銅冶煉企業66 kV 變電站擴建設計探討

朱世薇

(謙比希銅冶煉有限公司動力分廠,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,始建于2006 年,2009 年2 月份投產。一期設計生產能力為15 萬噸,隨著不斷擴大產能,到2017 年,設計生產能力達25 萬噸。該企業設置一座66 kV/10 kV 降壓變電所。一期設計兩臺40 000 kVA 變壓器,運行方式為分列運行,一臺變壓器出現故障退出運行時,另一臺變壓器可滿足全公司正常運行的用電需求。生產規模擴大后,全廠用電負荷需求由2009 年的18 000 kVA 增至2017 年53 000 kVA,新增負荷35 000 kVA。一旦任意一臺主變壓器出現故障,另一臺變壓器將超負荷運行,存在極大風險;另一方面,企業將面臨長時間低負荷生產,造成巨大經濟損失。增加一臺變壓器,形成兩用一備供電模式,確保生產長期穩定進行,是該企業較為迫切的需求。

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 臺主變壓器MT1 和MT2,每臺容量為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 變電站系統原理圖如圖1 所示。

圖1 一期66 kV 變電站系統原理圖

1.2 10 kV 供電及接線方式

66 kV/1 0kV 變電所設置一座10 kV 配電室,采用單母線分段結線,正常情況下母線分段運行。10 kV配電所內配電裝置采用內裝真空斷路器的KYN28A-12 鎧裝式開關柜。所內包括若干臺饋線柜、2 臺PT 柜、2 臺所用變、1 臺母聯柜、1臺隔離柜,分別為全公司10 kV 配電所提供進線電源。

1.3 變壓器配置

變壓器配置如表1 所示。

表1 66 kV/10 kV 變壓器主要參數表

1.4 二次設備配置

變電站二次設備配置表如表2 所示。

表2 變電站二次設備配置表

2 擴建設計

2.1 變電站擴建總體布置方案

本次擴建設計的難點在于,在原有場地和建筑基礎上進行擴建,空間受限;根據公司生產經營計劃,66 kV 側擴建部分與原有線路停電搭接時間僅為五天,施工難度非常大。設計方案安全可靠、維修方便、節約投資是關鍵。

經現場踏勘,在現有開關場向南擴建14 m,新增一臺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 變電站擴建主回路設計方案

2.2.1 66 kV 側設計方案

通過兩臺隔離開關輸入側分別與66 kV Ⅰ、Ⅱ段母線連接,輸出側連接至同一臺SF6 斷路器,理論上可方便快捷地實現MT3 變壓器與66 kV Ⅰ段或Ⅱ段母線連接,但是受到66 kV 開關場空間和場地限制,無法滿足66 kV 架空線路引下線至隔離開關、隔離開關至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 變電站擴建電氣條件圖

圖3 擴建間隔剖面圖

擴建后,通過各斷路器投切,可實現MT1、MT2、MT3 三臺主變壓器不同運行模式,變壓器運行模式分析如表3 所示。

表3 變壓器運行模式分析表

2.2.2 10 kV 側設計方案

原10 kV 配電室南側出線位置,擴建10 kV 配電室。配電室內包括1 臺10 kV 進線斷路器、1 臺PT 柜、2 臺聯絡柜、2 臺備用柜。MT3 變壓器10 kV側出線與新建配電室進線開關連接;新增10 kV 側母線2 個聯絡開關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 個聯絡開關柜+AH301 和+AH302 的投切,實現MT3 變壓器對10 kV 側Ⅰ段母線和Ⅱ段母線供電。10 kV 側系統設計原理圖如圖2 所示,10 kV 主接線布置圖如圖3所示。

10 kV 進線斷路器、兩臺聯絡斷路器各電氣參數相同,額定頻率50 Hz,額定電流3150 A,短時耐受電流31.5 kA(有效值),額定動穩定電流63 kA(峰值)。

10 kV 聯絡母線選用管形母線為復合屏蔽絕緣銅管母線,銅管母線規格為Φ80×8。管形母線載流量、動穩定和熱穩定校驗計算如下所示。

1)載流量計算

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

管形母線最大持續工作電流計算過程見式(1)。

式中:I為持續工作電流,A;S為管形母線截面,mm;J為經濟電流密度,0.55 A/mm[1]。

結論:最大持續工作電流為3 288.43 A ＞3 150 A(進線斷路器額定電流),管形母線截面積滿足要求。

2)動穩定校驗

動穩定計算過程見式(2)～(3)。

式中:M為短路狀態母線承受最大彎矩,Nm;σ為短路狀態母線承受最大應力,取13 720 N/cm2[2];W為截面系數,取圓環形狀計算公式49.8[3]。

式中:F為短路狀態電動力,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(斷路器額定動穩定電流)。

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為管形母線振動系數,0.58[4]。

結論:管形母線跨距滿足要求。

3)熱穩定校驗計算

根據10 kV 進線斷路器短時耐受電流,計算銅母線最小截面積,計算過程見式(4)。

式中:S為按短時耐受電流計算母排最小截面積,mm2;I為短時耐受電流,31.5 kA;K為乙丙橡膠為絕緣材料導體的熱穩定計算系數,143;t為持續時間,4 s。

根據以上計算可知,本設計方案采用的銅管形母線截面積、機械應力、跨距滿足使用要求。

2.3 二次設備配置方案

2.3.1 電壓互感器和電流互感器

本次擴建方案中,由于66 kV 主接線僅將Ⅰ、Ⅱ段母線延長,并未新增獨立母線段,故未配置66 kV 側電壓互感器,沿用原有電壓互感器信號;66 kV 側電流互感器、10 kV 側電壓互感器、10 kV 側進線斷路器回路、聯絡斷路器回路電流互感器采用與一期10 kV 進線斷路器回路電流互感器相同型號和參數的設備。

2.3.2 自動化監控系統

擴建設計配置變壓器綜合保護系統、10 kV 開關柜綜合保護裝置等設備的控制信號、測量信號、通訊信號等通過以太網通訊,引入原有自動化后臺監控系統。

2.3.3 直流操作電源

變電站原有直流系統容量為200 Ah,完全滿足擴建1 套66 kV 高壓斷路器、2 臺66 kV 隔離開關、6臺10 kV 開關柜及2 臺繼電保護屏用電需求。

2.3.4 變壓器保護配置

2.3.4.1 擴建66 kV/10 kV 變壓器保護配置原則

1)瓦斯保護用于反應變壓器油箱內部各種故障和油面下降。瓦斯保護分為重瓦斯保護和輕瓦斯保護,重瓦斯保護動作于跳閘,輕瓦斯只動作于信號。

2)為保護變壓器的引線、套管以及內部的各種短路故障,應裝設縱聯差動保護。縱聯差動保護應瞬時動作并跳開變壓器的高壓側和低壓側斷路器。

3)為保護變壓器外部相間短路引起的過電流,并作為變壓器內部相間短路故障的后備,裝設高壓側后備保護和低壓側后備保護。

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

2.3.4.2 瓦斯保護

本變電站配置有變壓器本體及有載調壓開關瓦斯保護,分重瓦斯和輕瓦斯保護。選用NSR699RFD01 主變操作及非電量保護裝置,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,裝置收到上述信號后直接啟動信號繼電器發信,同時經過外部壓板啟動跳閘重動繼電器,由該重動繼電器直接跳閘并發事故信號。

圖4 10 kV 側系統設計原理圖

圖5 10 kV 主接線布置圖

2.3.4.3 變壓器的差動保護

1)差動電流速斷部分

在縱差動保護中,設置差動電流速斷是為了檢測在差動保護區內出現大的故障電流。當檢測到大的故障電流時,保護立即動作,使得在可能出現的電流互感器飽和前,保護動作于跳閘,防止因電流互感器在大故障電流時飽和使保護拒動。差動電流速斷的動作電流按躲過變壓器的勵磁涌流和外部故障時可能出現的最大不平衡電流來整定。可按額定電流的4～5 倍整定。差動電流速斷的動作時間不應大于20 ms。

2)比率制動部分

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

在內部故障,短路電流較大時,雖然也有制動作用,但通過適當選取制動系數,可以做到在有制動的情況下,也能保證所需的靈敏度。在外部故障時,短路電流全部為制動電流,提高保護的動作值,而差動回路的電流只是不平衡電流,可保證差動保護可靠,不會動作。

本降壓站新擴建 3#變壓器采用的是NSR691RF-D00-E 主變差動保護裝置,其配置見圖6和差動保護邏輯如圖7 所示。

圖6 差動保護配置圖

圖7 差動保護控制邏輯圖

2.4.3.4 變壓器的后備保護

本站變壓器設置有變壓器的高壓(66 kV)側后備保護和低壓(10 kV) 側后備保護。選用的是NSR692RF-D01-E 主變高后備保護裝置和NSR692RF-D01-E 主變低后備保護裝置。變壓器后備保護裝置設置有復合過流Ⅰ段保護(電流速斷保護),復合過流Ⅱ段保護,限時過流保護等符合66 kV 變壓器后備保護的要求。完全滿足新新擴建變壓器的后備保護要求。

2.4 擴建后防雷保護范圍驗算

總降壓開關場內避雷針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 避雷針保護范圍計算示意圖

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

1)各針外側保護范圍計算見式(5)。

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

2)距離最遠兩針間(避雷針2 和避雷針3)的保護高度范圍應按通過兩針頂點及保護范圍上部邊緣最低點O的圓弧確定,其最低點O距地面高度h0應按式(6)計算。

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

結論:最低點O距地面高度為22.55 m ＞7 m,滿足建筑物高度保護范圍要求。

3)距離最遠的兩針(避雷針2 和避雷針3)間hx=7 m 水平面上保護范圍的一側最小寬度bx按式(7)計算。

根據hx=7 m,h=35 m,hx=0.2P查對應的bx與關系曲線,得知:對應的,bx計算結果見式(7)。

式中:ha為避雷針與被保護物高度差,28 m。

各邊的保護范圍一側最小寬度bx≈23 m ＞0,則全部面積即受到保護。

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

3 運行效果

本站實現66 kV/10 kV 主變兩用一備后,在其中一臺變壓器出現故障或者定期的檢修需要退出運行時,只需將備用的變壓器投入運行,同時10 kV 側切換至需要投入運行變壓器所連接的10 kV 母線,不會出現企業用電設備大面積停電,避免造成長時間停產或者減產,極大的提高了企業供電穩定性和可靠性,保證生產的連續性,為企業創造更大經濟效益提供強有力的供電保障。

4 結束語

此次改造擴建,場地空間限制、新舊主接線搭接時間短是本次設計方案的難點,為最大限度滿足企業需求,通過現場踏勘、科學計算和不同方案比較,最終確定的設計方案簡單明了,易于實施,投資成本低,為其他中小型變電站新建、改建和擴建提供很好的借鑒經驗。由于空間、場地、裝備和投資限制,未能實現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行改進。