(guī)劃好變壓器的主回路，以確保短路電流計算結(jié)果的精確度和合理短路電流曲線的確定。但在實際中，短路電流的計算還是會存在計算誤差，影響后期處理故障的準(zhǔn)確度。

4.4 二次系統(tǒng)設(shè)備與一次設(shè)備連接之間存在問題

電氣二次系統(tǒng)設(shè)備與一次設(shè)備之間的連接問題，在電力工程中經(jīng)常會出現(xiàn)由于線路不正確或連接不正確而造成的嚴(yán)重故障[4]。在一些高壓開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常會出現(xiàn)一個防跳回路，這種防跳回路與計算機(jī)保護(hù)回路之間存在沖突和矛盾。連接后，會有微機(jī)保護(hù)跳位燈和合閘監(jiān)控?zé)粼谕粫r間點亮。

4.5 雷擊問題

從變電站的電網(wǎng)角度來看，由于其所在位置比較特殊，極易受到諸如雷電等外界氣候因素的干擾，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)載增加。當(dāng)負(fù)載超出一定的限度時，很容易燒壞裝置，甚至損壞導(dǎo)線。目前，國內(nèi)第一個變電站防雷工程有很多經(jīng)驗，但也不可避免地會出現(xiàn)一些問題。電力系統(tǒng)耐雷性能差，容易造成損壞。

4.6 裝置接口規(guī)格不匹配

相關(guān)工作人員在完成圖紙審查后，即可開始電氣工程的設(shè)計工作。但如果圖紙上沒有標(biāo)明要采購的設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，那么就會造成設(shè)備的接口不一致。如果設(shè)備的接口不能協(xié)調(diào)好，工程就不可能繼續(xù)施工。但現(xiàn)實中，有關(guān)部門在編制工程投標(biāo)方案的過程中，往往因為整體方案的繁瑣，以及各項目對設(shè)備的技術(shù)規(guī)格缺乏規(guī)范的情況下而進(jìn)行圖紙編制。

5 針對變電站電氣設(shè)計中存在問題的解決措施

5.1 嚴(yán)格按照要求選擇相應(yīng)的電氣設(shè)備

在當(dāng)前變電站電氣設(shè)計過程中，工作人員一定要嚴(yán)格按照相關(guān)要求來選擇相對應(yīng)的電氣設(shè)備。需要綜合考慮變電站周邊的相關(guān)主接線位置、經(jīng)濟(jì)條件以及地理情況、交通情況等來選擇出最佳的電氣設(shè)備，這樣才能保證主接線的穩(wěn)定性，不會受到其他因素的影響，最終能夠穩(wěn)定地給周邊居民提供所需要的電能。當(dāng)前變電站電氣設(shè)計中隔離開關(guān)的具體選擇型號以及相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 隔離開關(guān)的具體選擇型號以及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)表

5.2 保證主接線方式的科學(xué)合理性

變電站規(guī)劃要結(jié)合具體情況，如負(fù)載率、負(fù)荷特性、設(shè)備特性等。變壓器連接線、線路以及內(nèi)橋線都是變電站的高電壓線路。占用空間少，布線清楚，易于連接，使變壓器及電線更易于連接。若因不明原因?qū)е伦儔浩骰驅(qū)Ь€失效，則應(yīng)將已出現(xiàn)的故障暫時停止，使之進(jìn)到其它變壓器的低電壓端，使這臺變壓器的正常工作不會受到干擾，從而可以在檢修過程中減少其它變壓器的工作周期，同時將負(fù)載部件分開重新加工，確保整個設(shè)備的工作質(zhì)量。在變電站中，內(nèi)橋連接是目前最常用的一種方式，連接可以降低內(nèi)部電壓開關(guān)的發(fā)生概率，一旦出現(xiàn)這種情況，只要斷開斷路器的開路，變壓器就會自行斷開，不會對其他電路產(chǎn)生任何干擾。

5.3 保證短路電流計算的準(zhǔn)確性

首先確定電路的設(shè)計要求，繪制電路短路電路圖，并利用其傳輸特性和短路電抗值，得出各階段的短路電流。在最大和最小兩種情況下，計算時會產(chǎn)生不同的運行模式，二次和多次的變壓器在并聯(lián)使用時為最大運行模式，如果要選用和測試符合標(biāo)準(zhǔn)的電器，可以根據(jù)此方法所得到的短路電流曲線進(jìn)行判斷；采用單串運行的變壓器，即最少工作模式，對保護(hù)工作的整定進(jìn)行檢驗，即采用此工作模式所得到的短路電流。

5.4 二次系統(tǒng)設(shè)備與一次設(shè)備連接之間問題的解決措施

本文就二次系統(tǒng)和一次設(shè)備的連接問題，提出了相應(yīng)的解決方案。最關(guān)鍵的是要切斷機(jī)構(gòu)防跳回路，用微機(jī)保護(hù)裝置來完成抗跳閘的作用。在綜合自動化變電所中，主要的電器也是高質(zhì)量的，GIS 的應(yīng)用程度較高，GIS主要節(jié)點的設(shè)計是為了減少接線、提高可靠性、減少不必要的元器件而減少費用。變壓器的絕緣切換在操作中不能使用[5]，當(dāng)檢查變壓器 TV 或野外的耐壓測試時，使用該絕緣開關(guān)將變壓器 TV 和主回路分隔開。

5.5 防雷、接地保護(hù)

對于變電站的電力系統(tǒng)來說，很容易受到雷電、暴雨等惡劣氣候的干擾。由于受雷擊的影響，線路會燒毀，設(shè)備超載。因此，在進(jìn)行避雷設(shè)備的短路防護(hù)時，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。在防雷的設(shè)計中，要結(jié)合防雷設(shè)計，適時運用高壓裝置的接地防護(hù)，控制好電網(wǎng)的電阻，不能大于0.5 歐姆。

此外，要加強(qiáng)對高壓線員工的生命健康的重視。要保證設(shè)備的安全，防止因電壓過高而造成人身傷害，應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)接地，以保證其達(dá)到防護(hù)高度，從而降低觸電的可能性。在接地方面，應(yīng)考慮到扁鋼和圓鋼等材料的正確利用，在地下設(shè)備上，可以利用天然的地線進(jìn)行布設(shè)，而高壓配電間應(yīng)與一塊地面完全相連，以保證外部地線的正常銜接。

5.6 相關(guān)工作人員認(rèn)真完成前期準(zhǔn)備工作

在變電站的一次設(shè)計過程中，有關(guān)設(shè)計人員應(yīng)對前期的準(zhǔn)備工作進(jìn)行全面的研究。在項目建設(shè)開始之前，對有關(guān)部門進(jìn)行全面系統(tǒng)化的調(diào)查研究。對國內(nèi)的設(shè)計法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等都有一定的了解，并將其與實際的工程情況聯(lián)系起來進(jìn)行一次設(shè)計，這樣才能從根源上避免隱患。

另外，在一次設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)今后的發(fā)展需要，綜合各種設(shè)計規(guī)范和文獻(xiàn)要求，對其進(jìn)行專業(yè)化、科學(xué)化、系統(tǒng)化的電氣設(shè)計。

5.7 保證裝置接口規(guī)格的匹配

如果電氣設(shè)備的技術(shù)規(guī)范出現(xiàn)問題，將對智能化變電站的建設(shè)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在實際設(shè)計時，需要對設(shè)備的接口進(jìn)行詳細(xì)的說明，從而大大提高了項目的建設(shè)速度。這樣相關(guān)工作人員可以根據(jù)國家電網(wǎng)的要求來設(shè)計設(shè)備的技術(shù)要求，在投標(biāo)時也可以按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，確保設(shè)備的性能指標(biāo)和設(shè)備的性能完全吻合，從而提高設(shè)備的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

6 結(jié)語

綜上所述，在變電站電氣設(shè)計過程中，設(shè)計人員一定要嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求來選擇相應(yīng)的電氣設(shè)備、裝置接口規(guī)格，準(zhǔn)確計算短路電流值、保證主接線方式的科學(xué)合理性，才能使變電站穩(wěn)定運行，進(jìn)一步提升變電站電氣設(shè)計的技術(shù)水平。更為關(guān)鍵的是，相關(guān)設(shè)計人員一定要在認(rèn)真了解變電站建設(shè)環(huán)境和周邊電能消耗的基礎(chǔ)上以及準(zhǔn)確認(rèn)識變電站在電力系統(tǒng)中的作用，依據(jù)變電站周邊的環(huán)境、內(nèi)部容量、電力系統(tǒng)的可靠度等方面討論和規(guī)劃出相應(yīng)的設(shè)計或最優(yōu)的方案，確保變電站運行的安全與穩(wěn)定。