銅冶煉企業(yè)66 kV 變電站擴(kuò)建設(shè)計(jì)探討

朱世薇

(謙比希銅冶煉有限公司動(dòng)力分廠,贊比亞卡魯魯西)

0 引言

位于非洲贊比亞某中國粗銅冶煉企業(yè),始建于2006 年,2009 年2 月份投產(chǎn)。一期設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15 萬噸,隨著不斷擴(kuò)大產(chǎn)能,到2017 年,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)25 萬噸。該企業(yè)設(shè)置一座66 kV/10 kV 降壓變電所。一期設(shè)計(jì)兩臺(tái)40 000 kVA 變壓器,運(yùn)行方式為分列運(yùn)行,一臺(tái)變壓器出現(xiàn)故障退出運(yùn)行時(shí),另一臺(tái)變壓器可滿足全公司正常運(yùn)行的用電需求。生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大后,全廠用電負(fù)荷需求由2009 年的18 000 kVA 增至2017 年53 000 kVA,新增負(fù)荷35 000 kVA。一旦任意一臺(tái)主變壓器出現(xiàn)故障,另一臺(tái)變壓器將超負(fù)荷運(yùn)行,存在極大風(fēng)險(xiǎn);另一方面,企業(yè)將面臨長時(shí)間低負(fù)荷生產(chǎn),造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。增加一臺(tái)變壓器,形成兩用一備供電模式,確保生產(chǎn)長期穩(wěn)定進(jìn)行,是該企業(yè)較為迫切的需求。

1 66 kV/10 kV 變電站概況

1.1 66 kV 接線方式

66 kV 變電所電壓等級(jí)為66 kV/10 kV,兩回路66 kV 電源引自贊比亞ZESCO 供電公司330/66 kV變電所。配置2 臺(tái)主變壓器MT1 和MT2,每臺(tái)容量為40 000 kVA,三相兩卷變壓器。66 kV 主接線采用單母線分段接線方式。66 kV 變電站系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 一期66 kV 變電站系統(tǒng)原理圖

1.2 10 kV 供電及接線方式

66 kV/1 0kV 變電所設(shè)置一座10 kV 配電室,采用單母線分段結(jié)線,正常情況下母線分段運(yùn)行。10 kV配電所內(nèi)配電裝置采用內(nèi)裝真空斷路器的KYN28A-12 鎧裝式開關(guān)柜。所內(nèi)包括若干臺(tái)饋線柜、2 臺(tái)PT 柜、2 臺(tái)所用變、1 臺(tái)母聯(lián)柜、1臺(tái)隔離柜,分別為全公司10 kV 配電所提供進(jìn)線電源。

1.3 變壓器配置

變壓器配置如表1 所示。

表1 66 kV/10 kV 變壓器主要參數(shù)表

1.4 二次設(shè)備配置

變電站二次設(shè)備配置表如表2 所示。

表2 變電站二次設(shè)備配置表

2 擴(kuò)建設(shè)計(jì)

2.1 變電站擴(kuò)建總體布置方案

本次擴(kuò)建設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于,在原有場地和建筑基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建,空間受限;根據(jù)公司生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃,66 kV 側(cè)擴(kuò)建部分與原有線路停電搭接時(shí)間僅為五天,施工難度非常大。設(shè)計(jì)方案安全可靠、維修方便、節(jié)約投資是關(guān)鍵。

經(jīng)現(xiàn)場踏勘,在現(xiàn)有開關(guān)場向南擴(kuò)建14 m,新增一臺(tái)66/10 kV 40 MVA 電力變壓器(與MT1 和MT2 完全相同)作為備用,變壓器輸入端與66 kV 母線連接;輸出端與10 kV 母線連接。

2.2 變電站擴(kuò)建主回路設(shè)計(jì)方案

2.2.1 66 kV 側(cè)設(shè)計(jì)方案

通過兩臺(tái)隔離開關(guān)輸入側(cè)分別與66 kV Ⅰ、Ⅱ段母線連接,輸出側(cè)連接至同一臺(tái)SF6 斷路器,理論上可方便快捷地實(shí)現(xiàn)MT3 變壓器與66 kV Ⅰ段或Ⅱ段母線連接,但是受到66 kV 開關(guān)場空間和場地限制,無法滿足66 kV 架空線路引下線至隔離開關(guān)、隔離開關(guān)至66 kV 斷路器之間連接線相間最小安全距離(1.6 m)要求。因此,考慮空間限制、投入成本和安全運(yùn)行等因素,MT3 變壓器只能與66 kVⅠ段母線連接,電氣條件圖如圖2 所示,剖面圖如圖3 所示。

圖2 變電站擴(kuò)建電氣條件圖

圖3 擴(kuò)建間隔剖面圖

擴(kuò)建后,通過各斷路器投切,可實(shí)現(xiàn)MT1、MT2、MT3 三臺(tái)主變壓器不同運(yùn)行模式,變壓器運(yùn)行模式分析如表3 所示。

表3 變壓器運(yùn)行模式分析表

2.2.2 10 kV 側(cè)設(shè)計(jì)方案

原10 kV 配電室南側(cè)出線位置,擴(kuò)建10 kV 配電室。配電室內(nèi)包括1 臺(tái)10 kV 進(jìn)線斷路器、1 臺(tái)PT 柜、2 臺(tái)聯(lián)絡(luò)柜、2 臺(tái)備用柜。MT3 變壓器10 kV側(cè)出線與新建配電室進(jìn)線開關(guān)連接;新增10 kV 側(cè)母線2 個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)和管形母線分別于原10 kV 配電室Ⅰ、Ⅱ兩段母線連接。通過2 個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)柜+AH301 和+AH302 的投切,實(shí)現(xiàn)MT3 變壓器對(duì)10 kV 側(cè)Ⅰ段母線和Ⅱ段母線供電。10 kV 側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2 所示,10 kV 主接線布置圖如圖3所示。

10 kV 進(jìn)線斷路器、兩臺(tái)聯(lián)絡(luò)斷路器各電氣參數(shù)相同,額定頻率50 Hz,額定電流3150 A,短時(shí)耐受電流31.5 kA(有效值),額定動(dòng)穩(wěn)定電流63 kA(峰值)。

10 kV 聯(lián)絡(luò)母線選用管形母線為復(fù)合屏蔽絕緣銅管母線,銅管母線規(guī)格為Φ80×8。管形母線載流量、動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定校驗(yàn)計(jì)算如下所示。

1)載流量計(jì)算

銅管截面積為:A=3.14× (80/2)2-3.14×((80-8)/2)2=1 808.64 mm2。

管形母線最大持續(xù)工作電流計(jì)算過程見式(1)。

式中:I為持續(xù)工作電流,A;S為管形母線截面,mm;J為經(jīng)濟(jì)電流密度,0.55 A/mm[1]。

結(jié)論:最大持續(xù)工作電流為3 288.43 A ＞3 150 A(進(jìn)線斷路器額定電流),管形母線截面積滿足要求。

2)動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)

動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算過程見式(2)～(3)。

式中:M為短路狀態(tài)母線承受最大彎矩,Nm;σ為短路狀態(tài)母線承受最大應(yīng)力,取13 720 N/cm2[2];W為截面系數(shù),取圓環(huán)形狀計(jì)算公式49.8[3]。

式中:F為短路狀態(tài)電動(dòng)力,kg/m;L為管形母線最大跨距,4 m;=6 864.76。

開方之后得到,Ish=82.85 kA ＞63 kA(斷路器額定動(dòng)穩(wěn)定電流)。

式中:Ish為三相短路峰值電流,kA;α為管形母線相間距離,27.5 cm;β為管形母線振動(dòng)系數(shù),0.58[4]。

結(jié)論:管形母線跨距滿足要求。

3)熱穩(wěn)定校驗(yàn)計(jì)算

根據(jù)10 kV 進(jìn)線斷路器短時(shí)耐受電流,計(jì)算銅母線最小截面積,計(jì)算過程見式(4)。

式中:S為按短時(shí)耐受電流計(jì)算母排最小截面積,mm2;I為短時(shí)耐受電流,31.5 kA;K為乙丙橡膠為絕緣材料導(dǎo)體的熱穩(wěn)定計(jì)算系數(shù),143;t為持續(xù)時(shí)間,4 s。

根據(jù)以上計(jì)算可知,本設(shè)計(jì)方案采用的銅管形母線截面積、機(jī)械應(yīng)力、跨距滿足使用要求。

2.3 二次設(shè)備配置方案

2.3.1 電壓互感器和電流互感器

本次擴(kuò)建方案中,由于66 kV 主接線僅將Ⅰ、Ⅱ段母線延長,并未新增獨(dú)立母線段,故未配置66 kV 側(cè)電壓互感器,沿用原有電壓互感器信號(hào);66 kV 側(cè)電流互感器、10 kV 側(cè)電壓互感器、10 kV 側(cè)進(jìn)線斷路器回路、聯(lián)絡(luò)斷路器回路電流互感器采用與一期10 kV 進(jìn)線斷路器回路電流互感器相同型號(hào)和參數(shù)的設(shè)備。

2.3.2 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

擴(kuò)建設(shè)計(jì)配置變壓器綜合保護(hù)系統(tǒng)、10 kV 開關(guān)柜綜合保護(hù)裝置等設(shè)備的控制信號(hào)、測量信號(hào)、通訊信號(hào)等通過以太網(wǎng)通訊,引入原有自動(dòng)化后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3.3 直流操作電源

變電站原有直流系統(tǒng)容量為200 Ah,完全滿足擴(kuò)建1 套66 kV 高壓斷路器、2 臺(tái)66 kV 隔離開關(guān)、6臺(tái)10 kV 開關(guān)柜及2 臺(tái)繼電保護(hù)屏用電需求。

2.3.4 變壓器保護(hù)配置

2.3.4.1 擴(kuò)建66 kV/10 kV 變壓器保護(hù)配置原則

1)瓦斯保護(hù)用于反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部各種故障和油面下降。瓦斯保護(hù)分為重瓦斯保護(hù)和輕瓦斯保護(hù),重瓦斯保護(hù)動(dòng)作于跳閘,輕瓦斯只動(dòng)作于信號(hào)。

2)為保護(hù)變壓器的引線、套管以及內(nèi)部的各種短路故障,應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)應(yīng)瞬時(shí)動(dòng)作并跳開變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)斷路器。

3)為保護(hù)變壓器外部相間短路引起的過電流,并作為變壓器內(nèi)部相間短路故障的后備,裝設(shè)高壓側(cè)后備保護(hù)和低壓側(cè)后備保護(hù)。

4)本降壓站變壓器,裝設(shè)下列輔助保護(hù):①冷卻系統(tǒng)故障、油溫升高超過允許值時(shí),動(dòng)作于信號(hào)或跳閘;②變壓器繞組溫度過高,超過允許值時(shí),動(dòng)作于信號(hào)或跳閘;③變壓器油箱及本體的壓力釋放裝置動(dòng)作,動(dòng)作于信號(hào)或跳閘。

2.3.4.2 瓦斯保護(hù)

本變電站配置有變壓器本體及有載調(diào)壓開關(guān)瓦斯保護(hù),分重瓦斯和輕瓦斯保護(hù)。選用NSR699RFD01 主變操作及非電量保護(hù)裝置,該裝置有四路非電量跳閘開入,分別定義為本體重瓦斯開入、有載重瓦斯開入、壓力釋放開入、冷控失電開入,裝置收到上述信號(hào)后直接啟動(dòng)信號(hào)繼電器發(fā)信,同時(shí)經(jīng)過外部壓板啟動(dòng)跳閘重動(dòng)繼電器,由該重動(dòng)繼電器直接跳閘并發(fā)事故信號(hào)。

圖4 10 kV 側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

圖5 10 kV 主接線布置圖

2.3.4.3 變壓器的差動(dòng)保護(hù)

1)差動(dòng)電流速斷部分

在縱差動(dòng)保護(hù)中,設(shè)置差動(dòng)電流速斷是為了檢測在差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大的故障電流。當(dāng)檢測到大的故障電流時(shí),保護(hù)立即動(dòng)作,使得在可能出現(xiàn)的電流互感器飽和前,保護(hù)動(dòng)作于跳閘,防止因電流互感器在大故障電流時(shí)飽和使保護(hù)拒動(dòng)。差動(dòng)電流速斷的動(dòng)作電流按躲過變壓器的勵(lì)磁涌流和外部故障時(shí)可能出現(xiàn)的最大不平衡電流來整定。可按額定電流的4～5 倍整定。差動(dòng)電流速斷的動(dòng)作時(shí)間不應(yīng)大于20 ms。

2)比率制動(dòng)部分

比率制動(dòng)部分是為提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏性而設(shè)置的。此部分的動(dòng)作電流隨著外部穿越性短路電流的增大而自動(dòng)增大。在制動(dòng)電流小于或等于變壓器額定電流的1.2～1.5 倍時(shí),繼電器沒有制動(dòng)作用,此時(shí)差動(dòng)繼電器的最小動(dòng)作電流可整定為變壓器額定電流的20%～50%。這就可以保證在內(nèi)部故障、短路電流較小時(shí),差動(dòng)保護(hù)還能有足夠的靈敏度。

在內(nèi)部故障,短路電流較大時(shí),雖然也有制動(dòng)作用,但通過適當(dāng)選取制動(dòng)系數(shù),可以做到在有制動(dòng)的情況下,也能保證所需的靈敏度。在外部故障時(shí),短路電流全部為制動(dòng)電流,提高保護(hù)的動(dòng)作值,而差動(dòng)回路的電流只是不平衡電流,可保證差動(dòng)保護(hù)可靠,不會(huì)動(dòng)作。

本降壓站新擴(kuò)建 3#變壓器采用的是NSR691RF-D00-E 主變差動(dòng)保護(hù)裝置,其配置見圖6和差動(dòng)保護(hù)邏輯如圖7 所示。

圖6 差動(dòng)保護(hù)配置圖

圖7 差動(dòng)保護(hù)控制邏輯圖

2.4.3.4 變壓器的后備保護(hù)

本站變壓器設(shè)置有變壓器的高壓(66 kV)側(cè)后備保護(hù)和低壓(10 kV) 側(cè)后備保護(hù)。選用的是NSR692RF-D01-E 主變高后備保護(hù)裝置和NSR692RF-D01-E 主變低后備保護(hù)裝置。變壓器后備保護(hù)裝置設(shè)置有復(fù)合過流Ⅰ段保護(hù)(電流速斷保護(hù)),復(fù)合過流Ⅱ段保護(hù),限時(shí)過流保護(hù)等符合66 kV 變壓器后備保護(hù)的要求。完全滿足新新擴(kuò)建變壓器的后備保護(hù)要求。

2.4 擴(kuò)建后防雷保護(hù)范圍驗(yàn)算

總降壓開關(guān)場內(nèi)避雷針2 向南位移14 m,用于安裝新增8-9 跨間隔主變間隔和66 kV 引下線間隔,擴(kuò)建后1～9#間隔建筑尺寸(長×寬(最寬處)×高):63 m×21 m×7 m,新增變壓器MT3(長×寬×高):9.8 m×8 m×6.15 m、擴(kuò)建10 kV 配電室(長×寬×高):15 m×6 m×5 m,如圖8 所示。

圖8 避雷針保護(hù)范圍計(jì)算示意圖

根據(jù)《DL_T620—1997 交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》四支等高避雷針保護(hù)范圍計(jì)算下列參數(shù)[5]。

1)各針外側(cè)保護(hù)范圍計(jì)算見式(5)。

式中:rx為避雷針在hx平面上的保護(hù)范圍,m;h為避雷針的高度,35 m;hx為被保護(hù)物的高度,7 m;P為高度影響系數(shù),30 m ＜h≤120 m 時(shí),。

2)距離最遠(yuǎn)兩針間(避雷針2 和避雷針3)的保護(hù)高度范圍應(yīng)按通過兩針頂點(diǎn)及保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)O的圓弧確定,其最低點(diǎn)O距地面高度h0應(yīng)按式(6)計(jì)算。

式中:h023為避雷針2 和避雷針3 間保護(hù)范圍上部邊緣最低點(diǎn)高度,m;D為避雷針2 和避雷針3 間的距離,93.81 m。

結(jié)論:最低點(diǎn)O距地面高度為22.55 m ＞7 m,滿足建筑物高度保護(hù)范圍要求。

3)距離最遠(yuǎn)的兩針(避雷針2 和避雷針3)間hx=7 m 水平面上保護(hù)范圍的一側(cè)最小寬度bx按式(7)計(jì)算。

根據(jù)hx=7 m,h=35 m,hx=0.2P查對(duì)應(yīng)的bx與關(guān)系曲線,得知:對(duì)應(yīng)的,bx計(jì)算結(jié)果見式(7)。

式中:ha為避雷針與被保護(hù)物高度差,28 m。

各邊的保護(hù)范圍一側(cè)最小寬度bx≈23 m ＞0,則全部面積即受到保護(hù)。

由以上計(jì)算可知,避雷針2 在向南移動(dòng)14 m 之后,避雷針1～4 的避雷保護(hù)范圍仍可滿足擴(kuò)建后1#～9#間隔、MT3 和擴(kuò)建10 kV 高壓配電室的需求。

3 運(yùn)行效果

本站實(shí)現(xiàn)66 kV/10 kV 主變兩用一備后,在其中一臺(tái)變壓器出現(xiàn)故障或者定期的檢修需要退出運(yùn)行時(shí),只需將備用的變壓器投入運(yùn)行,同時(shí)10 kV 側(cè)切換至需要投入運(yùn)行變壓器所連接的10 kV 母線,不會(huì)出現(xiàn)企業(yè)用電設(shè)備大面積停電,避免造成長時(shí)間停產(chǎn)或者減產(chǎn),極大的提高了企業(yè)供電穩(wěn)定性和可靠性,保證生產(chǎn)的連續(xù)性,為企業(yè)創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益提供強(qiáng)有力的供電保障。

4 結(jié)束語

此次改造擴(kuò)建,場地空間限制、新舊主接線搭接時(shí)間短是本次設(shè)計(jì)方案的難點(diǎn),為最大限度滿足企業(yè)需求,通過現(xiàn)場踏勘、科學(xué)計(jì)算和不同方案比較,最終確定的設(shè)計(jì)方案簡單明了,易于實(shí)施,投資成本低,為其他中小型變電站新建、改建和擴(kuò)建提供很好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。由于空間、場地、裝備和投資限制,未能實(shí)現(xiàn)MT3 與66 kV Ⅱ段母線連接,可在今后66 kV 主接線裝備水平提升后進(jìn)行改進(jìn)。