220kV變電站電氣一次初步設計 李輝
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220kV變電站電氣一次初步設計文獻綜述
一、變電站建設發(fā)展現狀及趨勢概述
現代電力系統(tǒng)是一個巨大的嚴密的整體，各類發(fā)電廠變電站分工完成整個電力系統(tǒng)的發(fā)電，變電和配電的任務。變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓，接受和分配電能，控制電力的流向和調整電壓的電力設施，他通過其變壓器將各級電壓的電網聯系起來。我國電力系統(tǒng)的變電站大致分為四大類：系統(tǒng)樞紐變電站，地區(qū)一次變電站，地區(qū)二次變電站，終端變電站。
由于現代科學技術的發(fā)展，電力網容量的增大，電壓等級的提高，綜合自動化水平的需求，使變電站設計問題越來越復雜，除了常規(guī)變電站之外，又出現了微機變電所，綜合自動化變電所，小型化變電所和無人值班變電所。目前發(fā)達國家已經形成了完善的變電設計理論，通過改善優(yōu)化變電站結構，降低功率損耗，提高變電站的可靠性、靈活性、經濟性，真正的做到了向節(jié)約型，集約型，高效型發(fā)展。當前，隨著我國城鄉(xiāng)電網建設與改造工作的開展，對變電站設計也提出了更高、更新的要求。[1]
同西方發(fā)達國家相比，由于我國變電站自動化系統(tǒng)應用起步較晚，變電站運行管理的理念也有很大差異，使我們的變電站無人值守運行水平與之相比還有很大的差距。在我國，許多220 kV及以下電壓等級變電站已經開始由監(jiān)控中心進行監(jiān)控，基本上實現了變電站無人值守。但作為國內電網中最高電壓等級的500 kV和330 kV變電站，即使采用了變電站自動化系統(tǒng)，也都實行有人值守的管理方式。而在歐美發(fā)達國家，各個電壓等級變電站都能實現無人值守。由此可見，在國內外無人值守變電站之間、國內外變電站自動化系統(tǒng)之間都還有很大的差距。
我國經濟的發(fā)展帶來了電力能源的需求持續(xù)增長，城市和農村用電需求越來越來高，需要更多的深入市區(qū)和農村的變電站，以減少線路的功率損耗，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。然而這些變電站占地面積大，同時城區(qū)地價昂貴，環(huán)境要求嚴格，在農村，農田的保護非常嚴格。我國常規(guī)城網變電所主要問題使設備陳舊，占地面積大，目前已向小型化發(fā)展開始采用全封閉組合電器，即GIS成套設備。
全封閉SF6組合電器（GIS）設備因其小型化、無油化、安全性好、采用大塊式地基沉降小、可靠性高的特點得到了大力推廣使用；通過技術經濟比較，綜合造價與戶外敞開式配電裝置相當，具有良好的社會效益和經濟效益。[2]
在建配電室和柱上變壓器等供電方式已經不能滿足人們的需求時，箱式變供電應運而生。箱式變電所, 是由成套變電所發(fā)展而來,這類變電所無需土建房屋, 只是把高低壓開關柜集中在一個箱式外殼內，也被稱為戶外成套變電所。[3]
隨著技術進步，微型計算機技術在電力系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用，它集變電站中的控制、保護、測量、中央信號、故障錄波等功能于一身，替代了原常規(guī)的突出式和插件式電磁保護、晶體管保護、集成電路保護。變電站綜合自動化和無人值守成為當今電網調度自動化領域中熱門的話題，在城、農網建設改造中正被廣泛采用。[4]
變電站綜合自動化技術，是指采用微機保護和微機遠動技術，分別采集變電站的模擬量、脈沖量、開關狀態(tài)量及一些非電量信號，經過功能的重新組合，按照預定的程序和要求實現變電站監(jiān)視、測量、協(xié)調和控制自動化的集合體和全過程，從而實現數據共享和資源共享，提高變電站自動化的整體效益。[5] 變電所綜合自動化在功能上歸納分類應包括:微機遠動部分;微機保護部分;故障錄波及故障處理部分;高壓設備絕緣在線監(jiān)測部分。在設備結構上,主要有集中式、分布式、部分功能集中部分功能分布式三種不同組成方式。[6]
隨著電力系統(tǒng)自動化技術的發(fā)展，無人值守變電站也逐漸普及。20 世紀80 年代以來,根據“小容量、密布點、短半徑”的建設原則和“戶外式、小型化、造價低、安全可靠、技術先進”的發(fā)展方向,全國建成農村小型化變電所上千座,運行情況良好。[7]農村無人值班變電所的模式,以小型化模式為基礎,簡化主接線,采用檢修周期長、可靠性高的新型設備,裝設以微機為核心的繼電保護裝置、智能化遠動裝置RTU 和其它自動化設備,實現變電所綜合自動化。[8]
日前我國電力系統(tǒng)己經實現了“網廠分開”，并將繼續(xù)開放電力市場，引入競爭機制，逐步實施“競價上網”，需要減人增效，提高電網運行的經濟效益;因此變電站實施無人值班，減少建筑和占地面積已成為必然趨勢。[9]
隨著變電站綜合自動化系統(tǒng)、基于微機數字信息的二次設備的不斷推廣和普及，現有變電站已經具備了一定的數字式和自動化特征。而隨著數字化技術不斷發(fā)展, 數字化變電站將是繼綜合自動化技術后電力系統(tǒng)變電站建設的又一次革新。 “數字化變電站”的概念，可以理解為在現有變電站技術的基礎上，結合電子式互感器、光纖網絡通信技術、站內設備互操作技術的發(fā)展，向數字化、自動化、智能化和網絡化方向的進一步延伸。[10]其基本特征可概括為一、二次設備的數字化和智能化、通信網絡化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運行管理的自動化等。[11]
數字化變電站自動化系統(tǒng)的研究目前尚處于起步階段，還有一些技術問題需要解決，但可以預計，在現有技術水平不斷發(fā)展和運行經驗不斷總結的基礎上，隨著技術進步和電網運行的要求，尤其是智能電器技術和電子式互感器技術的突飛猛進，數字化變電站將以其在數字化、自動化、智能化、安全性和互操作性等方面的優(yōu)勢，成為未來變電站技術發(fā)展的必然趨勢。
二、220KV變電站一次系統(tǒng)設計的主要工作概述
1）電氣主接線的設計。[12]
電氣主接線是變電站設計的首要部分，主接線的擬定直接關系著變電站電氣設備的選擇，配電裝置的布置，繼電保護和自動裝置的確定，是變電站電氣部分投資大小的決定性因素。
主接線必須滿足可靠性、靈活性和經濟性三項基本要求。可靠性指能夠長期、連續(xù)、正常地向用戶供電的能力。靈活性是指滿足調度時、檢修時以及擴建時的要求，使工程改擴建時的工程量較小。經濟性涉及到一次投資、運行費用和占地面積等。
主接線的設計步驟包括對原始資料的分析，根據對電源和進出線回路數、電壓等級、變壓器臺數、傳輸容量、負荷性質等不同考慮擬定出可行的方案若干，依據對主接線的基本要求，通過技術上論證各方案優(yōu)劣，經過初步的技術和經濟比較，確定2-3個較好方案，進行全面的技術、經濟比較，以確定技術上合理、經濟上可行最優(yōu)主接線方案。
2）短路電流的計算。[13]
短路電流計算是變電所設計中的一個重要環(huán)節(jié)，用以進行電氣主接線比選、導體和電器的選擇和校驗、確定中性點接地方式、確定分裂導線間隔棒的距離、驗算接地裝置的接觸電壓和跨步電壓、選擇繼電保護裝置和進行整定計算等。
短路電流的計算步驟可歸納為：選擇短路計算點；繪制等值網絡圖；化簡等值網絡圖；求計算電抗；有運算曲線法得出各電源供給的短路電流周期分量標幺值；及無限大電源供給的短路電流周期分量；計算短路電流周期分量有名值和短路容量、短路電流沖擊值等。
3）主要電氣設備的選擇[14]
電氣設備選擇是設計的主要內容之一。各種電氣設備的作用和工作條件不盡相同，具體的選擇方法也不完全一樣，但對他們的基本要求是一致的。電氣設備要能可靠的工作，必須按正常工作條件進行選擇，并按短路狀態(tài)來校驗熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定。
需選擇的電氣設備包括主變壓器、各電壓等級的母線、絕緣子、斷路器、隔離開關、電壓及電流互感器等。
主變壓器的容量、臺數直接影響主接線的形式和配電裝置的結構。變電站主變壓器的容量依據負荷性質，按一臺停運時其余容量在計及過負荷能力時，應能滿足全部負荷70%-80%。主變壓器的臺數，對于樞紐變電站應不少于2臺，以滿足可靠性要求。此外還需選擇變壓器的型式和結構。
斷路器和隔離開關是變電站的重要開關電器。
斷路器選擇中涉及到:(1)種類和型式的選擇。高壓斷路器按絕緣介質分少油、多油、空氣、真空、SF6等型式。(2)額定電壓和電流選擇。（3）開斷電流的選擇。它是表征斷路器完成最基本開斷電流功能的重要參數。不僅要求斷路器可靠的滅弧，而且要求斷路器不重燃，以限制操作過電壓倍數。（4）短路開合電流的選擇。它是表征高壓斷路器在一些特殊情況下開斷短路電流的特性參數。
隔離開關與斷路器配套使用，不能用來接通和斷開負荷電流和短路電流。主要用作隔離電壓、倒閘操作、分合小電流。其額定電壓、電流的選擇及短路動、熱穩(wěn)定的校驗與斷路器基本相同。
互感器是電力系統(tǒng)中測量儀表、繼電保護獲取電氣一次回路信息的傳感器。分電壓和電流互感器。其選擇依據有：（1）種類和型式。（2）一次額定電壓、電流（電壓互感器涉及到二次額定電壓）。（3）額定容量和準確級。（4）動、熱穩(wěn)定校驗。
三、220kV變電站一次系統(tǒng)設計主要內容
本次畢業(yè)設計的內容為220kV降壓變電所電氣一次初步設計，屬于常規(guī)變電所的設計。根據變電所設計的基本原理，務求掌握常規(guī)變電所的電氣一次系統(tǒng)的原理及設計過程。
從電網供電流程來看，從大型發(fā)電廠生產的電能通過高壓變電站以及中心變電站輸送，然后再經過電纜或架空線路向下一級的中間變電站或終端變電站最終提供給用戶。因此，變電站是電網系統(tǒng)中的主要供電節(jié)點。[15]
220kV降壓變電所電氣部分設計的研究主要內容是結合相關的設計手冊，輔助資料，主要完成該變電站的一次部分設計，參考國內外最新的設計方法、研究成果和新的電氣設備，對降壓變電所的電氣主接線方案，主變壓器的選擇，電氣設備的選擇（包括斷路器，隔離開關，熔斷器等），配電裝置的選擇以及防雷保護的設計。主變壓器、各側電壓等級的電氣主接線和相關一次、二次設備、避雷裝置、繼電保護裝置進行選擇。同時，完成變電站一次部分總接線圖、220kV變電所平面布置初步設計圖和詳細設計圖。
本次變電站的設計要做到概念清晰，層次分明，結合自己選擇的參考資料，并參考變電站一次設計的規(guī)范，經過查閱資料，了解其基本過程，整理相關的思路，在老師的指導下，細致縝密的完成整個設計過程，具體的設計規(guī)范步驟如下：
1、根據原始資料選擇5～7種合理的電氣主接線；
2、進行初步技術、經濟比較，選擇2種較好的電氣主接線；
3、選擇主變壓器的容量和型號；
4、計算兩種主接線的短路電流；
5、根據短路電流計算結果選擇電氣設備；
6、通過技術經濟比較確定最佳方案；
7、防雷系統(tǒng)設計；
8、屋內外配電裝置設計和總平面布置
9、繪制圖紙：電氣主接線、電氣總平面布置、防雷與接地各一張，配電裝 置斷面圖3～4張。
參考文獻：
[1]LIU Huiyuan1,HAO Houtang2,LI Yanxin2,SUN Bin2.Research on a Synchronism Scheme for Digital Substations. Automation of Electric Power Systems, 2009年03期.
[2]王誠良. 全封閉SF6 組合電器的應用. 《寧夏電力》2009年第3 期,(24-25).
[3]YU Jun1, XIONG Xiao-fu1,ZHANG Yuan2.Research and Simulation on New Reliability Measures for Digital Substation Protection System. Power System Technology. 2009年04期
[4]盤淦文. 淺談無人值守變電站設計. 科技天地,(153).
[5]徐小亞.變電站綜合自動化系統(tǒng)的應用與展望.貴州電力技術，2007,Vol.9 (54).
[6] LI Qiang,LI Yanxin. Design of System Protecting Devices Based on Digital Substations.Automation of Electric Power Systems，2009年18期.
[7]顧麗靜,程立波,王志君. 農村無人值班變電所的現狀與展望. 黑龍江水專學報,第32卷,第2期,(65-68).
[8]張秀芹. 農網無人值班變電站設計的幾點看法. 江西電力職工大學學報. 2002.12 Vol.15,No.4 (19-20).
[9]艾抗,曹增功. 無人值班變電站設計要求及應用. 山東電力技術,2005,Vol 5,(11-15).
[10]夏勇軍,蘇吳,胡剛,董永德.數字化變電站研究現狀與應用展望. 湖北電力,2007.2,Vol31,No3,(9-12).
[11]湯漢松,孫志杰,徐大可.數字化變電站的現狀與未來. 江蘇電機工程，2007.8,Vol26,(5-7).
[12]才國平. 高壓電氣設備選擇.《電氣開關》,2002,No.5,(40-42).
[13]張東虞. 電力系統(tǒng)運行中的短路故障與短路電流計算. 電子科學,(13).
[14]熊信銀. 發(fā)電廠電氣部分. 中國電力出版社,2004.
[15]唐岳柏 . 淺議220kV變電站電氣主接線的選擇. 科技創(chuàng)新導報，2010年07期.
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