石油化工裝置110 kV變電站的工程設(shè)計探討

劉庚欣

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

石油化工裝置110 kV變電站的工程設(shè)計探討

劉庚欣

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

針對石油化工企業(yè)運(yùn)行生產(chǎn)的特點(diǎn)，結(jié)合110 kV變電所工程案例，對電源配置、主接線方式、配電裝置選型、變電所布置、繼電保護(hù)和系統(tǒng)計算等電氣設(shè)計原則和方法進(jìn)行了闡述，并對類似工程設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)。

110 kV變電所；主接線；配電裝置

在現(xiàn)代化石油化工企業(yè)中，電力作為主要生產(chǎn)動力，對保證企業(yè)安全、可靠、高效的生產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。近年來，隨著大型石油化工裝置規(guī)模逐步擴(kuò)大，110 kV電壓等級也逐漸普及，深入到各個生產(chǎn)裝置區(qū)域。本文通過某工程設(shè)計案例對石油化工裝置110 kV變電站的工程設(shè)計進(jìn)行了探討和總結(jié)。

110 kV區(qū)域變電站是指裝設(shè)在生產(chǎn)裝置界區(qū)內(nèi)或界區(qū)邊緣的負(fù)荷中心變電站，是石油化工企業(yè)電氣系統(tǒng)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的核心部分。

1 工程概況

某石化企業(yè)是一個擁有發(fā)電、供電和用電完整電力系統(tǒng)的老企業(yè)，其最高電壓等級為220 kV，采用35 kV為主供電網(wǎng)架，10 kV為副供電網(wǎng)架。目前，現(xiàn)有供電網(wǎng)已經(jīng)不堪重負(fù)，35 kV、10 kV系統(tǒng)供電能力不足，并且出現(xiàn)了220/35 kV主變負(fù)荷率超標(biāo)、35 kV電源無空余倉位、35 kV系統(tǒng)電容電流過大等系列問題，擴(kuò)容改造已迫在眉睫。根據(jù)企業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，該企業(yè)在未來幾年內(nèi)計劃新建一批新項(xiàng)目，由于項(xiàng)目進(jìn)度不同，分為兩階段分布實(shí)施。新建生產(chǎn)裝置主要集中在企業(yè)東南部區(qū)域。項(xiàng)目實(shí)施至第一階段，該企業(yè)預(yù)計負(fù)荷增加約為60 MW；至第二階段，該企業(yè)預(yù)計負(fù)荷增加至135 MW。

根據(jù)以上用電負(fù)荷容量以及現(xiàn)有電網(wǎng)存在問題分析，結(jié)合本行業(yè)電力系統(tǒng)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)管理規(guī)定要求，企業(yè)選擇新建110 kV區(qū)域變電站一座，為新建生產(chǎn)裝置和附近已建成的現(xiàn)有裝置供電。

2 電源配置

在電氣設(shè)計中，聯(lián)合型和大型石油化工企業(yè)的用電負(fù)荷屬于一級企業(yè)用電負(fù)荷。在這些企業(yè)中，這些重要的或主要的生產(chǎn)裝置及確保其正常運(yùn)行的公用設(shè)施的用電負(fù)荷一旦供電中斷，將造成重大經(jīng)濟(jì)損失，且恢復(fù)供電后需要很長時間才能恢復(fù)正常生產(chǎn)。本次新建的110 kV區(qū)域變電站將為一級企業(yè)用電負(fù)荷提供可靠的電源。

根據(jù)以上電源現(xiàn)狀及其用電負(fù)荷重要性，本次新建的110 kV區(qū)域變電站最終選用四電源配置，電源分別引自該企業(yè)的3座上游總變電站。這三座上游變電站具體情況如下：熱電一站設(shè)一臺220/110 kV、240 MVA變壓器，負(fù)荷率為7.7 %；石化變電站設(shè)一臺220/110 kV、240 MVA變壓器，負(fù)荷率為12.2 %；熱電三站設(shè)兩臺220/110 kV、240 MVA變壓器，目前正在建設(shè)中。

本次項(xiàng)目分兩期進(jìn)行，第一期工程兩回路110 kV電源進(jìn)線，分別引自熱電一站和石化變電站；第二期工程另外兩回路110 kV電源進(jìn)線，分別引自熱電三站的110 kV不同母線。四電源配置方式下的任意兩回路系統(tǒng)電源容量應(yīng)能帶動全站負(fù)荷長期運(yùn)行，可以滿足一級企業(yè)用電負(fù)荷要求。電源電纜采用ZR-YJLW02-64/110-1X400 mm2，每回路的供電能力為90 MVA。

3 主接線設(shè)計

電氣主接線設(shè)計是變電所電氣設(shè)計的重要部分，關(guān)系到運(yùn)行的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性，并且對電氣設(shè)備選擇、配電裝置布置和繼電保護(hù)都有較大影響，應(yīng)遵循安全、可靠、簡單、清晰的設(shè)計原則。

化工企業(yè)負(fù)荷等級高，出線回路較多，電力系統(tǒng)的主接線一般不采用無匯流母線的接線方式，即內(nèi)橋和外橋接線。110 kV區(qū)域變電站一般采用單母線分段和雙母線的接線方式，當(dāng)采用GIS組合電器裝置時，根據(jù)回路數(shù)量，主接線可采用雙母線雙分段的接線方式。

單母線分段接線的優(yōu)點(diǎn)是對重要用戶可以從不同段引出兩個回路，由兩個電源供電，當(dāng)一段母線發(fā)生故障，分段斷路器自動將故障段切除，保證正常段母線不間斷供電和不致使重要用戶停電。缺點(diǎn)是當(dāng)一段母線或母線隔離開關(guān)故障或檢修時，該段母線的回路都要在檢修期間停電。[1]

圖1 單母線分段接線Fig. 1 Single bus subsection connection

雙母線接線的優(yōu)點(diǎn)是供電可靠，調(diào)度靈活，各個電源和各回路負(fù)荷可以任意分配到某一組母線上，能靈活地適應(yīng)系統(tǒng)中各種運(yùn)行方式調(diào)度和潮流變化的需要。

在上述兩種接線方式中，單母線分段適用于出線回路數(shù)為3～4回的110 kV配電裝置，雙母線分段適用于出線回路數(shù)為5回及以上的110 kV配電裝置。當(dāng)出線回路在10回路以上，我們推薦采用雙母線雙分段的接線方式。

圖2 雙母線接線Fig. 2 Double bus connection

本次新建的110 kV變電站將設(shè)四回路110 kV電源進(jìn)線、四臺110 kV主變壓器和兩回路110 kV電源出線，出線回路數(shù)和母線上電源較多、輸送功率大，因此考慮在兩組母線上均設(shè)置斷路器，110 kV母線采取雙母線雙分段方式（分段、母聯(lián)設(shè)聯(lián)絡(luò)）主接線圖，詳見圖3。這樣，母線故障后能迅速恢復(fù)供電，母線或母線設(shè)備檢修時也不會不影響對用戶的供電，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度非常靈活。

圖3 變電站110 kV系統(tǒng)主接線Fig. 3 Single line diagram of the 110 kV system

4 關(guān)鍵設(shè)備選型

4.1 主變壓器選擇

主變壓器的選擇一般按變電所建成后5～10年的規(guī)劃負(fù)荷選擇，并適當(dāng)考慮到遠(yuǎn)期10～20年的負(fù)荷發(fā)展，并且根據(jù)變電所所帶用電設(shè)備的負(fù)荷等級和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來確定主變壓器的容量和臺數(shù)。

我們將預(yù)測用電負(fù)荷根據(jù)電壓等級再做進(jìn)一步潮流分析，計算出35 kV饋出線負(fù)荷總計59 MW，10 kV饋出線負(fù)荷總計為51 MW。按照石化企業(yè)的調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，110 kV區(qū)域變電站單臺變壓器容量一般不超過63 MVA，電壓等級一般為110/35/6 kV。本變電所所帶的負(fù)荷均為一級負(fù)荷，需考慮當(dāng)一臺主變停運(yùn)后，另一臺主變能保證所有負(fù)荷，因此最終選擇四臺110±8×1.25 %/37/10.5 kV油浸式主變壓器，容量為63/40/30 MVA，聯(lián)接組別為YNyn0d11。

接下來需要選擇變壓器各側(cè)的阻抗值，必須從電力系統(tǒng)穩(wěn)定、潮流方向、短路電流和繼電保護(hù)等多方面進(jìn)行綜合考慮。從供電電壓質(zhì)量考慮，希望主變的阻抗越小越好；但阻抗偏小，會導(dǎo)致系統(tǒng)短路容量增加，對電氣設(shè)備的要求將會增高，投資增加，因此需要綜合考慮。

本工程選擇的是三繞組變壓器，高、中、低繞組各一個，我們可選擇高－中阻抗為10.5 %，結(jié)合制造商提供的高－低阻抗17.5 %和中－低阻抗6.5 %，再通過網(wǎng)絡(luò)等值變換，計算出各繞組的電抗，以用于后續(xù)的短路計算電抗標(biāo)幺值計算。

110 kV變壓器的絕緣水平應(yīng)滿足表1中的數(shù)據(jù)。110 kV中性點(diǎn)繞組一般為直接接地方式，其絕緣水平比首段要低，因此中性點(diǎn)保護(hù)可采用分級絕緣。對于冷卻方式，我們常選用自冷式全封閉型和自冷式自然油循環(huán)型，考慮到更好地散熱，本工程選擇后者。同時在選擇變壓器時，還需考核變壓器允許短時間過載能力，以滿足事故狀態(tài)下出現(xiàn)的過負(fù)荷。

表1 變壓器額定絕緣水平Tab. 1 Rated insulation level of transformer

4.2 110 kV配電裝置

本工程選用戶內(nèi)型110 kV GIS（110 kV六氟化硫封閉式組合電器），主要有4個電源進(jìn)線間隔、2個母聯(lián)間隔、2個分段間隔、4個母線PT及避雷器間隔、4個變壓器出線間隔和2個饋出線間隔等。

110 kV GIS設(shè)備是戶內(nèi)SF6氣體絕緣，金屬鎧裝封閉式結(jié)構(gòu)、免維護(hù)的，其機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)符合安全可靠的要求，短路時能滿足動熱穩(wěn)定型要求，確保在全部運(yùn)行條件下操作安全和檢查、維修期間人員的安全，并應(yīng)滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。GIS裝置的絕緣水平應(yīng)滿足表2中的數(shù)據(jù)。

表2 GIS額定絕緣水平Tab. 2 Rated insulation level of GIS

GIS裝置內(nèi)部主要元器件包括斷路器，隔離－接地三工位開關(guān)、快速接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、絕緣子和母線等。六氟化硫斷路器體積小、可靠性高、開關(guān)性能好、燃弧時間短、不重燃。三工位隔離接地組合開關(guān)把隔離開關(guān)和檢修接地開關(guān)組合在一起，共用一個動觸頭，具有天然的機(jī)械閉鎖，從結(jié)構(gòu)上避免了隔離開關(guān)和接地開關(guān)同時接通的可能，完全避免無操作的風(fēng)險?？焖俳拥亻_關(guān)可以直接對帶電系統(tǒng)接地，對于線路對側(cè)處于帶電狀態(tài)的誤操作，在線路側(cè)安裝快遞接地開關(guān)可以消除GIS系統(tǒng)的隱患。

以上高壓設(shè)備應(yīng)按下列條件[2]選擇：

（1）按主要額定特性參數(shù)包括電壓、電流、頻率、開斷電流等選擇，本工程選擇額定電壓（有效值）145 kV，正常運(yùn)行電壓110 kV、主母線（鋁合金）電流2 500 A、頻率50 Hz。

（2）按短路條件進(jìn)行動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定校驗(yàn)，本工程選擇熱穩(wěn)定電流31.5 kA、動穩(wěn)定電流80 kA。

（3）按承受過電壓能力及絕緣水平選擇，可按上表2參數(shù)選型。

（4）按環(huán)境條件，如溫度、濕度、海拔等選擇，按當(dāng)?shù)刈匀粭l件進(jìn)行選型，當(dāng)海拔高于1 000 m，需要特別注明。

5 變電所布置

新建變電所站址的選擇原則為：在滿足防爆和防火安全間距的條件下，根據(jù)總圖的布置和用電負(fù)荷的分布情況，就近負(fù)荷中心，還需兼顧規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、施工等方面的要求。

根據(jù)以上原則，本工程擬新建的110 kV區(qū)域變電站選址在企業(yè)東南部區(qū)域內(nèi)，靠近裝置界區(qū)，選用戶內(nèi)GIS站方案，地上四層結(jié)構(gòu)。

110 kV GIS組合電器布置在變電站第四層，廠房高9.5 m，可以滿足不同廠家GIS設(shè)備的布置和安裝；并建議在本層就近布置二次保護(hù)設(shè)備室和控制室。變電所第二層用于布置35 kV、10 kV和380 V開關(guān)柜等電氣設(shè)備，第一、三層設(shè)置電纜夾層。

110 kV主變壓器室也布置在第一層，為單層結(jié)構(gòu)，變壓器本體和散熱器為水平分體式布置，本體安裝在獨(dú)立封閉防火室內(nèi)，變壓器上方設(shè)置通風(fēng)百葉，下方設(shè)置儲油池，散熱器室為半敞開式，以利散熱。[3]

變電所的形式多樣化，我們在每次設(shè)計中，需結(jié)合電氣設(shè)備型式、電纜通道和運(yùn)行維護(hù)習(xí)慣來綜合考慮，既要滿足電氣操作要求，還要緊湊合理，節(jié)約用地。

6 繼電保護(hù)配置

關(guān)于繼電保護(hù)裝置的布置，不同電壓等級的習(xí)慣做法是有區(qū)別的。110 kV系統(tǒng)和110 kV主變壓器的保護(hù)和測控裝置一般獨(dú)立分開，單獨(dú)組柜，與相應(yīng)的電度表柜、故障錄波器等二次設(shè)備和通信設(shè)備屏柜集中布置在二次保護(hù)設(shè)備室內(nèi)；而35（10）kV則采用保護(hù)測控一體化裝置，就地布置在35（10）kV開關(guān)柜內(nèi)。

本次新建的110 kV變電站采取以下繼電保護(hù)配置，見表3。

針對同類型的配電系統(tǒng)一次接線，可能會有不同的繼電保護(hù)方案，但都必須建立在運(yùn)行方式基礎(chǔ)上，滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性，用于處理可能出現(xiàn)的電氣故障。

表3 繼電保護(hù)配置Tab. 3 Relay setting con fi guration

7 系統(tǒng)計算

7.1 短路電流

短路電流計算是我們在電氣設(shè)計中最重要的計算，數(shù)據(jù)將作為電氣設(shè)備和材料選型的依據(jù)，短路電流計算得出的最大短路電流值一般用來校驗(yàn)所選電氣設(shè)備和材料的選擇，動、熱穩(wěn)定性校驗(yàn)，得出的最小短路電流值一般用來校驗(yàn)所選用繼電保護(hù)裝置的靈敏度和校驗(yàn)電動機(jī)起動的依據(jù)。

本工程采用電力系統(tǒng)計算軟件ETAP進(jìn)行短路電流計算，當(dāng)110 kV母線段發(fā)生短路時，最大三相短路電流初始值為12.6 kA，最大三相短路電流初始值為8.7 kA。

7.2 確定中性點(diǎn)接地方式

選擇電力網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式是一個綜合性問題，它與電壓等級、單相接地短路電流、過電壓水平、保護(hù)配置有關(guān)，直接影響電網(wǎng)的絕緣水平。

直接接地方式單相短路電流很大，線路或設(shè)備須立即切除，絕緣水平可降低，減少了設(shè)備造價，適用于高壓和超高壓電網(wǎng)。為避免變壓器中性點(diǎn)因受到雷擊沖擊和故障引起電壓升高，對變壓器絕緣造成損耗，因此110 kV系統(tǒng)可采用中性點(diǎn)直接接地+間隙接地方式。

35 kV電容電流通過估算電纜線路以及每千米單相接地電容電流的平均值進(jìn)行計算35 kV電容電流，當(dāng)單相接地故障電容電流不大于10 A時，可采用中性點(diǎn)不接地方式；經(jīng)計算，本工程35 kV電容電流大于10 A，又需在接地故障條件下運(yùn)行，此時我們選擇采用消弧線圈接地方式。

式中 Ic——電網(wǎng)的接地電容電流，A；

K——系數(shù)，過補(bǔ)償可取1.35。

我們推薦選用具有自動調(diào)節(jié)功能的消弧線圈，這樣在接地電容電流發(fā)生變化時，可以很方便地調(diào)節(jié)脫諧度使其不超過±5 %，以便把弧光過電壓水平限制在2.6倍相電壓以下。

7.3 大型機(jī)組供配電設(shè)計

隨著石化裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電機(jī)容量也越來越大，變壓器－電動機(jī)組的供電方式也越來越多，本工程的壓縮機(jī)主電機(jī)為18 000 kW機(jī)組，采用專用變壓器供電，全壓起動，變壓器一次側(cè)電壓為110 kV，二次側(cè)電壓為10 kV，變壓器作為電動機(jī)的專用設(shè)備。

起動時母線電壓相對值：

起動回路的額定輸入容量：

式中 Skm——母線短路容量，MVA；

SstM——電動機(jī)額定起動容量，MVA；

Qfh——預(yù)接負(fù)荷的無功功率，Mvar；

通過核算，當(dāng)壓縮機(jī)主電機(jī)起動時，110 kV母線電壓降為3.2 %，電動機(jī)端電壓降為19.5 %，滿足系統(tǒng)和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩要求，因此主電機(jī)采用專用變壓器直接起動的方案是可行的。

至此，我們基本完成了該企業(yè)新建的110 kV區(qū)域變電站的電氣工程設(shè)計，包括電氣系統(tǒng)一次和二次的主要內(nèi)容，同時電氣專業(yè)作為變電站的主導(dǎo)專業(yè)，需積極協(xié)調(diào)各專業(yè)，互相配合。

8 結(jié)論

本文通過工程實(shí)例，介紹了石油化工裝置110 kV變電站的電氣工程設(shè)計基本原則和方法。變電站具有形式多樣、操作運(yùn)行習(xí)慣差異大等特點(diǎn)，我們在設(shè)計中即要保證安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，同時也要做到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，在石化企業(yè)中有廣泛的適用性，并能在一定時間內(nèi)，對不同地點(diǎn)、不同形式均能適用。

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，新產(chǎn)品的推陳出新，我們需要不斷完善自身設(shè)計，才能為企業(yè)工廠電網(wǎng)的運(yùn)行安全性和供電可靠性奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]水利電力部西北電力設(shè)計院. 電力工程電氣設(shè)計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，1989.

[2]任元會.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊. 三版[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[3]劉振亞. 國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計110 kV變電所分冊[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

Discussion of Design of 110 kV in Petrochemical Plant

Liu Gengxin
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

With respect to the characteristics of operation of petrochemical enterprises and combined with engineering example of 110 kV substation, in this article, the electrical design principles and methods, including power source con fi guration, main circuit connection, electrical facility selection, substation layout, relay protection and system calculation, were presented. At the same times, the similar engineering designs were summarized.

110kV substation; main circuit connection; electrical facility

TM 63

：A

：2095-817X（2017）02-0012-005

2016-06-13

劉庚欣（1981—），男，高級工程師，從事電氣工程設(shè)計工作。