沈樂 南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 南京 210048

某石化企業(yè)總降壓站35kV系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)與主接線分析

沈樂*南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 南京 210048

闡述某石化企業(yè)區(qū)域總降壓站35 kV系統(tǒng)的改造方案，通過計(jì)算給出主要元件的可靠參數(shù)，分析總降壓站主接線方式，為系統(tǒng)的安全優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

開關(guān)柜改造設(shè)計(jì)分析主接線方式

某石化企業(yè)區(qū)域總降壓站始建于1986年，為間隔裝配式變電站，負(fù)責(zé)向該石化企業(yè)凈水污水處理等裝置供電。近幾年由于設(shè)備老化，隔離開關(guān)、電壓互感器等設(shè)備元器件多次發(fā)生故障，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。因此必須對(duì)該總降壓站35kV系統(tǒng)進(jìn)行改造。為凈水污水處理裝置提供安全供電，以保障公司各工藝裝置的正常運(yùn)行。

1 改造背景

該總降壓站承擔(dān)著向凈水污水處理裝置及液體罐區(qū)、固體碼頭、己烷切割裝置等區(qū)域的供電任務(wù)，其安全運(yùn)行直接影響到該石化企業(yè)環(huán)保、貯運(yùn)、物流和化工裝置的正常生產(chǎn)。該總降壓站原有35kV電氣設(shè)備為20世紀(jì)70年代產(chǎn)品，由于設(shè)備老化，防護(hù)等級(jí)低，故障率增加;因備品、備件難以購置，維修難度大，存在諸多隱患:①室內(nèi)及室外裸露母線安裝，易造成絕緣子污穢爬電;②高壓隔離開關(guān)陳舊，操作不靈活，輔助接點(diǎn)不足，無法滿足“五防”要求;③所有互感器絕緣特性降低，部分互感器試驗(yàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)等。設(shè)備現(xiàn)狀已無法滿足安全運(yùn)行要求，急需進(jìn)行改造。

2 設(shè)計(jì)思路

對(duì)原有35kV開關(guān)柜設(shè)備的更新改造，應(yīng)采用新設(shè)備新技術(shù)，有效地保證供電安全性、可靠性和連續(xù)性，盡可能減少電氣設(shè)備日常維護(hù)工作量。

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1)采用具有“五防”功能、性能優(yōu)良的高壓開關(guān)柜，以保證裝置的安全性能。

(2)簡化系統(tǒng)接線，采用線路變壓器組式接線方式，節(jié)省設(shè)備投資。

(3)根據(jù)實(shí)際情況，盡量利用已有的公用工程設(shè)施如電纜溝、電纜夾層等，節(jié)省投資。

2.2 設(shè)計(jì)范圍

(1)將原有前、后母線結(jié)構(gòu)及固定分散安裝的35kV配電裝置改造為SF6氣體絕緣全封閉組合電器(C－GIS柜)。

(2)將兩臺(tái)主變壓器35kV側(cè)電纜、母排、戶外支持絕緣子進(jìn)行更換。

(3)更換35kV系統(tǒng)控制電纜。

(4)將斷路器及隔離刀閘輔助接點(diǎn)引入監(jiān)控后臺(tái)，并對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)修改和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全廠電力的統(tǒng)一調(diào)度。

3 設(shè)備參數(shù)選擇及校驗(yàn)

3.1 短路電流計(jì)算

根據(jù)《電力系統(tǒng)運(yùn)行方式安排(2008年)》，該總降壓站母線處阻抗的標(biāo)幺值(由系統(tǒng)提供):

系統(tǒng)在最大運(yùn)行方式時(shí):

系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式時(shí):

基準(zhǔn)值取［2］:

基準(zhǔn)電流:

正常接線時(shí)，當(dāng)35kV母線處發(fā)生短路(見圖1)，則總降壓站35kV母線處最大和最小短路電流為:

式中，Sj為基準(zhǔn)容量，VA;Uj為基準(zhǔn)電壓，V;Ij

為基準(zhǔn)電流，A;Ik為穩(wěn)態(tài)短路電流有效值，A。

圖1 總降壓站等值阻抗圖

三相短路峰值電流:

全電流［2］:

后備延時(shí)保護(hù)時(shí)間t取1.5s，取斷路器的分閘時(shí)間為0.1s，熱穩(wěn)定計(jì)算時(shí)間:

短路電流的熱效應(yīng):

3.2 電氣元件的參數(shù)選擇及動(dòng)、熱穩(wěn)定校驗(yàn)

電氣設(shè)備在短路時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定性指其所具有的耐受短路電動(dòng)力作用而不致?lián)p壞的能力。短路之初的沖擊電流流過時(shí)，電動(dòng)力可達(dá)很大數(shù)值，當(dāng)電器或載流導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度不夠時(shí)，將產(chǎn)生變形或損壞。

滿足熱穩(wěn)定條件:當(dāng)短路電流通過電氣設(shè)備時(shí)，導(dǎo)體和電器各部件溫度(或發(fā)熱效應(yīng))應(yīng)不超過允許值，電氣設(shè)備不會(huì)因過熱而損壞。

開關(guān)柜選擇為西門子8DA10型35kV C－GIS組合配電裝置，主要電氣技術(shù)參數(shù)如下:

額定電壓Ue:35 kV

額定電流Ie:1250 A

額定頻率fe:50 Hz

極限電流峰值idf:80 kA

額定開斷電流Idf:31.5 kA

熱穩(wěn)定電流It:31.5 kA

熱穩(wěn)定時(shí)間t:3 s

熱穩(wěn)定校驗(yàn):

動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn):

式中，ich為三相短路峰值(沖擊)電流，A;Ich為三相短路有效值電流，A。

從以上的計(jì)算及校驗(yàn)中可知，更新改造中所選用開關(guān)柜可滿足系統(tǒng)在最大運(yùn)行方式短路條件下動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的要求，為35kV開關(guān)柜改造提供計(jì)算上的安全參數(shù)，從而保證35kV配電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

4 電氣主接線的思考與建議

電氣主接線主要是指在發(fā)電廠、變電所、電力系統(tǒng)中，為滿足預(yù)定的功率傳輸要求而設(shè)計(jì)的，表明高壓電氣設(shè)備之間相互連接關(guān)系的傳輸電能的電路。電路中的高壓電氣設(shè)備包括發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、斷路器、隔離開關(guān)、線路等。它們的連接方式對(duì)供電可靠性、運(yùn)行靈活性及經(jīng)濟(jì)合理性等起著決定性作用。35kV(或110kV)變電所從企業(yè)供電系統(tǒng)取得兩回35kV(或110kV)線路，在所內(nèi)需設(shè)置35kV(或110kV)配電裝置，當(dāng)出線為2回路時(shí)，一般采用橋形接線，當(dāng)進(jìn)出線不超過6回路時(shí)，一般采用單母線分段接線;若有(單臺(tái))大電機(jī)直接接入可采用雙母線接線。企業(yè)內(nèi)供配電系統(tǒng)主接線，應(yīng)滿足從上到下均分列運(yùn)行的要求。通常應(yīng)采用雙電源—雙變壓器—單母線分段的全分列運(yùn)行方式，每回電源線路、每臺(tái)分列運(yùn)行變壓器、每段母線，均應(yīng)能帶全部一、二級(jí)用電負(fù)荷。

4.1 電氣主接線要求

電氣主接線應(yīng)滿足以下要求［1］:

(1)運(yùn)行的可靠性:主接線系統(tǒng)應(yīng)保證對(duì)用戶供電的可靠性，特別是保證對(duì)重要負(fù)荷的供電。根據(jù)規(guī)范要求:通常每臺(tái)變壓器的負(fù)荷率為60%～70%，當(dāng)一臺(tái)主變退出運(yùn)行，另一臺(tái)主變可帶全部一、二級(jí)負(fù)荷。若每臺(tái)變壓器為100%備用，則過于浪費(fèi)，通常不采用。

(2)應(yīng)能保證運(yùn)行操作人員和維修人員的人身安全，便于進(jìn)行維護(hù)、檢修和試驗(yàn)工作。

(3)根據(jù)企業(yè)的近期和長遠(yuǎn)規(guī)劃，適當(dāng)留有增容擴(kuò)建的發(fā)展余地，屆時(shí)不需要對(duì)原有運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行大的改動(dòng)。

(4)設(shè)備的一次投資和年運(yùn)行費(fèi)用最低(在石化企業(yè)中相對(duì)于工藝專業(yè)而言，電氣專業(yè)的運(yùn)行費(fèi)用很低)。

(5)運(yùn)行的靈活性:主接線系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)各種工作情況，特別是當(dāng)一部分設(shè)備檢修或工作情況發(fā)生變化時(shí)，能夠通過倒換開關(guān)的運(yùn)行方式，做到調(diào)度靈活，不中斷向用戶的供電。

(6)主接線系統(tǒng)還應(yīng)保證運(yùn)行操作的方便，在保證滿足技術(shù)條件的要求下做到經(jīng)濟(jì)合理，盡量減少占地面積和投資。

(7)接線力求簡單，運(yùn)行方式靈活，倒閘操作方便。

(8)在確保供電可靠性的前提下，變電所主接線設(shè)計(jì)應(yīng)有利于規(guī)范化，簡單化、自動(dòng)化及無人化。變電所主接線方式應(yīng)根據(jù)負(fù)荷性質(zhì)，變壓器負(fù)載率、電氣設(shè)備特點(diǎn)及電網(wǎng)強(qiáng)弱等因素確定。

4.2 常用主接線形式

常用的主接線形式可分為有母線和無母線兩大類。

(1)有母線的主接線有:單母線、雙母線、分段的單、雙母線及附加旁路母線的單、雙母線等。

母線是整個(gè)主接線的中心環(huán)節(jié)，起著匯集和分配電能的作用，其地位極為重要。因此，主接線的形式常常按照母線接線的形式來劃分。一般具有四回以上進(jìn)出線就可以設(shè)置母線。

具有母線的主接線優(yōu)點(diǎn):進(jìn)出線回路數(shù)可以增加，容易擴(kuò)建。

缺點(diǎn):擴(kuò)大配電裝置的結(jié)構(gòu)并增加故障機(jī)會(huì)。重要的是即使母線故障的機(jī)會(huì)很少，但是一旦發(fā)生，將會(huì)影響母線上的所有設(shè)備，造成全部停電的事故。

(2)無母線的主接線有:線路變壓器組接線、橋式接線、多角形接線等。

這種接線的共同特點(diǎn):接線簡單，清晰明顯，運(yùn)行和操作方便，但進(jìn)、出線回路數(shù)受到限制。

下面針對(duì)本項(xiàng)目對(duì)幾種常用的主接線進(jìn)行介紹。

4.2.1 線路變壓器組接線

線路變壓器組接線是線路和變壓器直接相連，是一種簡單的接線方式(見圖2)，俗稱為“二進(jìn)二出”，其優(yōu)點(diǎn)是斷路器少、接線簡單、造價(jià)省，對(duì)限制短路電流效果顯著。高壓配電裝置只配置2個(gè)設(shè)備單元，接線簡單清晰，占地面積小，送電線路故障時(shí)由送電端變電所出線斷路器跳閘。由于系統(tǒng)接線簡單、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)，有利于變電所實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化。如主變?nèi)萘繚M足低負(fù)載率標(biāo)準(zhǔn)(2臺(tái)主變負(fù)載率取0.5～0.65)，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，恢復(fù)供電操作十分方便。當(dāng)1臺(tái)主變或一條線路故障退出運(yùn)行，只需在變電所低壓側(cè)作轉(zhuǎn)移負(fù)荷操作，就能保證100%負(fù)荷正常用電，對(duì)下級(jí)變配電所無影響。

圖2 線路變壓器組式接線

4.2.2 橋式接線

橋式接線實(shí)質(zhì)上是單母線分段的一種變形。這種接線中當(dāng)任一臺(tái)變壓器或線路發(fā)生故障或檢修時(shí)，可使與其縱向相連的另一元件不停止或只暫時(shí)停止工作。這種接線方式可分為內(nèi)橋式和外橋式，區(qū)別在于作為橫向聯(lián)系的橋斷路器接在線路側(cè)則為外橋式，接在靠近變壓器側(cè)為內(nèi)橋式。內(nèi)橋接線是總降壓站很常見的主接線方式(見圖3)，有4個(gè)回路3臺(tái)斷路器和6個(gè)隔離開關(guān)，接線中斷路器較少，是投資較省的接線方式，線路故障操作簡單、方便、系統(tǒng)接線清晰。在正常運(yùn)行方式下，橋斷路器打開，類似于線路變壓器組接線，2條進(jìn)線線路各帶一臺(tái)主變，因內(nèi)橋接線線路側(cè)裝有斷路器，線路的投入和切除十分方便，當(dāng)送電線路發(fā)生故障時(shí)，只需斷開故障線路的斷路器，不影響其它回路正常運(yùn)行。

圖3 線路變壓器組式接線(加強(qiáng)型)

優(yōu)點(diǎn):電器設(shè)備少，裝置簡單，投資少，具有一定的可靠性及靈活性，便于擴(kuò)建。

缺點(diǎn):檢修斷路器時(shí)，線路或變壓器要停電。

4.2.3關(guān)于雙母線和旁路母線

(1)線路較多時(shí)采用雙母線，其特點(diǎn)是:①便于系統(tǒng)中功率的分配;②母線事故后停電范圍小，恢復(fù)供電快;③便于對(duì)母線及母線設(shè)備進(jìn)行檢修或試驗(yàn)。

(2)設(shè)置旁路設(shè)施(母線、開關(guān)、刀閘)的目的是為了減少斷路器檢修時(shí)對(duì)用戶供電的影響。

如果是雙回路供電，或者負(fù)荷可以由系統(tǒng)取得備用電源，允許停電檢修斷路器時(shí)，則不必設(shè)置旁路設(shè)施。

6～10 kV雖然出線回路數(shù)較多，斷路器停電檢修量較大，但如采用手車式開關(guān)柜，斷路器故障或檢修時(shí)可以用備用的斷路器迅速置換，停電時(shí)間很短，所以一般不設(shè)旁路設(shè)施。

石化企業(yè)絕大多數(shù)負(fù)荷為一、二級(jí)重要負(fù)荷，一般采用雙回路供電且普遍采用手車式開關(guān)柜，故很少設(shè)置旁路設(shè)施，雙母線接線復(fù)雜，采用設(shè)備多，不僅使配電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且增大投資。在電力系統(tǒng)、發(fā)電廠使用較多，石化企業(yè)變配電所則較少采用。

4.3 本項(xiàng)目主接線分析

嚴(yán)格意義上的線路變壓器組式接線方式是將上一級(jí)來的35kV電纜直接接入用戶側(cè)的35/6kV主變高壓側(cè)，見圖2。本項(xiàng)目所使用的線路變壓器組式接線方式是加強(qiáng)型的線路變壓器組式接線，在用戶側(cè)設(shè)置了35kV配電裝置，見圖3，提高了總降壓站供電的安全可靠性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化了供電結(jié)構(gòu)，較內(nèi)橋式接線方式節(jié)約設(shè)備投資1/5～1/3(可節(jié)省1～2臺(tái)開關(guān)柜)，如果考慮到因增加設(shè)備而相應(yīng)增加的繼電保護(hù)裝置、土建安裝等二次費(fèi)用，投資更節(jié)省。

本總降上一級(jí)是一個(gè)110/35/6kV的自備熱電廠，由于供電線路較長，熱電廠35kV出線斷路器設(shè)置了L90光纖線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置，動(dòng)作于斷開線路兩側(cè)的斷路器。由于本項(xiàng)目是改造項(xiàng)目，并未對(duì)上一級(jí)配電裝置(熱電廠35kV出線)和保護(hù)進(jìn)行改造，為了兼顧運(yùn)行習(xí)慣和熟悉的繼電保護(hù)裝置，本總降主變主保護(hù)采用了主變縱差保護(hù)和瓦斯保護(hù)，主變高后備保護(hù)采用了過電流和過負(fù)荷保護(hù)，用于斷開主變兩側(cè)的斷路器，當(dāng)主變壓器發(fā)生故障時(shí)，只需要跳本總降高壓側(cè)斷路器以切除故障，不必跳開上一級(jí)斷路器，從而使值班員能夠迅速判斷故障是發(fā)生在進(jìn)線還是在主變。

電氣裝置一旦發(fā)生故障，所造成的損失遠(yuǎn)比電氣裝置本身的價(jià)值要高得多，尤其在石化企業(yè)，對(duì)供電的安全性、可靠性、連續(xù)性要求很嚴(yán)格。本項(xiàng)目主接線方式采用性價(jià)比較高的35kV C－GIS組合配電裝置，消除了35kV配電裝置長期以來存在的隱患，滿足了裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

內(nèi)橋式接線方式見圖4。

圖4 內(nèi)橋式接線

從圖2與圖4相比可以看出，線路－GIS－變壓器組接線方式節(jié)省1臺(tái)橋斷路器柜，線路最簡單，設(shè)備及占地均最少。在運(yùn)行方面，雖然35kV側(cè)無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投入，但可以采用6kV備用電源自投裝置彌補(bǔ)線路變壓器組接線方式存在的缺陷。根據(jù)《中國石化電力系統(tǒng)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)管理規(guī)定》(中國石化生〔2011〕155號(hào))的規(guī)定，區(qū)域變電站的主接線一般采用電纜線路－變壓器組接線方式。因此，線路變壓器組接線方式被廣泛采用。

5 結(jié)語

該總降壓站35kV系統(tǒng)一次送電成功，徹底解決了長期存在的電氣隱患，淘汰了性能低劣的電氣設(shè)備，更新改造了繼電保護(hù)裝置和監(jiān)控裝置等二次設(shè)備，提高了電力系統(tǒng)整體的安全性、穩(wěn)定性、可靠性及自動(dòng)化水平，為裝置的安穩(wěn)長運(yùn)行，提供了可靠保障。

1 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院．工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(第三版)［S］．北京:中國電力出版社，2005．

2 SH 3038－94，石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］．

(Translated by Lu Lang)

Design and Main Wiring Analysis for 35kV System Modification of Main Step-down Substation of a Petrochemical Enterprise

Shen Le
(Nanjing Yangzi Petrochemical Design Engineering Company，Nanjing 210048)

Elaborate the modification scheme for the 35kV system of areal main step-downsubstationofapetrochemicalenterprise，thereliable parameters for the main elements are given based on calculation，analyze the main wiring mode of the main step-down substation and provide the theoretical basis for the safe and optimum design of the system．

35kV Switchboardmodificationdesignanalysis main wiring mode

*沈樂:工程師。2002年畢業(yè)于南京理工大學(xué)機(jī)電工程專業(yè)。從事電氣設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話:(025)57785888－3348。

(修改回稿2011－12－19)