耿 芳1, 王笑一2，張曉虹1，張 梅1
（1. 國網(wǎng)天津電力公司經(jīng)濟技術(shù)經(jīng)研院,天津 300170;2. 國網(wǎng)客戶服務(wù)中心,天津 300000）
摘 要： 近年來，電力設(shè)備技術(shù)的發(fā)展推動了智能變電站技術(shù)的發(fā)展，促成了變電站設(shè)計理念的更新，變電站設(shè)計逐步向工廠預(yù)制式模塊化發(fā)展。本文論述了智能變電站建設(shè)背景，對220 kV及110 kV智能變電站系統(tǒng)一次和電氣一次模塊化設(shè)計進行了深入研究，從系統(tǒng)設(shè)計、主要設(shè)備選型、主接線優(yōu)化、總平面布置、各級配電裝置平面布置角度進行論述，歸納智能變電站模塊化建設(shè)技術(shù)特點及發(fā)展趨勢，并提出后續(xù)努力方向，具有較高的實用價值和技術(shù)優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞： 智能變電站; 工廠預(yù)制式; 模塊化
0 引言
變電站模塊化建設(shè)是按照新一代智能變電站技術(shù)方向，應(yīng)用“三通一標(biāo)”[1]，推行“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、裝配式建設(shè)”，在智能變電站技術(shù)模式、設(shè)計設(shè)備、建設(shè)模式等方面實現(xiàn)的進一步創(chuàng)新。模塊化變電站采用裝配結(jié)構(gòu)模式，通過工廠預(yù)制生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝兩大階段建設(shè)，這種方式大大減少了變電站的占地面積，并大幅度縮減工期。本文著重從220 kV及110 kV智能變電站的系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)規(guī)模、設(shè)備選型、布置方式等方面對變電站模塊化建設(shè)進行了深入研究。
1 智能變電站模塊化建設(shè)背景
1.1 背景
當(dāng)前，國際國內(nèi)的經(jīng)濟形勢、能源形勢正在發(fā)生深刻變化。面對新形勢、新挑戰(zhàn)，加快建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的需求迫在眉睫。變電站是電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，它連接線路、輸送電能，擔(dān)負(fù)著變換電壓等級、匯集電流、分配電能、控制電能流向、調(diào)整電壓等功能，變電站的智能化運行是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。
模塊化智能變電站是變電站建設(shè)的一種創(chuàng)新模式，從設(shè)計到建設(shè)階段將全過程遵循“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的管理理念，通過電氣一、二次集成設(shè)備最大程度實現(xiàn)工廠內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)、集成調(diào)試、模塊化配送，減少現(xiàn)場安裝、接線、調(diào)試工作，建筑物采用裝配式結(jié)構(gòu)，工廠預(yù)制、現(xiàn)場機械化安裝，將工業(yè)建筑實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，統(tǒng)一建筑結(jié)構(gòu)、材料、模數(shù)等，實現(xiàn)設(shè)計、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化，有效提高建設(shè)質(zhì)量、效率，提升電網(wǎng)建設(shè)能力。
1.2 研究現(xiàn)狀
2012年以來，新一代智能變電站概念設(shè)計方案應(yīng)運而生，構(gòu)建了以集成化智能設(shè)備、一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)及站內(nèi)統(tǒng)一信息流為特征的新一代智能變電站設(shè)計方案。2013年，變電站模塊化建設(shè)研究工作和試點工程又取得了突飛猛進的進展。該工作提出了“模塊化建設(shè)”的工程建設(shè)理念。隨著設(shè)備廠商設(shè)計生產(chǎn)的電氣設(shè)備質(zhì)量的提高以及電網(wǎng)可靠性的增加及電網(wǎng)發(fā)展的需求，推動了變電站設(shè)計模塊化方案的可行性。
基于以上現(xiàn)狀，本文提出基于220 kV及110 kV新一代智能變電站模塊化設(shè)計的課題，旨在利用發(fā)展的設(shè)計理念對變電站的設(shè)計進行優(yōu)化，進一步提高施工效率和施工質(zhì)量，從設(shè)計源頭降低建設(shè)成本，縮短建設(shè)周期。這也是社會發(fā)展、技術(shù)進步、設(shè)備制造工藝水平、設(shè)備可靠性提高以及環(huán)境保護意識和節(jié)約土地資源意識增強的必然。
2 系統(tǒng)一次模塊化設(shè)計方案
電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計是變電工程前期工作的重要組成部分，是變電站工程設(shè)計的總體規(guī)劃，也是變電站項目實施的方針和原則。系統(tǒng)一次模塊化設(shè)計理念，即根據(jù)各電壓等級變電站不同的建設(shè)規(guī)模，確定主要配電裝置和無功補償配置，并形成模塊化拼接方案。在進行系統(tǒng)設(shè)計時選擇相似模塊拼接即可。
2.1 主變壓器配置
2.1.1 220 kV變電站
單臺變壓器容量一般按180 MVA常用容量配置。對于負(fù)荷密度較輕的地區(qū)，可以采用150 MVA的變壓器，當(dāng)負(fù)荷特別輕時也可采用120 MVA容量的變壓器，對于負(fù)荷密度特別高的城市中心地區(qū)，單臺主變壓器容量按240 MVA容量配置。
一般地區(qū)主變壓器遠景規(guī)模宜按3臺配置，對于負(fù)荷密度特別高的城市中心、站址選擇困難地區(qū)主變壓器遠景規(guī)模可按4臺配置。
主變壓器可采用雙繞組或三繞組、有載調(diào)壓變壓器。
2.1.2 110 kV變電站
單臺變壓器容量一般按50 MVA常用容量配置。對于負(fù)荷密度較輕的地區(qū)，可以采用40 MVA的變壓器，當(dāng)負(fù)荷特別輕時也可采用31.5 MVA容量的變壓器，對于負(fù)荷密度特別高的城市中心地區(qū)，單臺主變壓器容量按63 MVA容量配置。
一般地區(qū)主變壓器遠景規(guī)模宜按3臺配置，對于負(fù)荷密度特別高的城市中心、站址選擇困難地區(qū)主變壓器遠景規(guī)模可按4臺配置，對于負(fù)荷密度較低的地區(qū)主變壓器遠景規(guī)模可按2臺配置。
主變壓器可采用雙繞組或三繞組、有載調(diào)壓變壓器。
實際工程設(shè)計中主變壓器臺數(shù)和容量、繞組數(shù)應(yīng)根據(jù)相關(guān)的規(guī)程規(guī)范、導(dǎo)則和已經(jīng)批準(zhǔn)的電網(wǎng)規(guī)劃計算確定；變壓器調(diào)壓方式應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)情況確定。
2.2 出線回路數(shù)
2.2.1 220 kV變電站
遠景3臺變壓器時，220 kV出線按3、4、6、8、10回配置，110 kV出線按8、10、12、14、16回配置，35 kV出線按6、12、18、24、30回配置，10 kV出線按24、28、30、36回配置。雙繞組變壓器66 kV出線按17、20、24回配置。
遠景4臺變壓器時，220 kV出線按10回配置，110 kV出線按12回配置，10 kV出線按28回配置。出線回路數(shù)配置原則詳見下表1。
實際工程可根據(jù)具體情況對各電壓等級出線回路數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整。
2.2.2 110 kV變電站
遠景2臺主變壓器時，110 kV出線按 2-4 回配置，35 kV出線按 6-8回配置，10 kV 出線按12-24回配置。
遠景3臺主變壓器時110 kV出線按 2-6 回配置，35 kV出線按 6-12回配置，10 kV出線宜按 12-42 回配置。
遠景4臺主變壓器時，110 kV 出線按 4-8回配置，10 kV 出線宜按56回配置。出線回路數(shù)配置原則詳見下表2。
實際工程可根據(jù)具體情況對各電壓等級出線回路數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整。
2.3 無功補償配置
容性無功補償容量按規(guī)程要求按主變壓器容量的 10%～30%配置，通用設(shè)計方案按 10%～15%配置。
220 kV變電站應(yīng)根據(jù)需要配置無功補償設(shè)備，每臺主變壓器根據(jù)低壓側(cè)電壓等級的不同按1~5組無功補償裝置考慮。并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器是電力系統(tǒng)無功補償?shù)闹匾O(shè)備，應(yīng)優(yōu)先選擇此種設(shè)備，具體工程必須經(jīng)過調(diào)相調(diào)壓計算來確定無功容量及分組的配置。
對于架空、電纜混合的110 kV變電站，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)條件經(jīng)過具體計算后確定感性和容性無功補償配置。
在不引起高次諧波諧振、有危害的諧波放大和電壓波動過大的前提下，無功補償裝置宜加大分組容量和減少分組組數(shù)，以降低造價。圍繞系統(tǒng)對變電站無功配置的要求，對變電站所需無功總量進行測算，對變電站無功分組容量進行分析，在滿足基本功能的前提下對常用無功配置方案進行優(yōu)化，從補償度考慮，容量小的電容器組對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)更加靈活；從設(shè)備成本上考慮，針對經(jīng)驗選擇的分組容量進行的優(yōu)化，節(jié)約設(shè)備成本；考慮到地區(qū)的運行習(xí)慣，合理選擇的單臺容量還會給運行管理和設(shè)備檢修提供方便，同時設(shè)備的通用性還能延長整組設(shè)備的壽命。
2.4 系統(tǒng)接地方式
220 kV系統(tǒng)、110 kV系統(tǒng)采用直接接地方式，主變66 kV、35 kV或10 kV側(cè)接地方式宜結(jié)合線路負(fù)荷性質(zhì)、供電可靠性等因素，采用不接地、經(jīng)消弧線圈或小電阻接地方式。
3 電氣一次模塊化設(shè)計方案
3.1 電氣主接線
各電壓等級的主接線形式可根據(jù)出線規(guī)模、變電站在電網(wǎng)中的地位及負(fù)荷性質(zhì)確定，當(dāng)滿足運行要求時，宜選擇簡單接錢。
傳統(tǒng)變電站設(shè)計時，通常在斷路器兩側(cè)安裝隔離開關(guān)，進行檢修或維護作業(yè)時，打開隔離斷口用于隔離相鄰線路或設(shè)備。這是因為斷路器結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，早期產(chǎn)品可靠性較低，要保證檢修斷路器時不影響線路正常供電。而隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)較為簡單，據(jù)早期統(tǒng)計表明，一般的斷路器維護周期為1～2年，而隔離開關(guān)能達到4～5年，可靠性高于斷路器。隨著斷路器技術(shù)性能不斷改進，現(xiàn)場維護工作量逐漸減少，目前斷路器的檢修周期一般可達到12～15年，故障率水平遠低于隔離開關(guān)，設(shè)計時更多考慮變壓器、架空線、電抗器等設(shè)備的維護。因此，為了避免因出現(xiàn)上線路側(cè)隔離開關(guān)故障或檢修造成的停電率升高，220 kV、110 kV主接線當(dāng)出線上無T接線時，或有T接線但線路允許停電時，應(yīng)取消線路側(cè)隔離開關(guān)和附帶的檢修接地開關(guān)，僅留快速接地開關(guān)。同理，220 kV、110 kV主變進線主變側(cè)隔離開關(guān)應(yīng)取消。但對于雙母線接線方式來說，母線側(cè)隔離開關(guān)除了用做檢修斷路器的隔離斷口，還要用于倒閘操作，所以出線上母線側(cè)隔離開關(guān)不能取消。
3.2 短路電流
220 kV電壓等級：50 kA；
110 kV電壓等級：40 kA；
66 kV電壓等級：31.5 kA;
35 kV電壓等級：25或31.5 kA（實際工程計算確定）；
10 kV電壓等級：25或20 kA（實際工程根據(jù)所處電網(wǎng)短路電流水平確定）。
為限制10 kV側(cè)短路電流，240 MVA主變壓器可采用普通阻抗配置限流電抗器，180 MVA主變壓器一般選用高阻抗，工程中可根據(jù)需要采用普通阻抗變壓器配置限流電抗器方式。
3.3 主要設(shè)備選擇
電氣設(shè)備選擇在遵循通用設(shè)計應(yīng)用目錄的基礎(chǔ)上，使用高度集成的一、二次設(shè)備，能夠最大程度實現(xiàn)工廠內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)、集成調(diào)試、模塊化配送，減少現(xiàn)場安裝、接線、調(diào)試工作，一次設(shè)備本體與智能控制柜之間二次控制電纜采用預(yù)制電纜連接，提高建設(shè)質(zhì)量、效率。
3.3.1 智能變壓器
智能電力變壓器是智能組件與變壓器的集成。每臺220 kV主變壓器宜設(shè)置1面智能控制柜，布置主變智能組件；110 kV主變壓器可結(jié)合本體設(shè)備配置情況取消獨立的智能控制柜，與本體端子箱集成。變壓器本體智能終端集成最熱點溫度預(yù)測、發(fā)熱老化評估及預(yù)測、油中溶解氣體溫度、負(fù)荷狀況及過負(fù)荷能力、分接開關(guān)觸頭磨損、壽命評估、變壓器溫度平衡、分接開關(guān)溫度平衡等，有利于變壓器運行的安全、可靠、節(jié)能。
3.3.2 智能高壓開關(guān)設(shè)備
通過GIS廠家完成智能控制柜內(nèi)部各智能組建的組裝，實現(xiàn)廠內(nèi)接線，廠內(nèi)調(diào)試，智能控制柜與本體一體化運輸和吊裝，可減少現(xiàn)場接線和聯(lián)調(diào)，縮短工期，提高效率。智能終端、合并單元、監(jiān)測IED應(yīng)按工程本期規(guī)模按間隔配置。
3.3.3 高壓開關(guān)柜
35 kV/10 kV開關(guān)柜二次設(shè)備與開關(guān)柜一體化集成優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)考慮布置的美觀和運維檢修的便利性。
3.4 總平面布置
電氣總平面布置應(yīng)減少變電站占地面積，以最少土地資源達到變電站建設(shè)要求。
3.4.1 優(yōu)化主接線
采用高度集成式設(shè)備，簡化站內(nèi)設(shè)備配置。主接線中明確變電站本期和遠期所上規(guī)模的明確界限，結(jié)合實際工程情況，考慮建筑和電氣設(shè)備的同期實施，使變電站設(shè)計模塊化思想更加鮮明，實現(xiàn)站內(nèi)建筑和電氣設(shè)備的緊湊型布置。
3.4.2 充分借助站址條件
合理利用站區(qū)環(huán)境和站外道路，優(yōu)化站內(nèi)道路，縮減變電站縱向尺寸和橫向尺寸，從而減少圍墻內(nèi)占地面積。
3.4.3 集成式二次設(shè)備應(yīng)用
戶外變電站宜利用配電裝置附近空余場地布置預(yù)制艙式二次組合設(shè)備，整艙配送、吊裝、就位。改變了原有二次屏柜現(xiàn)場安裝、接線、調(diào)試模式，改善了設(shè)備運行環(huán)境，改變了以往安裝調(diào)試過程中灰塵等對二次設(shè)備潛在影響，提高二次設(shè)備壽命和系統(tǒng)質(zhì)量，提高了工程建設(shè)效率。戶內(nèi)變電站宜采用模塊化二次組合設(shè)備，功能分區(qū)明確，節(jié)省現(xiàn)場接線的工作量，提高建設(shè)效率。
3.4.4 變電樓層高優(yōu)化
結(jié)合實際工程出線情況，對于采用組合電器(GIS)的工程規(guī)模，在組合電器全部為架空出線的情況下，可以利用架空出線套管作為后期試驗、耐壓的場所。充分利用建筑本身的結(jié)構(gòu)，考慮后期設(shè)備運行、檢修的移動，適當(dāng)考慮取消目前GIS室雙層層高的現(xiàn)狀，能夠優(yōu)化建筑體量，實現(xiàn)建筑和設(shè)備的緊湊布局。
3.4.5 整合全站功能用房
變電站設(shè)計融入模塊化設(shè)計思想，按照無人值守變電站標(biāo)準(zhǔn)將變電站房間數(shù)量和項目標(biāo)準(zhǔn)化。全站僅設(shè)置安全工具間、資料間、衛(wèi)生間、泵房。減少附屬房間配置，優(yōu)化全站布局。
3.5 配電裝置選型及布置
模塊化設(shè)計要求設(shè)備選型均嚴(yán)格按照工廠預(yù)制現(xiàn)場裝配的理念設(shè)計，一次設(shè)備本體加智能組件的方式實現(xiàn)一次設(shè)備智能化，智能組件統(tǒng)一由一次設(shè)備廠家場內(nèi)集成，體現(xiàn)模塊化設(shè)計的高效；電氣裝置的布置方式采用“單元”布置方式，一臺主變所帶設(shè)備成“單元”分區(qū)就近布置，并滿足二次接線的要求。開關(guān)設(shè)備同無功補償設(shè)備分區(qū)明確，充分體現(xiàn)電氣布置模塊化。一、二次設(shè)備高度集成，現(xiàn)場只需完成合并單元及保測裝置至二次設(shè)備室的相關(guān)交直流電源電纜及光纜的敷設(shè)，全站電纜大幅減少，電纜敷設(shè)、電纜施工接線的工作量相應(yīng)減輕，縮短電纜施工安裝周期，節(jié)約工程造價。
3.6 電纜敷設(shè)
智能變電站模塊化設(shè)計中，電纜的敷設(shè)可采用成品電纜槽盒，方便土建施工，提高施工效率。電纜溝采用成品復(fù)合溝蓋板和裝配式電纜溝，減少現(xiàn)場澆筑施工量和時間。通過使用隱藏式電纜溝，系統(tǒng)在安全、方便的前提下，站內(nèi)無明露溝、蓋板，全站外觀簡潔，突出工業(yè)化。
4 結(jié)束語
本文通過對智能變電站系統(tǒng)和電氣一次模塊化設(shè)計研究，總結(jié)歸納智能變電站模塊化設(shè)計技術(shù)特點。模塊化設(shè)計改變了傳統(tǒng)變電站設(shè)備選擇、電氣布局、土建設(shè)計和施工模式，通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場組裝兩大階段來建設(shè)變電站。智能變電站模塊化設(shè)計是“兩型一化”變電站的具體體現(xiàn),通過優(yōu)化創(chuàng)新，使變電站具備科技含量高、資源消耗低、建設(shè)周期短、運行可靠性高的特點。隨著示范工程的實踐和設(shè)備生產(chǎn)水平的提高，今后需努力將模塊化設(shè)計更加細(xì)化，并逐步標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，從而進一步提高設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟合理性。
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