變電站所用電系統(tǒng)的2種優(yōu)化方案

周杰，陳植，李勇，易永利

（國網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325000）

變電站所用電系統(tǒng)的2種優(yōu)化方案

周杰，陳植，李勇，易永利

（國網(wǎng)浙江省電力公司溫州供電公司，浙江溫州325000）

為了提高變電站所用電供電可靠性、連續(xù)性，基于目前變電站所用電主接線和運(yùn)行方式，分別針對重要負(fù)荷和所用電電源側(cè)，提出了2種所用電系統(tǒng)的優(yōu)化方案。2種優(yōu)化方案提升了變電站所用電的自動(dòng)化和智能化水平，為目前變電站所用電改造或者未來的設(shè)計(jì)和建造提供了可行的借鑒方案。

變電站；所用電；優(yōu)化方案；ATSE

所用電系統(tǒng)是確保變電站安全可靠運(yùn)行的重要組成部分，它為主變壓器（以下簡稱主變）冷卻、消防水泵、斷路器儲(chǔ)能、隔離開關(guān)操作、直流系統(tǒng)、通信等提供電源，同時(shí)還提供照明、生活、檢修電源。隨著對變電站可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、自動(dòng)化程度等要求的不斷提高，所用電系統(tǒng)安全運(yùn)行顯得尤為重要。近年來，浙江電網(wǎng)相繼發(fā)生幾起因所用電故障而引起的事故擴(kuò)大，逐漸暴露了所用電設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)及專業(yè)管理等方面存在的問題，需加以優(yōu)化。

1 所用電系統(tǒng)的供電方式

1.1 所用電系統(tǒng)的典型運(yùn)行方式

DL/T 5155-2002《220～500 kV變電所所用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱規(guī)程）第4.1.1條規(guī)定[1]，220 kV變電所宜從主變低壓側(cè)分別引接2臺(tái)容量相同、可互為備用、分列運(yùn)行的所用工作變壓器。只有1臺(tái)主變時(shí)，其中1臺(tái)所用變壓器（以下簡稱所用變）宜從所外電源引接。

所用變通常采用低損耗節(jié)能型干式變壓器，具有體積小、阻燃性能好、維護(hù)工作量少等特點(diǎn)。對于所用變壓器的接線組別在規(guī)程第5.2.2中規(guī)定[1]：宜采用Dyn11型，宜使各所用工作變壓器及所用備用變壓器輸出電壓的相位一致。所用電低壓系統(tǒng)應(yīng)采取防止變壓器并列運(yùn)行的措施。

規(guī)程第4.2.2條規(guī)定[1]：所用電母線采用按工作變壓器劃分的單母線。相鄰兩段工作母線間可配置分段或聯(lián)絡(luò)斷路器，但宜同時(shí)供電分列運(yùn)行。兩段工作母線間不宜裝設(shè)自動(dòng)投入裝置。

目前變電站所用電系統(tǒng)的典型運(yùn)行方式如圖1所示。1號(hào)所變低壓側(cè)開關(guān)DL1和2號(hào)所變低壓側(cè)開關(guān)DL2合閘，聯(lián)絡(luò)開關(guān)DL3分閘，分列運(yùn)行，互為備用。

2臺(tái)所用變分列運(yùn)行，可限制故障范圍，提高供電可靠性，也利于限制低壓側(cè)短路電流。特別是可以避免當(dāng)2臺(tái)所用變并列運(yùn)行時(shí)，其中一段母線故障或饋線出口故障而越級跳閘，導(dǎo)致2臺(tái)同時(shí)失電的所用電全停事故[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，所用變1臺(tái)工作1臺(tái)備用的運(yùn)行方式全停事故率明顯高于2臺(tái)分列運(yùn)行的運(yùn)行方式。

圖1 所用電典型接線

所用變分列運(yùn)行時(shí)2段所用電母線間不宜裝設(shè)自動(dòng)投入裝置，主要是為了防止工作母線發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)裝置投入或投入時(shí)間配合不佳，會(huì)引起故障范圍擴(kuò)大。

對于重要的500 kV變電站，通常配備3臺(tái)所用變，如圖2所示：正常運(yùn)行時(shí)，DL1和DL2合閘，DL3分閘，所用電2段母線分列運(yùn)行，互為備用；DL4和DL5分閘，0號(hào)所用變處于熱備狀態(tài)，作為1號(hào)和2號(hào)所用變的備用。

圖2500 kV變電站所用電接線

1.2 所用電負(fù)荷的典型供電方式

根據(jù)所用電負(fù)荷重要性及其區(qū)域分布特性分為以下3種供電方式。

1.2.1 重要負(fù)荷采用雙電源供電

目前，變電站主變冷卻、直流系統(tǒng)等重要負(fù)荷都是采用雙電源供電，其2路交流電源分別從2段所用電母線引接，互為備用，并在用電端將2路交流電源接至ATS（自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)），1路工作1路備用。例如在主變冷卻裝置控制箱內(nèi)自動(dòng)相互切換。正常時(shí)，2路交流電都有電，ATS取常用電源，當(dāng)常用電源異常或失電后自動(dòng)轉(zhuǎn)換至備用電源。常用電源恢復(fù)正常后，ATS自動(dòng)將負(fù)荷切回到常用電源。

鑒于ATS的上述特點(diǎn)，需要注意的是在設(shè)計(jì)或接線時(shí)必須考慮正常供電情況下所用電各段母線所帶負(fù)荷的均衡性。如圖3所示：當(dāng)有2臺(tái)主變或直流系統(tǒng)有2組充電機(jī)時(shí)，接入1號(hào)主變冷卻裝置和1號(hào)充電機(jī)組ATS的常用電源取所用屏Ⅰ母，而接入2號(hào)主變冷卻裝置和2號(hào)充電機(jī)組ATS的常用電源則考慮取自所用屏Ⅱ母。

圖3 同類多組負(fù)荷時(shí)考慮所用電2段母線負(fù)荷均衡性的接線方法

1.2.2 非重要負(fù)荷采用單電源供電

對于照明、生活、檢修電源等不重要負(fù)荷采用單電源供電，也稱輻射型供電。需要注意的是在設(shè)計(jì)或接線時(shí)必須考慮所用電各段母線所帶負(fù)荷的均衡性。

1.2.3 采用按配電裝置區(qū)域劃分的供電方式

斷路器儲(chǔ)能、閘刀操作及加熱器等重要負(fù)荷可采用按配電裝置區(qū)域劃分的，分別接在2段所用電母線的下列回路供電方式：

（1）各區(qū)域分別設(shè)置環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，并在環(huán)網(wǎng)中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)以便開環(huán)運(yùn)行，如圖4所示。K為負(fù)荷側(cè)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

圖4 環(huán)形供電方式

（2）各區(qū)域分別設(shè)置專用配電箱，向各間隔負(fù)荷輻射供電，配電箱進(jìn)線電源1路運(yùn)行，1路備用，如圖5所示。

圖5 區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤漭椛涔╇姺绞?/p>

隨著無人值守變電站的普及，當(dāng)所用變或者所用電發(fā)生故障時(shí)，集控站運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)并前往該站手動(dòng)閉合所用電分段開關(guān)或備用負(fù)荷開關(guān)，耗時(shí)必然較長。所用電較長的失電對正常生產(chǎn)有一定的影響，為減小或者盡量避免這種影響，需對所用電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2 所用電系統(tǒng)優(yōu)化方案一

2.1 優(yōu)選區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤漭椛涔╇?/p>

在220 kV變電站，環(huán)形供電方式通常用于站內(nèi)220 kV間隔、110 kV間隔或開關(guān)室35 kV間隔的斷路器儲(chǔ)能、閘刀操作及加熱器電源。需要注意的是：在正常運(yùn)行時(shí)，嚴(yán)禁誤碰、誤合聯(lián)絡(luò)開關(guān)。事故處理時(shí)，要按照“先拉后合”的原則進(jìn)行操作?；蚩紤]對聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行防非正常并列的防護(hù)設(shè)計(jì)。

環(huán)形供電方式又可以分為2種，如圖4所示。第1種：聯(lián)絡(luò)開關(guān)K合，K1和K2為1運(yùn)行1備用，即由K1或K2帶各間隔負(fù)荷，解合環(huán)都在所用屏進(jìn)行：第2種：聯(lián)絡(luò)開關(guān)K分，K1和K2合，即K1和K2各帶一部分間隔負(fù)荷。這2種供電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。第2種方式供電可靠性更高，因?yàn)閱我婚g隔故障對其他設(shè)備的影響范圍將被限制在本段當(dāng)中；但第2種方式中聯(lián)絡(luò)開關(guān)的物理位置無標(biāo)準(zhǔn)可言，難以被長期清楚記憶，需要做好清晰標(biāo)記；另外，這2種供電方式都存在故障時(shí)需事故排查、倒環(huán)路、隔離故障以及擴(kuò)展性較差[3]等諸多缺點(diǎn)。

相比環(huán)形供電，區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤漭椛涔╇娋哂幸韵聨c(diǎn)優(yōu)勢：

（1）事故處理簡單易行。由于單一間隔故障不影響其他間隔，因此事故排查、隔離直觀便捷。

（2）可靠性顯著提高。單一間隔故障不影響其他間隔，事故處理不需要解合環(huán)操作，大大減少了危險(xiǎn)性。

（3）擴(kuò)展性好。輻射供電具有擴(kuò)展便捷的優(yōu)點(diǎn)。

目前，區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤漭椛涔╇娨言谔旖虻貐^(qū)許多變電站應(yīng)用，并取得了良好的效果[3]。雖然區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤漭椛涔╇姺绞奖葌鹘y(tǒng)的環(huán)形供電方式在設(shè)備投資上稍有增加，但是綜合考慮供電系統(tǒng)的安全性、靈活性、可靠性等因素，這種供電方式優(yōu)于常用的環(huán)形供電方式[4]。因此，在新建常規(guī)或GIS變電站時(shí)，對于高中低壓三側(cè)的斷路器儲(chǔ)能、閘刀操作及加熱器負(fù)荷不妨考慮采用區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤漭椛涔╇姟?/p>

2.2 區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤涞膬?yōu)化

由于ATS能實(shí)現(xiàn)2路交流電源的自動(dòng)切換，可考慮在區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤鋬?nèi)也配置ATS，如圖6所示，ATS的2路交流電源分別從2段所用電母線引接，互為備用。正常時(shí)，2路交流電都有電，ATS取常用電源，當(dāng)常用電源異?；蚴щ姇r(shí)自動(dòng)切換至備用電源。常用電源恢復(fù)正常后，ATS自動(dòng)將負(fù)荷切回到常用電源。

圖6 配置ATS的區(qū)域?qū)Ｓ门潆娤?/p>

包括前述的主變冷卻、直流系統(tǒng)在內(nèi)，斷路器儲(chǔ)能、閘刀操作及加熱器等變電站所用電重要負(fù)荷都能實(shí)現(xiàn)交流電源自動(dòng)切換。即使所用電任一段母線出現(xiàn)故障導(dǎo)致該段母線停電，通過配置ATS都能實(shí)現(xiàn)交流電源自動(dòng)切換，保證變電站所用電的重要負(fù)荷都能正常供電，從而提高了變電站的供電可靠性。

3 所用電系統(tǒng)優(yōu)化方案二

近年來，隨著科技不斷進(jìn)步，ATSE（雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器）融合了現(xiàn)代材料、機(jī)電、測量、控制和微機(jī)技術(shù)，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，技術(shù)性能不斷提升。文獻(xiàn)[5-6]表明ATSE已在醫(yī)院、機(jī)場、銀行、高層建筑、軍事設(shè)施等重要用電場所得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)在變電站所用電系統(tǒng)中逐步有了嘗試[7-8]，應(yīng)用在電源的首端，突破了DL/T 5155-2002《220～500 kV變電所所用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第4.2.2條2段工作母線間不宜裝設(shè)自動(dòng)投入裝置的規(guī)定。

圖7所示為所用電系統(tǒng)優(yōu)化方案二的2種采用ATSE裝置的變電站所用電接線圖，左圖常用于220 kV及以下變電站中，右圖可作為500 kV變電站所用電系統(tǒng)的常用設(shè)計(jì)。

圖7 2種采用ATSE的變電站所用電接線

3.1 ATSE的分類

ATSE一般由開關(guān)本體和控制器2部分組成。開關(guān)本體接在主電路上，作為ATSE的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂破饔糜跈z測主、備2路電源工作狀況，當(dāng)電源異常時(shí)，發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)開關(guān)本體投切。

ATSE可分為PC級、CB級和CC級3個(gè)級別。PC級能夠接通、承載，但不用于分?jǐn)喽搪冯娏?；CB級配備過電流脫扣器，其主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏?；CC級能接通、承載，但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鳎ㄊ芏搪冯娏鳑_擊后，主觸頭允許熔焊），其主體部分由接觸器構(gòu)成，目前電氣設(shè)計(jì)中較少采用。

需要說明的是，方案一中的ATS通常是廠家自帶的勵(lì)磁式轉(zhuǎn)換開關(guān)，如早期的主變冷卻裝置和目前一直在用的直流屏內(nèi)自帶的ATS，是由勵(lì)磁式接觸器外加控制器構(gòu)成的一個(gè)整體裝置，機(jī)械聯(lián)鎖可靠，轉(zhuǎn)換由電磁線圈產(chǎn)生吸引力來驅(qū)動(dòng)開關(guān)，速度快。

3.2 CB級與PC級ATSE的比較與選用

（1）分?jǐn)喽搪冯娏鳌B級ATSE能接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏?；PC級ATSE不用于分?jǐn)喽搪冯娏鳎涠搪冯娏鞯姆謹(jǐn)嘤蓴嗦菲鲗?shí)現(xiàn)。

（2）可靠性。CB級ATSE的開關(guān)本體由2個(gè)斷路器、分合線圈、儲(chǔ)能電機(jī)、輔助接點(diǎn)及外置機(jī)械聯(lián)鎖等分立元器件組成，系統(tǒng)可靠性較低；PC級ATSE的開關(guān)本體為一體化設(shè)計(jì)，零件數(shù)量少，可靠性高。

（3）安全性。2路電源在轉(zhuǎn)換過程中存在電源疊加問題，PC級ATSE充分考慮了這一因素，PC級ATSE的電氣間隙、爬電距離一般是斷路器的1.5～1.8倍，因而PC級ATSE安全性更好。

（4）轉(zhuǎn)換時(shí)間。一體化的PC級ATSE轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為100 ms；負(fù)荷開關(guān)型PC級和CB級ATSE轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為1.5～3.0 s。

另外在體積、觸頭材料、電氣壽命等方面，PC級都要優(yōu)于CB級ATSE。因此，在電源級的配電系統(tǒng)中，一體式PC級ATSE配合前置斷路器是理想的電源切換設(shè)備，為目前變電站所用電系統(tǒng)提供了合理的設(shè)計(jì)方案。

3.3 采用ATSE的注意事項(xiàng)

（1）PC級ATSE配前置斷路器。由于PC級ATSE能夠接通、承載，但不用于分?jǐn)喽搪冯娏?，其短路電流的分?jǐn)啾仨氂蓴嗦菲鲗?shí)現(xiàn)。另外考慮設(shè)備檢修以及日常所用電運(yùn)維操作的便捷性，也需在ATSE前配斷路器。

（2）必須明確切換條件。ATSE控制器用于檢測主、備電源的工作狀況，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，控制器發(fā)出動(dòng)作指令。電源故障包括三相失壓、任意一相斷相、欠壓、過壓或頻率出現(xiàn)偏差等。ATSE能根據(jù)用戶的不同需求合理選擇切換條件和定值設(shè)置。

（3）上下級配合。目前變電站所用電負(fù)荷側(cè)存在廠家自帶電源自動(dòng)切換裝置，比如主變冷卻器或者直流充電屏等，必須考慮ATSE與下級電源的配合。當(dāng)常用電源發(fā)生故障時(shí)，為避免ATSE與下級電源自動(dòng)切換裝置之間無序切換、同時(shí)切換或切換失敗造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，上下級之間需要一個(gè)時(shí)間差。建議ATSE要快于下級電源自動(dòng)切換裝置大約0.5 s。

（4）延遲自復(fù)。從備用電源自動(dòng)恢復(fù)到常用電源即自復(fù)，ATSE一般具備自復(fù)功能。但通常不希望常用電源一恢復(fù)TASE就立即自復(fù)，而是在常用電源恢復(fù)正常一定時(shí)間后，ATSE再切換到常用電源。延時(shí)自復(fù)的目的在于確保常用電源正常，避免因常用電源短時(shí)間恢復(fù)后再次故障而導(dǎo)致頻繁切換。

4 結(jié)論

為了保障變電站所用電負(fù)荷尤其是重要負(fù)荷的連續(xù)供電，本文提出了2種優(yōu)化方案。方案一可以在不改變所用電主接線的前提下，對于重要負(fù)荷采用2路供電方式，通過負(fù)荷側(cè)的ATS實(shí)現(xiàn)2路電源的自動(dòng)切換，保證了重要負(fù)荷的連續(xù)供電。方案二提出在所用電電源側(cè)采用ATSE實(shí)現(xiàn)2段所用電自動(dòng)切換。ATSE具有原理簡單、安全可靠、安裝維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)，符合智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，順應(yīng)了變電站無人化、智能化的歷史潮流，滿足了站內(nèi)所用電自動(dòng)切換、連續(xù)供電的需求。隨著ATSE的不斷完善，在未來智能一體化電源、智能變電站的設(shè)計(jì)中，會(huì)被越來越多地采用。

[1]DL/T 5155-2002 220～500 kV變電所所用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2002.

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[3]高軍彥，臧彥洪.變電站380 V端子箱環(huán)路接線比較分析與改進(jìn)[J].天津電力技術(shù)，2012（2）∶36-37.

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（本文編輯：方明霞）

（1）一期只需在低配室安裝1個(gè)采集終端，所有計(jì)量回路的表計(jì)采用RS-485線通過管線通道與采集終端連接，實(shí)現(xiàn)回路的計(jì)量。但二期需要做到分層、分區(qū)域，由于主樓和輔樓離低配室距離較遠(yuǎn)，又要考慮到樓層高度、橫向走廊寬度，RS-485線通信距離不能滿足現(xiàn)場要求。

（2）每層分區(qū)域的2個(gè)配電箱布置在樓層，直接裝在墻上，若要敷設(shè)RS-485線，在墻上挖槽或者走PVC管線安裝的工作量都很大，而且影響美觀。

（3）布線安裝工程量較大。

考慮到以上3個(gè)問題以及大樓建筑能源管理系統(tǒng)一、二期項(xiàng)目的統(tǒng)一性，決定采用MESH無線通信的方式，在低配室取消采集終端的布置，用MESH采集模塊和柱狀路由器代替，一期所有回路表計(jì)通過MESH采集模塊采集，二期各樓層區(qū)域配電箱安裝計(jì)量表計(jì)和MESH采集模塊，MESH采集模塊自主組網(wǎng)，與柱狀路由器進(jìn)行無線通信、無線采集。

系統(tǒng)自2015年3月投入運(yùn)行以來，通信穩(wěn)定，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)終端問題。通過與大樓前3年的平均能耗對比分析，應(yīng)用本系統(tǒng)后該大樓的能耗降低了10%。

Two Optimization Schemes for Auxiliary Power Supply System of Substation

ZHOU Jie，CHEN Zhi，LI Yong，YI Yongli
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

In order to improve the reliability and continuity of auxiliary power supply of substation,the paper proposes two optimization schemes for key loads and power side based on main connection and operation modes currently adopted in substations.It is practically proved that the two optimization schemes enable auxiliary power supply of substation to be more automated and intelligent,providing feasible scheme for transformation of auxiliary power supply for substation or its design and construction in the future.

substation；auxiliary power of substation；optimization scheme；ATSE（automatic transfer switching equipment）

TM732

：B

：1007-1881（2016）02-0014-04

2015-11-02

周杰（1984），男，工程師，從事繼電保護(hù)和二次設(shè)備相關(guān)工作。其能耗進(jìn)行采集、計(jì)量、展示、分析。系統(tǒng)分為一期和二期，一期只需實(shí)現(xiàn)低配室分回路計(jì)量，二期的采集空間顆粒度要做到分層、分區(qū)域，每層2個(gè)區(qū)域。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以下問題：