變電站20 kV接線方式的最優(yōu)選擇

梁振升

(廣州電力設(shè)計(jì)院，廣州市，510610)

0 引言

簡(jiǎn)化電壓層級(jí)、提升中壓配電電壓是突破電網(wǎng)發(fā)展瓶頸的有效方式。根據(jù)廣州中新知識(shí)城高負(fù)荷密度地區(qū)供電的特點(diǎn)，中壓配電網(wǎng)絡(luò)采用20 kV電壓等級(jí)。區(qū)域內(nèi)變電站采用110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV 電壓層級(jí)供電［1］。

目前，廣州地區(qū)中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)均采用10 kV，暫無20 kV電壓等級(jí)的運(yùn)行及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有必要對(duì)20 kV電壓等級(jí)的相關(guān)技術(shù)作進(jìn)一步的研究。本文以110/20 kV和220/20 kV變電站的20 kV接線方式作為研究對(duì)象，提出20 kV側(cè)的最優(yōu)接線方式，為合理選擇工程接線提供依據(jù)。

1 變電站20 kV接線方式

單母線分段是變電站35 kV以下配電裝置常用的接線方式，110/20 kV和220/20 kV變電站20 kV側(cè)可考慮采用單母線分段接線的方式［2］。

對(duì)于20 kV側(cè)，開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和可靠性與10 kV的類似，其接線方式可參考10 kV的接線方式配置。110 kV及以上變電站通常配置3～4臺(tái)主變壓器［2-3］，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，相應(yīng)地站內(nèi)20 kV側(cè)一般采用單母線分段、單母線分段環(huán)形接線等接線方式。

(1)方式Ⅰ:單母線三分段接線，適用于3臺(tái)變壓器，其原理如圖1所示。

圖1 單母線三分段接線Fig.1 Single bus with triple section

(2)方式Ⅱ:單母線四分段接線，適用于3～4臺(tái)變壓器的變電站，用于3臺(tái)變壓器時(shí)，中間的變壓器聯(lián)接2段母線，其原理如圖2所示。

圖2 單母線四分段接線Fig.2 Single bus with fourfold section

(3)方式Ⅲ:單母線六分段環(huán)形接線，適用于3臺(tái)變壓器的變電站，每臺(tái)變壓器都聯(lián)接2段母線，其原理如圖3所示。

圖3 單母線六分段環(huán)形接線Fig.3 Single bus with sextuple sections in circle

圖4 雙母線三分段接線Fig.4 Double bus with triple section

2 20 kV接線方式的最優(yōu)選擇

2.1 可靠性

目前，變電站低壓側(cè)母線均裝設(shè)備自投功能裝置，當(dāng)1臺(tái)主變故障停運(yùn)時(shí)，全站負(fù)荷平均分配至正常運(yùn)行母線上。根據(jù)GB 50613—2010《城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］，高壓配電網(wǎng)中任一元件(母線除外)故障或檢修停運(yùn)時(shí)應(yīng)不影響電網(wǎng)的正常供電?？紤]主變壓器N-1故障運(yùn)行，定性分析20 kV側(cè)幾種接線方式。

接線方式Ⅰ受主變過載能力限制，必須損失故障段母線上的大部分負(fù)荷，可靠性最低。接線方式Ⅱ可通過倒閘操作轉(zhuǎn)移負(fù)荷以降低負(fù)荷損失，使對(duì)主變過載能力要求降低，但倒閘過程中需要短時(shí)停運(yùn)正常段母線，可靠性一般。接線方式Ⅲ、Ⅳ，故障段母線可直接接入正常段母線，不需要短時(shí)停電倒閘;雖然其過載能力與接線方式Ⅱ相當(dāng)，由于減少停電時(shí)間，可靠性最高。

目前，對(duì)變電站主接線的定量分析方法已比較成熟，常用的有頻率和持續(xù)時(shí)間法［5］、狀態(tài)空間法和最小割集法等［6］。然而，由于可靠性分析原始數(shù)據(jù)的不確定性，可靠性指標(biāo)也僅作為參考的依據(jù)。當(dāng)然，可通過關(guān)鍵靈敏度分析［7］，確定變電站內(nèi)各元件對(duì)系統(tǒng)可靠性影響最大的設(shè)備，以做出有針對(duì)性的計(jì)劃安排。

2.2 超穩(wěn)定極限運(yùn)行能力

超穩(wěn)定極限運(yùn)行能力主要限制變壓器在額定負(fù)荷下運(yùn)行，避免主變長(zhǎng)期過負(fù)荷(超穩(wěn)定極限)運(yùn)行而造成電網(wǎng)可靠性降低和設(shè)備壽命降低。

110 kV主變壓器即時(shí)負(fù)荷系數(shù)不超過1.40時(shí)，應(yīng)在1 h內(nèi)執(zhí)行轉(zhuǎn)負(fù)荷，限制該主變?cè)陬~定負(fù)荷以下運(yùn)行;220 kV主變壓器即時(shí)過負(fù)荷系數(shù)未超過1.15時(shí)，在1 h內(nèi)采取有關(guān)轉(zhuǎn)負(fù)荷措施［8］。

對(duì)應(yīng)110/20 kV、容量為80或100 MVA的主變壓器和220/20 kV、容量為100、120或150 MVA的主變壓器，各種接線方式對(duì)主變壓器即時(shí)過負(fù)荷能力的滿足情況如表1所示。

2.3 主變壓器的過載裕度

1臺(tái)主變故障時(shí)，正常運(yùn)行主變應(yīng)保證全站70%的負(fù)荷正常運(yùn)行。當(dāng)1臺(tái)主變故障時(shí)，要求負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他主變上［9］。

采用接線方式Ⅰ時(shí)，每臺(tái)變壓器下僅裝設(shè)1臺(tái)變低開關(guān)，任一臺(tái)主變停電時(shí)，若要求不損失全站負(fù)荷，必須要求將停運(yùn)主變的負(fù)荷完全轉(zhuǎn)移至其他主變供電，負(fù)荷要求增加100%，這使得主變嚴(yán)重過載運(yùn)行。由于開關(guān)設(shè)備不具備過載能力，根據(jù)表1的計(jì)算數(shù)據(jù)，主變過載率最大僅約10%(110 kV變電站)，裕度較小。

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采用接線方式Ⅱ時(shí)，由于中間1臺(tái)主變低壓側(cè)裝設(shè)了雙變低開關(guān)，增加了主變過載裕度，但也僅局限于對(duì)中間1臺(tái)主變的考驗(yàn)。

采用接線方式Ⅲ和Ⅳ時(shí)，每臺(tái)變壓器均裝設(shè)雙變低開關(guān)。當(dāng)變壓器額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)變壓器20 kV側(cè)開關(guān)設(shè)備的正常負(fù)載電流只有僅裝設(shè)1臺(tái)變低開關(guān)時(shí)的1/2。根據(jù)表1的計(jì)算數(shù)據(jù)，這2種接線方式的主變過載率達(dá)50%。雖然開關(guān)設(shè)備不具備過載能力，但其不會(huì)成為限制主變過載的瓶頸，過載裕度較大。變壓器的安全運(yùn)行率、儲(chǔ)備系數(shù)和容量裕度［10］都比前2種接線方式要高。

2.4 擴(kuò)建和調(diào)度靈活性

從變電站規(guī)模擴(kuò)建角度考慮。根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)顯示，后2種接線方式能根據(jù)負(fù)荷的發(fā)展情況增加主變壓器額定容量，而低壓側(cè)開關(guān)設(shè)備不需要作更換調(diào)整，節(jié)省前期投資;前2種方式僅能通過新建變電站來滿足負(fù)荷增長(zhǎng)的需求。采用接線方式Ⅲ或接線方式Ⅳ，擴(kuò)建的靈活性將大大提高。

從調(diào)度靈活性考慮。接線方式Ⅲ在任一臺(tái)主變故障停運(yùn)時(shí)，負(fù)荷均可轉(zhuǎn)移至其余2臺(tái)主變上。接線方式Ⅳ可采用多種運(yùn)行接入方式，通過短時(shí)切換和負(fù)荷轉(zhuǎn)移，每臺(tái)主變各帶3段母線，即全帶1條母線或各帶每條母線中部分母線，根據(jù)每段母線的負(fù)荷情況作選擇，靈活性最高。例如，1號(hào)主變故障停運(yùn)，2號(hào)、3號(hào)主變可分別帶I母和II母，或分別帶Ia、Ib、IIa和IIb、IIIa、IIIb。接線方式Ⅰ和Ⅱ都僅有一種故障運(yùn)行方式，靈活性較低。

2.5 經(jīng)濟(jì)性

參考國(guó)內(nèi)某優(yōu)質(zhì)20 kV中置式開關(guān)柜設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)，20 kV、3 150 A進(jìn)線斷路器柜、母聯(lián)分段柜和母聯(lián)隔離柜的購(gòu)置費(fèi)，以及各種接線方式的設(shè)備配置數(shù)量如表2所示。

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由表2可知:方式Ⅰ的投資是方式Ⅳ的50%，投資最少。然而，如前所述，其可靠性或靈活性等指標(biāo)是最低的。

方式Ⅱ的投資比方式Ⅰ增加了約15%。在同等的條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇方式Ⅱ，因?yàn)樵摲绞酵顿Y增加相比整個(gè)項(xiàng)目投資是微不足道的，而可靠性比方式Ⅰ顯著增加。

方式Ⅱ的投資雖然是方式Ⅲ的66.7%，但其可靠性和靈活性都較后者要低。

方式Ⅲ和方式Ⅳ的可靠性和靈活性相當(dāng)，前者投資可節(jié)省約10%，推薦采用前者。

綜合以上分析，由于該部分的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的投資增加影響不大，從可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性三方面考慮，方式Ⅲ最優(yōu)。

當(dāng)然，隨著設(shè)備制造水平的提高，變低開關(guān)的額定電流將達(dá)4 kA。此時(shí)，前2種方式超穩(wěn)定極限運(yùn)行能力和主變過載裕度都將提高，但其可靠性及靈活性仍相對(duì)較低。若從節(jié)省投資角度考慮或不考慮遠(yuǎn)期擴(kuò)建，這2種方式仍是可選擇的。

3 結(jié)語

變電站電氣主接線是電力系統(tǒng)的重要組成部分，是發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)的重要發(fā)電能量傳輸點(diǎn)，其能否正常運(yùn)行關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、靈活和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。單母線分段環(huán)形接線為20 kV側(cè)的最優(yōu)接線方案，該接線方案也可推廣至6～35 kV配電裝置中。

［1］廣州電力設(shè)計(jì)院，華南理工大學(xué).中新知識(shí)城電壓層級(jí)優(yōu)化研究［R］.廣州:廣州供電局，2010.

［2］戈東方.電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)電氣一次部分［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1999:45-50.

［3］曾增功.變電所主變壓器規(guī)劃臺(tái)數(shù)的選擇［J］.電力建設(shè)，1998，20(4):34-36.

［4］GB 50613—2010城市配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

［5］張勁松，任震，何建軍.基于FD法的變電站主接線可靠性評(píng)估［J］.廣東電力，2000，13(2):1-5.

［6］聶杰良.變電站電氣主接線可靠性與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估［D］.河北:華北電力大學(xué)，2008.

［7］任震，梁振升，黃雯瑩.交直流混合輸電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的靈敏度分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(14):33-36.

［8］廣州供電局.關(guān)于防止主網(wǎng)設(shè)備超穩(wěn)定極限運(yùn)行的通知［Z］.廣州:廣州供電局，2010.

［9］DL/T 5429—2009電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

［10］趙俊光，王主丁.電網(wǎng)規(guī)劃中對(duì)變電容載比的探討［J］.電力建設(shè)，2008，29(6):12-12.