高速公路隧道群變電站設(shè)計(jì)應(yīng)用

郭 凱

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

目前，大部分高速公路隧道遠(yuǎn)離城市及輸電走廊，高電壓等級(jí)隧道群變電站將越來越多地應(yīng)用到山區(qū)高速公路建設(shè)項(xiàng)目中。

1 項(xiàng)目概況

某高速公路主線設(shè)置5座隧道（1號(hào)/2號(hào)隧道（特長隧道）、3號(hào)/4號(hào)/5號(hào)隧道（長隧道）），地理位置偏僻且布置較密集。隧道周邊電源點(diǎn)有國家電網(wǎng)有限公司500 kV變電站（具備220 kV、110 kV出線間隔）及220 kV變電站（具備110 kV、35 kV出線間隔），但距離均較遠(yuǎn)。

為盡可能減小隧道外供電線路損耗，本工程擬建設(shè)1座110/10 kV隧道群變電站，以輻射形式向各隧道變電所供電。項(xiàng)目地點(diǎn)海拔887 m，最熱月平均最高溫度30℃，土壤電阻率為100 Ω·m，無凍土層。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 隧道群變電站主接線方案

長隧道及特長隧道應(yīng)在隧道兩端各設(shè)一座10 kV隧道變電所[1]?？紤]到隧道用電負(fù)荷中應(yīng)急照明設(shè)施、交通監(jiān)控設(shè)施、火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警設(shè)施等均為一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷，排煙風(fēng)機(jī)等為一級(jí)負(fù)荷。因此，隧道群變電站10 kV系統(tǒng)采用單母線雙分段接線方式，I段及Ⅱ段10 kV母線分別向各隧道1號(hào)及2號(hào)變電所饋出1回供電回路。

同時(shí)，為保證隧道群變電站2回路進(jìn)線相對(duì)獨(dú)立，電源點(diǎn)由兩處不同變電站引來或由同一變電站不同母線引來，且隧道群變電站進(jìn)線母線采用單母線雙分段接線方式，并設(shè)置2臺(tái)主變壓器。

隧道群變電站主接線方案示意圖如圖1。

圖1 隧道群變電站主接線方案示意圖

2.2 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

在實(shí)際工程中，常見的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)方法有需要系數(shù)法、二項(xiàng)式法、單位面積功率法等。本文采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及無功補(bǔ)償計(jì)算。例如，1號(hào)隧道1號(hào)變電所負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1中可知，1號(hào)隧道1號(hào)變電所負(fù)荷在考慮需要系數(shù)Kx、同時(shí)系數(shù)Kp、Kq、低壓無功補(bǔ)償及變壓器損耗因素的情況下，視在功率為9 002 kVA。1號(hào)隧道1號(hào)變電所應(yīng)選擇10 kV電壓等級(jí)線路供電。

對(duì)于隧道群變電站110 kV I段，同樣可做負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 1號(hào)隧道1號(hào)變電所負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

表2 10 kV I段負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，10 kV I段總計(jì)算負(fù)荷為：P30=20 820.7 kW，Q30=7 853.7 kvar，S30=22 252.7 kVA，cosφ=0.95。結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)條件，隧道群變電站進(jìn)線電壓等級(jí)選擇110 kV[2]。

2.3 主變?cè)O(shè)置方案

按照本工程建設(shè)規(guī)模，隧道群變電站設(shè)置2臺(tái)SFZ11-25000/110主變壓器（25 000 kVA，110±8×1.25%/10 kV，Ud=10.5%，YN,d11）。

2.4 電氣主接線

本工程中，110 kV及10 kV系統(tǒng)采用單母線雙分段接線方式。其中，110 kV系統(tǒng)采用GIS（六氟化硫封閉式組合電器）形式布置。10 kV系統(tǒng)采用KYN28-12中壓開關(guān)柜室內(nèi)布置形式。

2.5 運(yùn)行說明

正常情況下，110 kV及10 kV母聯(lián)均斷開，兩段110 kV母線帶各自對(duì)應(yīng)10 kV母線段負(fù)荷；任何一臺(tái)主變或線路故障情況下，110 kV母聯(lián)閉合，正常運(yùn)行主變帶全部負(fù)荷；任何一110 kV母線檢修情況下，10 kV母聯(lián)閉合，正常運(yùn)行主變帶全部負(fù)荷。

2.6 短路電流計(jì)算

在最大運(yùn)行方式下，系統(tǒng)側(cè)為隧道群變電站110kV母線提供短路容量為1 100.3 MVA。短路等值計(jì)算電路圖如圖2、圖3所示。

圖2 系統(tǒng)等值正/負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖

圖3 系統(tǒng)等值零序網(wǎng)絡(luò)圖

表3 短路電流計(jì)算結(jié)果表

2.7 導(dǎo)體及設(shè)備選擇

2.7.1 斷路器選擇

斷路器選型的主要參數(shù)包括額定電壓、額定電流、額定開斷電流、額定關(guān)合電流、短路電流熱效應(yīng)、極限通過電流峰值[3-4]。根據(jù)短路電流計(jì)算可知各斷路器計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 斷路器計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)表4參數(shù)可進(jìn)行斷路器選型，各斷路器保證值結(jié)果如表5所示。

表5 斷路器選擇結(jié)果表

2.7.2 隔離開關(guān)選擇

隔離開關(guān)選型的主要參數(shù)包括額定電壓、額定電流、短路電流熱效應(yīng)、極限通過電流峰值[3-4]。根據(jù)短路電流計(jì)算可知各斷路器計(jì)算結(jié)果如表6。

表6 隔離開關(guān)計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)表6參數(shù)可進(jìn)行斷路器選型，各斷路器保證值結(jié)果如表7。

2.7.3 110 kV架空線選擇（軟導(dǎo)體選擇）

架空送電線路導(dǎo)線截面一般按經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇。除此之外還可采用回路持續(xù)工作電流進(jìn)行選擇并進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)[5]。

表7 斷路器保證值結(jié)果表

針對(duì)本工程110 kV架空線路導(dǎo)線截面選擇如下：

a）根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算，S=145.8 mm2，當(dāng)按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)體且無合適規(guī)格時(shí)，導(dǎo)體面積可按經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算截面的相鄰下一檔選取[5]。故應(yīng)選擇LGJ-120/25導(dǎo)線。

b）利用回路持續(xù)工作電流校驗(yàn)，IXU=131.2 A，考慮海拔1 000 m以下及最熱月平均最高溫度30℃條件下的綜合校正系數(shù)，鋼芯鋁絞線LGJ-120/25長期允許載流量為399.5 A，符合要求。

c）熱穩(wěn)定校驗(yàn)，Smin=31.61 mm2，鋼芯鋁絞線LGJ-120/25總截面為146.73 mm2，其中鋁導(dǎo)體截面為122.48 mm2，符合要求。

2.7.4 10 kV銅母排選擇（硬導(dǎo)體選擇）

硬導(dǎo)體通常采用回路持續(xù)工作電流及經(jīng)濟(jì)電流密度作為截面選擇標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于全年負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)大，且長度超過20 m的硬導(dǎo)體按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇。

對(duì)于本工程應(yīng)采用回路持續(xù)工作電流作為導(dǎo)線選擇條件，并利用熱穩(wěn)定進(jìn)行導(dǎo)線截面校驗(yàn)。

a）根據(jù)回路持續(xù)工作電流計(jì)算，IXU=1 612.28 A，可選擇TMY-100X6.3銅母排，載流量為1 810 A。

b）熱穩(wěn)定校驗(yàn)，Smin=31.47 mm2，TMY-100X6.3銅母排截面為630 mm2，符合熱穩(wěn)定要求。

2.7.5 10 kV電纜選擇（一次電纜選擇）

一次電纜通常采用回路持續(xù)工作電流、經(jīng)濟(jì)電流密度及熱穩(wěn)定進(jìn)行選擇[6]。此處以一車間10 kV段進(jìn)線電纜選擇、校驗(yàn)為例。

a）根據(jù)回路持續(xù)工作電流計(jì)算，IXU=88.82 A，可選擇ZRC-YJV-6/10 3X35，載流量為123 A。

b）熱穩(wěn)定選擇，Smin=39.27 mm2，可選擇ZRC-YJV-6/10 3X50，導(dǎo)線截面為50 mm2。

c）根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算，S=80.75 mm2，按照經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面原則，應(yīng)選擇ZRCYJV-6/10 3X70導(dǎo)線。

綜合以上，一車間10 kV段進(jìn)線電纜可選擇型號(hào)為ZRC-YJV-6/10 3X70。

通過以上的計(jì)算及軟件校驗(yàn)，可以確定主要導(dǎo)體及設(shè)備參數(shù)。同時(shí)，可以看出實(shí)際工程設(shè)計(jì)的過程就是電氣主接線、高壓電氣設(shè)備、電力線路、電力系統(tǒng)、負(fù)荷計(jì)算及無功補(bǔ)償、短路電流計(jì)算等知識(shí)的綜合應(yīng)用過程。

2.8 過電壓保護(hù)及接地

2.8.1 防直擊雷保護(hù)

圖4 變電站避雷針保護(hù)范圍示意圖

110 kV線路全線架設(shè)接閃線。室外布置的GIS配電裝置及主變采用避雷針進(jìn)行防直擊雷保護(hù)，并按照滾球法核算保護(hù)范圍，滾球半徑為45 m[7]。避雷針保護(hù)范圍如圖4。配電間及主控室按第二類防雷建筑物設(shè)防，屋頂四周設(shè)接閃帶，接閃帶通過專用接地線與變電站接地網(wǎng)相連。

2.8.2 防雷電波侵入

在110 kV架空線路進(jìn)入GIS處、GIS與變壓器連接處和每段10 kV母線上均配置氧化鋅避雷器以減少雷電侵入波過電壓的危害。并對(duì)電力電子設(shè)備采取過電壓保護(hù)措施。

2.8.3 接地

2.8.3.1 接地電阻的計(jì)算[8]

本工程土壤電阻率ρ=100 Ω·m，土壤電阻率低，施工時(shí)應(yīng)保證回填土與接地極的可靠接觸。回填土要用細(xì)土回填，并分層夯實(shí)，不得用碎石和建筑垃圾回填。

接地網(wǎng)以水平接地帶為主，埋深0.8 m，接地網(wǎng)的外緣應(yīng)閉合且各角作成圓弧形，圓弧的半徑不宜小于均壓帶間距的一半。

經(jīng)計(jì)算：接地裝置的接地電阻應(yīng)滿足：R≤2000/I=2000/5847=0.3421Ω，根據(jù)本工程的實(shí)際計(jì)算：實(shí)際接 地 電 阻,可知，Rjs＞R，不能滿足規(guī)程要求，需采取鋪設(shè)礫石地面或?yàn)r青地面的措施，使ρt≥5000 Ω·m；并使接觸電位差能滿足要求。此時(shí)采取措施后接地電阻Rjs≈1.71 Ω。

所以本工程接地網(wǎng)接地電阻要求值應(yīng)小于1.71 Ω。若實(shí)測(cè)值大于1.71 Ω，可采取接地體外延、增加深井接地極等其他措施降低接地電阻。

2.8.3.2 接地導(dǎo)體的選擇

按照30年腐蝕及熱穩(wěn)定校驗(yàn)選擇60X8熱鍍鋅扁鋼作為水平接地極。主控室活動(dòng)地板橋架內(nèi)及主變及GIS區(qū)域電纜溝內(nèi)均設(shè)置30X4接地銅排，主控室內(nèi)接地銅網(wǎng)經(jīng)2根電纜引出并于室外同一點(diǎn)接地，主變及GIS區(qū)域接地銅排應(yīng)就近與接地網(wǎng)相連。變電站接地網(wǎng)如圖5所示。

圖5 變電站地下接地網(wǎng)示意圖

2.9 照明[9]

2.9.1 照明種類及照明方式

變電站設(shè)正常照明和事故照明。

2.9.2 照度標(biāo)準(zhǔn)及照度選擇

表8 各房間照度標(biāo)準(zhǔn)值表

3 結(jié)語

隧道群變電站在未來山區(qū)高速公路項(xiàng)目建設(shè)中將會(huì)越來越多地出現(xiàn)，作為各個(gè)隧道變電所的上級(jí)變電站更有利于統(tǒng)一控制及調(diào)度。同時(shí)，在隧道群外供電條件稀缺的情況下、高電壓等級(jí)線路與10 kV或35 kV線路相比具有線路損耗低的明顯優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)隧道群變電站主接線、電壓等級(jí)、電器及導(dǎo)體選擇進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，可供相關(guān)工程參考。