220 kV 變電站一次系統(tǒng)設計探討

楊志成，黃學彥

（深圳供電規(guī)劃設計院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

電力系統(tǒng)中變電站擔負著變換電壓、匯集電能及輸送電能的重任，其中一次系統(tǒng)的設計水平直接影響著電力系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，因此在220 kV變電站一次系統(tǒng)設計過程中，應重視工程選址分析，做好變壓器、電氣接線、主要設備及配電裝置等的選擇和設計，提高一次系統(tǒng)設計的合理性，使其更好地服務于電力生產(chǎn)與系統(tǒng)運行。

1 220 kV變電站一次系統(tǒng)的重要性分析

電力系統(tǒng)主要包括發(fā)電、變電、輸電、配電以及用電等環(huán)節(jié)。變電站的作用是變化電壓、接收電能、分配電能及控制電力流向。如果一次系統(tǒng)設計存在缺陷，如變電站位置不合理、變壓器規(guī)格不適用、設備性能差及線路連接有問題等，均會給變電站和整個電力系統(tǒng)埋下安全隱患，所以220 kV變電站一次系統(tǒng)設計不容忽視。

220 kV變電站一次系統(tǒng)設計過程中，不僅要立足所在區(qū)域的實際需求和變電站建設要求，還應遵循一定原則，包括安全可靠性、效益最大化、協(xié)調(diào)性、特殊性以及可持續(xù)發(fā)展等原則。要求變電站一次系統(tǒng)的設計方案是全面分析和優(yōu)化后的最佳方案，可滿足具體功能和需求，并與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。

2 220 kV變電站一次系統(tǒng)的設計要點

2.1 加強系統(tǒng)設計論證

對于220 kV變電站一次系統(tǒng)設計，變電站總體結(jié)構(gòu)是設計重點，因此應分析站址的水文條件、氣象條件及地址條件，以提高選址的合理性。根據(jù)水平年、負荷水平、潮流方式、功率因數(shù)及電壓控制范圍等確定接入系統(tǒng)，對變電站總體結(jié)構(gòu)進行設計論證，同時將變電站位置、系統(tǒng)作用、運行要求、發(fā)展規(guī)模、負荷分級、主變臺數(shù)、電壓等級以及系統(tǒng)備用容量等納入考慮和論證范圍，以保證變電站設計的可靠性和可行性[1]。

2.2 重視變壓器的選擇

變電站中的變壓器可實現(xiàn)不同電壓等級之間的功率交換和功率輸送，若選用不當，不僅影響電氣主接線和配電裝置，還會造成經(jīng)濟損失，因此要結(jié)合區(qū)域用電原始資料和未來發(fā)展規(guī)劃對新增負荷和出現(xiàn)回路數(shù)進行科學預測，并從變壓器相數(shù)、繞組數(shù)、連接組別、調(diào)壓方式及冷卻方式等方面確定規(guī)格型號。為保證可靠供電，建議至少設置兩臺變壓器，以免因檢修或故障引發(fā)大面積、長時間停電。例如，某220 kV變電站決定近期安裝1臺180 MVA容量的變壓器，遠期規(guī)劃則為3臺180 MVA容量的變壓器作為主變規(guī)模，其中容量是由調(diào)相調(diào)壓計算結(jié)果確定的。該地區(qū)最終設定的主變壓器參數(shù)如表1所示[2]。220 kV主變電站要求必須可靠接地，常用的方式為中性點接地，出現(xiàn)單相短路時可瞬時自動重合閘切斷故障，既保證了設備安全，又減少了事故影響和損失。出于安全考慮，該變電站中主變壓器的110 kV和220 kV一側(cè)的中性點經(jīng)隔離開關直接接地。此外，容性與感性無功補償技術(shù)，強化了電力系統(tǒng)的無功平衡，以適應峰值和低谷的負荷運行變化。

表1 某220 kV變電站主變壓器參數(shù)

2.3 優(yōu)化電氣接線形式

電氣主接線形式設計水平不僅影響變電站和整個電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性，而且很大程度地決定了配電裝置、電氣一次設備及電氣二次設備的選型，所以需格外重視和具體分析。電氣主接線形式主要有兩種：第一種是雙母線接線及其分段接線，雖然靈活性好，可靠性高，但操作和保護復雜；第二種是單母線接線及其分段接線，雖然操作方便，但靈活性和可靠性難以保障。所以，設計時應從可靠性、靈活性及經(jīng)濟性綜合權(quán)衡，選擇最優(yōu)設計方案。例如，某地變電站針對220 kV側(cè)主接線考慮到當?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜、運行調(diào)整難度較大及對可靠性要求較高，提出了雙母線接線和雙母線雙分段接線兩種設計方案。通過條件假設，對事故狀態(tài)下和檢修狀態(tài)下的兩者的可靠性進行分析和計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然雙母線接線形式投資成本較低，占地面積略小，但可靠性不如雙母線雙分段接線，且雙母線雙分段接線運行較靈活，容易擴建。因此，綜合分析該變電站的系統(tǒng)地位、可靠性、靈活性以及投資占地等相關因素后選擇了雙母線雙分段接地，主接線形式如圖1所示[3]。

圖1 某地變電站220 kV側(cè)電氣主接線形式

2.4 妥善防治短路故障

變電站長期運行中，難免發(fā)生短路故障。該故障破壞力強，危害性大，且成因復雜，不僅可能引發(fā)停電事故，還可能破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，因此需采取有效措施加以預防和治理。（1）科學計算短路電流。該措施的目的是為后續(xù)的設備選擇、繼電保護及接地設計等提供數(shù)據(jù)參考。三相對稱短路電流雖然故障概率僅有2%～5%，但其影響和危害卻是最嚴重的。不管是主接線方式的選擇，還是電氣設備熱穩(wěn)定性和電氣設備動穩(wěn)定性的校驗，均必須以三相短路電流為重要依據(jù)，以保障短路故障下電力系統(tǒng)依舊能安全運行。具體地，需根據(jù)系統(tǒng)專業(yè)提供的初始條件，對220 kV和110 kV側(cè)的不對稱短路電流加以計算。（2）優(yōu)化電氣設備選擇。獲得相應的短路電流計算結(jié)果后，便是電氣設備的選擇。此時要求電氣設備的工作電壓、額定頻率、額定電流及長期載流量等能滿足正常運行狀態(tài)與故障及時切除的需要，且經(jīng)濟可靠，能適應實際環(huán)境，最好同類設備為同一型號，如某220 kV變電站中的GIS出線間隔采用的是3 150 A/50 kA規(guī)格的斷路器、3 150 A規(guī)格的隔離開關以及2×800/1 A 5P30/5P30/0.2 s/0.2 s3 150 A規(guī)格的電流互感器，避雷器采用的是規(guī)格為204/532 kV的氧化鋅避雷器[4]。

2.5 完善配電裝置設計

配電裝置指的是用于測量和保護的輔助設備，可在系統(tǒng)故障狀態(tài)下及時有效的切斷故障源，保護系統(tǒng)運行正常。應遵循運行可靠、方便檢修、安全經(jīng)濟及便于擴建的要求，合理選擇和切實完善配電裝置，一般需滿足220 kV的過電壓控制水平應為1.3 p.u.，220 kV進出線間隔需設置避雷器，設備絕緣配置需符合規(guī)定值，電氣設備內(nèi)部絕緣對地額定沖擊電壓與避雷器動作過電壓應至少具備1.15的匹配系數(shù)等。在防雷與接地設計環(huán)節(jié)，避雷針除與主接地網(wǎng)連接外，還應連接附近的集中接地裝置，沿接地體長度應大于15 m，接地阻值低于10 Ω；為防止發(fā)生反擊，主變壓器構(gòu)架無需設置避雷針。對于接地設計，應根據(jù)實際需求做好接地網(wǎng)的部署，如材料、邊長、間距及埋深等。此外，站用電源和照明等配電裝置也應予以合理設計。

3 結(jié) 論

220 kV變電站一次系統(tǒng)設計直接影響電力生產(chǎn)效率的提高和供電質(zhì)量的保障。因此，需立足實際，把握一次系統(tǒng)設計原則，選擇合適的變壓器和電氣設備，優(yōu)化主接線方式，準確計算短路電流，采取有效的保護措施，以促進220 kV變電站一次系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效地運行。