大功率車載式移動變電站設計應用系統(tǒng)研究

蔡晶，冉旺，韓丹，劉石，林清如，劉志剛，許成昊

(1.廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責任公司，廣東 廣州510080；2.廣東電科院能源技術有限責任公司，廣東 廣州 510080；3.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080)

“十三五”期間，隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和電網(wǎng)建設發(fā)展的不斷推進，對變電站供電可靠性的要求越來越高，電力供應需求進一步擴大。中國南方電網(wǎng)有限責任公司(以下簡稱“南網(wǎng)”)近年來積極推廣新設備、新材料、新技術、新工藝的應用，同時將應對自然災害、事故搶修、變電站改造、階段性負荷高峰等情況，以及如何保障供電不間斷、縮短失電時間作為重要研究課題。移動變電站是在有限空間下的低成本、高效益、智能化的供電解決方案，是將傳統(tǒng)變電站的電氣一次設備、電氣二次系統(tǒng)安裝在平板拖車或集裝箱中的變電站，可在電網(wǎng)的規(guī)劃、運行等階段實現(xiàn)分布式能源集成，為用戶提供高質(zhì)量和高可靠性的供電服務[1-2]。移動變電站具有集成化程度高、體積小、占地少、選址靈活、投資小、見效快等優(yōu)點，在使用上具有便于運輸、組合靈活、安裝快捷等特點，尤其是達到城市電網(wǎng)常規(guī)容量及電壓等級的移動變電站，具有廣闊的應用前景。

移動變電站的應用始于歐洲及北美地區(qū)，加拿大安大略水電公司自20世紀70年代起就已經(jīng)開始使用移動變電站，主要用于設備檢修和設備故障臨時供電。目前國內(nèi)外科研機構及生產(chǎn)商均在加速該領域的研究應用工作，如意大利西門子公司能夠設計并制造出最高電壓等級為245 kV的移動變電站，其最大容量可達63 MVA[3]；國內(nèi)首臺66 kV/20 MVA移動變電站，110 kV/20 MVA、110 kV/40 MVA移動變電站均由西門子變壓器(武漢)有限公司設計制造，并已成功運行，效益良好。據(jù)行業(yè)相關資料的不完全統(tǒng)計，近5 年以來國內(nèi)共配置建設35 kV/110 kV/220 kV不同電壓等級變電站100臺(套)，在南方電網(wǎng)和國家電網(wǎng)取得了一定程度的推廣。

南網(wǎng)十分重視新一代移動式變電站的研發(fā)，移動式變電站正朝著高電壓、大容量和智能化的方向發(fā)展。2016年貴州電網(wǎng)有限責任公司首座110 kV移動式變電站(容量為40 MVA)正式投入使用；2017年廣東電網(wǎng)有限責任公司(以下簡稱“廣東電網(wǎng)”)首座35 kV/20MVA移動式變電站正式投入使用，同時開展110 kV移動變電站最大容量為40 MVA、50 MVA及63 MVA以上大容量、高等級的研發(fā)工作。全面開展關鍵設備技術攻關，進行相關技術特性改進與技術標準制訂，進一步規(guī)范相關設計和建造全過程，各級規(guī)劃建設、生產(chǎn)運行、科技等部門在可研、設計、采購、施工、驗收階段需緊密合作，以確保移動變電站的技術經(jīng)濟性最優(yōu)，同時在新材料、新工藝、新技術方面不斷實現(xiàn)技術突破。

1 移動變電站研究的必要性及設計難點

1.1 研究必要性

研發(fā)新型大型車載移動變電站成套電力設備是復雜的系統(tǒng)工程，涉及設計理念和基本理論、使用范圍及條件、設計方法、制造工藝、安全技術與組織措施、整體設備的出廠檢驗、運輸與固定安裝方法、運行前的檢查驗收與技術措施、設備運行后期維護、故障診斷與防范措施以及現(xiàn)場實施相關過程中配套附屬設施安裝等方面。車載移動變電站采用全封閉緊湊結構，投運靈活，可快速接入電網(wǎng)，運行維護技術簡易，在緊急情況下可全部或部分替代某一常規(guī)變電站并恢復供電，已成為電網(wǎng)企業(yè)的重要應急設備。目前對移動變電站的建造規(guī)范尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)標準，對大功率車載移動變電站的設計、運維、推廣使用進行研究十分有必要，將進一步推動車載移動變電站的研發(fā)，并且對類似領域變電站的整體制造技術發(fā)展起到積極的促進作用。表1從5個層面列舉了移動變電站可解決的需求問題。

為進一步提升電網(wǎng)可靠性及保供電應急能力，廣東電網(wǎng)計劃于2018—2020年投資約2億元，用于研發(fā)新型大型車載移動變電站成套電力設備，采用分區(qū)域部署11座移動變電站，包括5座35 kV/10 MVA移動變電站，2座110 kV/40 MVA移動變電站，4座110 kV/50 MVA移動變電站。

1.2 設計難點

結合國內(nèi)已投運的110 kV車載變電站有20 MVA和31.5 MVA這2種等級，該類車載變電站的整體結構布局通常使用“單車兩模塊”或“兩車三模塊”的設計方案[4]，主變壓器高度滿足道路運輸標準，防雷接地結構相較不復雜。而110 kV/50 MVA大功率移動變電站由于集成程度更高，需進行體積控制并重新分配載重，對抗震及防雷接地的要求更嚴苛，將整套變電站設備集成在移動變電站往往面臨以下設計難點：

a)兼顧設備小型化和機動性。車載變電站的應用場景對設備的模塊化集成度要求高，整體結構需滿足設備體量輕、小型化、安全高效性、移動方便具備較強機動性等要求，投運條件便捷，具有快速接入和短期運行維護簡易化等特點。通常變壓器的變電容量與體積成正比，為滿足道路運輸標準，需優(yōu)化車載變壓器設計，減少主變壓器的高度和體積。

表1 移動變電站應用場景Tab.1 Application scenarios of mobile substation

b)高壓設備及配電裝置的緊湊布置。移動變電站具備常規(guī)變電站的主要功能，因此模塊間布置方案的緊湊性將直接影響電纜布線、檢修難度及道路運輸。

c)防雷接地。相較常規(guī)變電站固定布置的避雷器，大功率車載移動變電站因不滿足保護距離的要求，不宜設置車上固定避雷器，因此車載變電站避雷器的設計需適用于多種場景并具有便攜性。

d)通信技術。根據(jù)移動變電站的布點情況，設置可靠的通信系統(tǒng)，布置于變電站內(nèi)時可使用站內(nèi)設備通信，布置于站外時借助于公網(wǎng)無線通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性及保密性受到挑戰(zhàn)。

2 移動變電站總體設計及優(yōu)化方案

受國內(nèi)道路交通法規(guī)的4個限制——限高度、限長度、限寬度、限重量，目前國內(nèi)研發(fā)的車載移動變電站一般采用35 kV及110 kV電壓等級，結合變電站站址道路運輸條件的實際情況，容量最多可做到50 MVA[5]。結合南方電網(wǎng)的用電情況和廣東地區(qū)的地貌特點，廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責任公司和廣東電科院能源技術有限責任公司從2017年起，聯(lián)合組建項目研發(fā)團隊，探索研究國內(nèi)首臺110 kV/50 MVA車載移動式變電站。項目采用模塊化設計方案，最大限度減少線纜，方便組合使用。該變電站主要有車載系統(tǒng)、高壓模塊、中壓模塊、控制及保護模塊和防雷與接地5大模塊[6-9]。

2.1 車載移動變電站總體框架設計

110 kV車載移動變電站的變電車模塊部分應包括：110 kV避雷器、110 kV電壓互感器、110 kV高壓開關、110 kV主變壓器、車載平臺及附屬設備；10 kV配電車模塊應包括：10 kV開關柜及其集裝箱、直流電源、綜合自動化及保護部分、車載平臺及附屬設備。

2.1.1 車載系統(tǒng)設計

車載系統(tǒng)是移動變電站的設備平臺和動力系統(tǒng)，主要由車頭和拖車組成。根據(jù)公路運輸條件要求，使其總高度不超過4.5 m，總寬度不超過3 m，坡度不超過30°，加速度不超過3g。常見的20 MVA和31.5 MVA車載模塊設計多采用“兩車”方案，即GIS/HGIS與變壓器車加10 kV配電車組合?？紤]50 MVA容量等級的移動變電站總長度較長，重量較大，設計使用“三車”方案，即HGIS車(1號車)加變壓器車(2號車)加10 kV配電車(3號車)，具體如圖1所示(單位mm)。

圖1 移動變電站“三車”布置示意圖Fig.1 Layout schematic diagram of three vehicles mode of mobile substation

“三車”方案可根據(jù)需要單獨使用或組合使用HGIS模塊、變壓器模塊、10 kV開關柜3個模塊，應用更靈活，而且車輛相對較輕，長度較短，運輸更方便，更適于應急搶修使用。其中1號車裝載HGIS組合電氣設備，2號車裝載主變壓器及所屬設備，3號車裝載10 kV 母線及母線所屬設備。

2.1.2 高壓模塊

高壓模塊主要由HGIS與變壓器組成，分別置于1號車和2號車上。GIS是指SF6封閉式組合電器，多用于5 ～20 MVA容量等級的移動變電站。HGIS的結構與GIS基本相同，但它不包括母線設備，該母線外露，并不裝于SF6氣室，因而結線清晰、簡潔、緊湊，安裝及維護檢修更加方便。綜合比較以上2種高壓電器結構[10-11]，根據(jù)我國交通運輸?shù)膶嶋H情況采用占地面積更小、重量較輕的HGIS設備。移動變電站的運輸總高度要求不超過4 m，20 MVA和31.5 MV容量的主變壓器高度符合該要求。50 MVA容量的主變壓器高度超過限高，為了滿足變壓器整體運輸，將高壓出線套管從變壓器腰部引出，同時將儲油柜設計成扁平型，位置緊貼變壓器本體，可有效降低變壓器高度。

2.1.3 中壓模塊

中壓模塊主要由進線模塊和10 kV箱式開關站組成，置于3號車上。設計進線模塊要考慮以下2點：①高壓側、主變壓器、低壓側組合在1輛拖車上，方便實現(xiàn)主變壓器保護，使得拖車之間的連接電纜最少，能夠在最短時間內(nèi)投入運行。②若高壓車分為高壓開關車和主變壓器車，在路況允許的前提下可整體由1個車頭牽引運輸；道路較窄或轉(zhuǎn)彎半徑較小時，可分別牽引，整車模塊可以獨立使用。

2.1.4 控制及保護模塊

控制及保護模塊設置于3號車上，主要由變電站綜合自動化系統(tǒng)和一體化電源系統(tǒng)組成。設計按無人值班的要求，由微機監(jiān)控系統(tǒng)作為主要的控制手段，控制方式包括遠方操作、變電站自動化系統(tǒng)后臺操作、測控屏操作和就地操作。各級控制操作遵守唯一性原則，一級操作閉鎖其他級操作，各級操作切換通過軟件和轉(zhuǎn)換開關實現(xiàn)。智能遠動機作為全站統(tǒng)一的出口系統(tǒng)，負責廠站與各級主站之間的通信和協(xié)調(diào)，每臺遠動裝置將監(jiān)控后臺采集的數(shù)據(jù)通過遠動通道分別傳送至各調(diào)度中心調(diào)度自動化系統(tǒng)。一體化電源系統(tǒng)由站用交流電源、直流電源、交流不間斷電源、直流變換電源等裝置組成，通過一體化電源系統(tǒng)監(jiān)控裝置進行統(tǒng)一監(jiān)視控制，實現(xiàn)變電站交直流二次監(jiān)視控制的統(tǒng)一管理。采用IEC 61850標準統(tǒng)一與站控層交換信息，實現(xiàn)對全站站用電源的全參數(shù)統(tǒng)一管理。

2.1.5 防雷與接地設計

50 MVA容量等級移動變電站設備體積較大，導致車輛空間小，避雷針與電氣設備的距離較近，如果避雷針設計效果不佳(比如接地不良)，會因為其對雷電的吸引作用而給車輛上的電氣設備帶來雷電沖擊，損壞電氣設備。因此，本設計在車輛上不設置固定避雷針，實際應用時，在110 kV進線、10 kV出線、母線段設置避雷器，可在應用現(xiàn)場設置車載伸縮式避雷針，也可利用線路的避雷線，或設置移動避雷針[12-13]，防止雷電波侵入。同時，在移動變電車上設置接地端子，在變電站使用時可接到變電站預留接地端子，在郊區(qū)使用時可臨時鋪設小型接地網(wǎng)。所有設備集裝箱四角及每間隔5 m左右直接與主接地網(wǎng)相連，所有構架、支架的基礎以及設備基礎敷設專用接地扁銅引至主接地網(wǎng)，且重要設備必須有2根接地引下線，接于不同的接地母線上，從而滿足雙接地的要求。

2.2 接線設計

1、2號車通過110 kV導線連接，2、3號車通過10 kV電纜連接，3號車通過10 kV電纜可送出5回出線，3臺車經(jīng)電氣連接后形成110 kV線-變組接線、10 kV形成單母線接線。110 kV移動變電站電氣接線如圖2所示。1號車可通過電纜或架空導線接入110 kV電網(wǎng)系統(tǒng)，HGIS通信協(xié)議遵循IEC 61850；2號車的變壓器高壓側進出線采用架空導線或工廠預制的整體式電纜終端接頭與復合式氣體絕緣封閉式組合電器模塊連接；低壓側進出線采用架空導線與低壓側的中壓開關進出線連接。3臺車保護就地配置，110 kV移動變電站綜合自動化、防誤、通信、監(jiān)控為獨立系統(tǒng)，3臺車之間經(jīng)二次電纜連接并將信息及數(shù)據(jù)通過無線方式上傳至監(jiān)控機，實現(xiàn)自動化變電站的運行模式。

2.3 通信設計

移動變電站接入系統(tǒng)后，通信部分按以下2種情況考慮：①若原變電站通信可用，考慮采用原站內(nèi)的通信系統(tǒng)傳輸；移動變電站接入后，為遠動、計量、保信和遙視提供調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道，利用原變電站至地調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)通道。②若原變電站通信不可用，考慮增加租用無線公網(wǎng)的通信方式。無線安全隔離與加密裝置是1套基于無線網(wǎng)絡的緊湊型自動化裝置，該裝置將遙信和遙測的數(shù)據(jù)采集、安全隔離、無線通信集成在1臺設備中，具有安全隔離、鏈路備份、網(wǎng)絡攻擊預防與處理等特點。移動變電站接入系統(tǒng)后，通過租用無線公網(wǎng)4G網(wǎng)絡，為本移動站至調(diào)度端提供通信通道。

3 移動變電站運行方案

3.1 運維標準

根據(jù)目前正在制訂的車載移動變電站運行和維護標準的相關規(guī)定，在運維方面應注意以下幾點：

a)運輸注意事項。移動式變電站變電車采用帶油運輸，整機發(fā)運。由于主體和儲油柜正常注油且吸濕器處于工作狀態(tài)，變壓器傾斜度不得超過10%。運輸前，對整車進行固定情況檢查，啟動并記錄沖撞記錄儀。HGIS氣壓在運輸前須解壓回收降至0.03～0.05 MPa。移動變電站運輸參數(shù)[14-16]包括：1號車、2號車、3號車的最大運輸時速分別為30 km/h、30 km/h和60 km/h；轉(zhuǎn)彎速度30 km/h；最小轉(zhuǎn)彎半徑8 m；長軸、短軸和豎直方向的運輸沖擊加速度分別為3g、2g和2g。

圖2 110 kV移動變電站電氣接線示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical wiring of 110 kV mobile substation

b)現(xiàn)場就位注意事項。移動車就位時，應根據(jù)基礎硬度首先在電動支撐腿下方放置枕木，以減少基礎沉降；再參照車底板長軸方向的水平儀，將機械支撐腿撐起，至輪胎不受力，使整套設備調(diào)整至水平[17-18]；建議1號車HGIS出線和2號車主變壓器高壓進線端子距離不超過7 m。

c)運行準備工作。在接通高壓電源之前，核對移動變電站銘牌技術數(shù)據(jù)與運行電力線路要求的技術數(shù)據(jù)一致性；確保原件如斷路器、隔離開關分合閘位置正常，3臺車可靠接地；檢查接地網(wǎng)連接，變壓器外觀、油位，呼吸器硅膠顏色、漏油情況，主體開關和電器有無殘存氣體；主變壓器車和HGIS車之間的鋼芯鋁絞線連接滿足三相之間以及對地的安全距離要求。

d)投運時應拆除危險工作區(qū)域的接地線和短接線；帶電后，確保出線相序和供用戶相序一致，如果采用2條及以上出線供單一用戶，出線之間的用戶端還需核相，確保出線間相位一致，同時確保與用戶相序一致；在變壓器空載運行的1 h內(nèi)，注意觀察溫升和氣體繼電器的情況；檢查有無異常、有無明顯振動、有無漏油。如各項檢測結果均顯示良好，才能給變壓器加負荷。

e)移動變電站的檢修和保養(yǎng)。首次帶電1 a內(nèi)，應進行首檢，首檢的試驗項目和標準按照要求[19]進行；連續(xù)運行期間，應按照規(guī)定的周期、項目及標準進行檢修[20]。

3.2 投運試驗事項

移動變電站抵達現(xiàn)場就位后，為確保移動變電車的安全運行，需按運維標準完成項目，安裝流程如圖3所示。其中接地網(wǎng)和防雷裝置安裝完成后需測試接地電阻；對HGIS充氣時速度不應過快，人員應站在上風口并佩戴防毒面具；安裝電纜前應檢查受潮情況和彎曲半徑，安裝完成后做好封堵工作。

圖3 110 kV移動變電站安裝流程圖Fig.3 Flow chart of 110 kV mobile substation installation

安裝完成后，在非應急情況下應按照交接規(guī)程進行檢測和試驗；在應急搶險情況下，應對移動變電站進行檢測試驗，檢測內(nèi)容見表2。

4 結束語

車載式移動變電站作為一種新型變電站建設模式，具有良好的設備組合靈活性和整體移動快速性，可滿足應急供電、抗災搶險、改擴建等多種場景下的需求，極大提升電網(wǎng)公司的供電可靠性。南網(wǎng)大力實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，為加快推進安全、可靠、綠色、高效的智能電網(wǎng)建設，已將大功率車載移動變電站納入新技術新設備推廣應用范疇。本文針對所研發(fā)的全國首臺110 kV/50 MVA大功率車載式移動變電站，經(jīng)過大量的前沿創(chuàng)新研究工作，提出了批量采購、分區(qū)配置等模式；并針對車載式移動變電站的制造標準和運維標準制訂提出建議，填補了國內(nèi)相關方面的空白，對推進移動變電站的建設及深化研究具有十分重要的意義，社會經(jīng)濟效益明顯，具有很好的推廣應用價值，對加快打造安全、可靠、綠色、高效的現(xiàn)代化電網(wǎng)具有積極現(xiàn)實意義。

表2 移動變電站緊急投運檢測試驗表Tab.2 Emergency commissioning detection testing list