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全地下110KV變電站設計解決方案

   隨著我國經濟的快速發展,城區人口密集度越來越高,用電負荷迅速增長,電源供應相對不足,需要建設更多深入市區的變電站,而城區土地資源的稀缺性不允許變電站占用大量土地,且環保及景觀協調方面極為嚴格的要求使變電站站址越來越難以落實。因此,建設與高層建筑相結合的變電站或半地下、全地下變電站是今后城區變電站設計的發展趨勢。本文以110kV 變電站的工程實例探討了全地下變電站電氣設計解決方案。

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1.電氣主接線

  沿襲以往在城郊建設變電站,然后利用10kV 或35kV 輸電線路向城區供電的模式在電力負荷大幅增長的今天已不能滿足要求,采用110kV 供電已成為大中城市區域性供電優選方案,即在城區負荷中心建設110kV 變電站,取消35kV 電壓等級,直接利用110kV/10kV 降壓變向周邊用戶供電。隨著制造廠家電氣設備質量的提高以及電網可靠性的要求,變電站的規模及接線應在滿足電網需求的情況下盡可能減化。

  通常按城市變電站在系統中的地位、規劃容量、線路和變壓器連接元件總數等條件來確定主接線方案。若建設終端變電站,110kV 配電裝置可考慮采用線路變壓器組接線。按終期3×50MVA 主變考慮。10kV 側按單母線四分段,每段母線帶12 ~ 13 回出線。若建設樞紐變電站,110kV 出線終期可按4 ~ 6 回來考慮,單母線分段接線,主變容量按終期4x50MVA 設置,10kV 側按單母線四分段,每段母線帶13 ~ 14 回出線,或10kV 側按單母線八分段環形接線考慮,每段母線約帶7 回饋線。#2、#3 主變10kV 側可交叉供電,以保證供電可靠性。在10kV 分段開關處裝設備自投裝置,保證在單回110kV 線路或單臺變壓器運行時的可靠供電。

  地下變電站的土建部分多為一次建成,擴建較困難。項目前期工作論證要充分,規劃時應充分考慮遠期負荷的發展并留有一定余地,從而確定變電所的終期建設規模,選定電氣設備布置方案。

2.主要電氣設備選擇

  全地下變電站一般設置在人口稠密地區,用地緊張,變電所占地面積很小;而用戶對供電安全性、可靠性、電能質量及城市環境保護等方面的要求越來越高,特別是對防火、防爆、防污染以及降噪聲等問題加倍關注。所以在電氣設備選擇需注意以下三個方面:

  (1) 設備選型宜小型化,可減少占地面積,使整體布置趨于緊湊合理。

  (2) 全站設備無油化,包括主變壓器可考慮采用SF6 氣體絕緣變壓器(GIT)。這樣全站無易燃、易爆物,既能簡化消防系統,又可將火災的影響局限在地下,而不致影響到地面。

  (3) 設備制造水平高,技術成熟,檢修率和維護量要小,使停電機會大大減少。

2.1 主變壓器

  主變壓器是變電站內最主要的電氣設備,普通的油浸式變壓器本體鐵心產生的低頻噪聲傳播較遠且難以消除,一旦因故障著火,將對人身財產安全構成嚴重的威脅。SF6 氣體絕緣變壓器(Gas2 Insulated Transformer,GIT) 以其獨有的優勢受到了人們的關注。與傳統油浸式變壓器相比,它有以下優點:

  (1) 絕緣性能和冷卻效果好。由于SF6 的負電性( 即吸附電子的能力),使其具有極好的介電絕緣性能。同時SF6 在熄滅電弧和瞬時放電的溫度范圍(1500 ~ 5000K) 有著優異的熱交換特性。因此,GIT 有著很好的絕緣性能和冷卻效果。

  (2) 不易燃易爆。SF6 氣體屬于惰性氣體,分子結構非常穩定,不易燃;當變壓器內部發生電弧時,內部升高的壓力會被SF6 氣體體積的變化而抵消,防爆性較好。

  (3) 噪聲低。SF6 氣體密度比變壓器油密度小,聲音通傳送比較慢,中間鐵心發出的聲音很少能夠傳到罐體,這樣,GIT 產生的噪聲比油浸式變壓器的要小。特別適合在繁華的商業中心和人口密集的居民區使用。

  (4) 安裝方便,且易于維護檢修。GIT 在出廠時已完整組裝,SF6 氣體已注入其中,使得安裝過程簡化,同時,由于SF6氣體在冷卻管中壓力降很小,這樣散熱器可以水平安裝或脫離變壓器垂直安裝,同樣的環境下,SF6 氣體比油浸式變壓器的變壓油消耗慢得多。GIT 使用真空有載調壓開關,無需帶電濾油器,相應減少了油枕和壓力-釋放設備,設備外型簡潔,對站內平面布置及今后維護運行帶來了方便。GIT 的缺點在于價格昂貴,生產廠家較少。目前110kV 及以上電壓等級的GIT 幾乎全部為進口設備,生產及供貨周期較長。此外,SF6 氣體不含氧氣,如發生泄漏會有窒息作用,在高溫作用下會分解一些低氟化合物,這些分解物會進一步反應組合成其它有毒物質。變壓器室內需采取有效通風措施,將SF6 氣體濃度限制在1000μg/L 之內,且應安裝SF6 泄漏儀和氧氣含量監測裝置。綜上所述,雖然GIT 價格約為同等容量油浸變壓器價格的215 倍,但其在技術上已比較成熟,維護檢修機會極少,電氣故障率極低,沒有火災隱患,是一種比較理想的變電設備。全地下變電站設計時宜優先選擇GIT。

  全地下變電站靠近負荷中心,設備選型時應盡量提高主變壓器容量??紤]到10kV 開關柜的容量一般為3150A,最大不超過4000A,主變壓器容量取50MVA 為宜。此外,容量小于60MVA 的GIT,其熱損耗較小,一般采用SF6 氣體循環冷卻的散熱方式,運行維護也較方便。

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2.2 110KV 配電裝置

  110kV 配電裝置采用SF6 氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)。GIS 占地面積少,同等規模下設備所占土地只有常規設備的15% ~ 35%;元件全封閉,不受環境干擾;可靠性高,運行方便,檢修周期長,維護工作量少;安裝迅速,運行費用低。我國自70 年代初開始制造及使用GIS,目前發展迅速,在設備制造及運行維護方面有豐富的經驗,可考慮選擇國產或合資廠設備。

2.3 10KV配置裝置

   10kV 高壓開關柜可選用中置式手車柜,內置10kV 真空斷路器或SF6 斷路器。10kV 無功補償裝置宜選用干式成套電容器裝置( 選擇時需注意大部分干式電容器尚處于試運行階段,日常運行維護經驗尚有不足),串聯電抗器宜選用體積較小、漏磁較小的鐵芯電抗器。也可選擇油絕緣產品,但布置時需注意相應增加防火分區數量。10kV 接地變及站用變均可選擇干式,可考慮接地變與站用變合用,以減少設備布置區域。

3.電氣布置

  本文以110kV 樞紐變電站為例介紹110kV 全地下變電站的電氣布置。其建設規模為:主變4×50MVA、110kV 進出線4 回、單母線分段接線、10kV 單母線分段環形接線為例。

  3.1全地下變電站總體布置

  主體建筑在地下、分為地下一、二、三層,地上局部設有變電所的主進出口、安全疏散口、主變吊裝口兼進風口等。地下三層為電纜夾層,設有電纜隧道出口。地下二層為主設備層,設有主變壓器室、10kV 接地變間、110kV GIS 室、10kV 開關室、380V 配電室、10kV 所用變室等。地下一層安裝主變冷卻器、電容器組,布置主控室、附屬用房等。地面層設有變電所人員主進出口,變電所安全疏散口,主變吊裝口兼進風口,及獨立的出風口。

  3.2設備運輸,吊裝及通風

  全地下變電站設計時需統籌設置站外道路、地下通道及垂直通道。變電站大型設備的運輸通道在地面可利用已有的道路或規劃道路,站內一般只考慮設置一個設備吊裝口( 可兼進風口),以滿足主變及GIS 設備的吊裝。吊裝口設可全部開啟的頂蓋,用后封閉。

  (1) 設備運輸及吊裝主變、GIS 等大型設備運入或吊入站內后,在其各自的運輸通道及設備間內設有運輸地錨,屆時可用牽引機將設備拉入各自的設備間內就位。主變冷卻器由主變吊裝口吊入所內后,由排風口屋頂設置的單軌電葫蘆吊起放在臨時搭起的與地下一層地面等高的貨架上,由冷卻器間的小門送入各冷卻器間,冷卻器間屋頂各設有一排吊鉤,以便檢修、安裝冷卻器時使用。

  (2) 通風。全地下站通風系統關系到變電站的安全可靠運行。一般采用自然進風、機械排風系統,進風從進風口經運輸通道和走廊墻上的進風口進入各設備間,排風由風機經排風管道分別送至地上排風口排出。主變散熱器間設軸流風機散熱,電容器室、所用變室的散熱及排風共用一套風機裝置,排風量取二者間較大值。110kV GIS 室、10kV 配電室、主控室、電纜夾層分設事故排煙系統。GIS 室及主變室還應設SF6 氣體排散裝置,其出風口分設房間頂部和地面( 盡量靠近地面)。

4.過電壓保護級接地

  城市地下及半地下變電站的110kV 進出線通常為全電纜進線,在電源側設置防雷電侵入波過電壓保護,110kV 側不再設置避雷器,僅在10kV 母線設避雷器。全地下變電站主體建筑深入地下近20 米,占地面積較小,西南地區需注意土壤電阻率較高的問題,而在河流地區需考慮土壤對接地體的腐蝕。在土壤電阻率高的地區可考慮設置雙層水平接地網,加部分垂直接地極組成的復合環形封閉式電網,此外,可考慮采取一些輔助接地措施,如將地網可與地下站護壁樁主鋼筋相連、敷設物理降阻劑、采用高阻地面等。

5.電氣二次部分

  站內采用綜合自動化系統,采用分層分布式的系統結構。鑒于全地下變電站土建施工費用較高,應盡量減少地下空間,在滿足運行規程的要求下,應盡量縮減主控制室面積,節省電纜長度。具體內容如下:110kV GIS 采用獨立的單元測控裝置對各間隔內的斷路器、隔離開關、接地隔離開關進行監測和控制,單元測控裝置按間隔配置,安裝于GIS 室測控單元柜。10kV 采用集保護與測控功能于一體的微機保護裝置,分散安裝于10kV 開關柜內。10kV 受電斷路器、主變中性點接地隔離開關、主變有載調壓分接頭位置調整采用獨立的單元測控裝置對被控設備進行監測和控制,單元測控裝置在主控室集中組屏。主變保護、110kV 線路保護及10kV 備自投等在主控室集中組屏。保護動作信息,通過以太網與綜合自動化系統連接。為實現對所用電系統、消防系統、通風系統、逆變電源系統、10kV 母線電壓的監測,配置綜合測控裝置,該裝置在主控室集中組屏。綜合自動化系統不設獨立的接地網,直接與變電所的地網相聯。

  全地下變電站雖然在地下,但其在運行時變壓器、電抗器、軸流風機的噪聲仍然會對周圍居民產生影響。在設計過程中應采取以下措施降噪:選擇比常規設備噪聲要低的GIT及GIS 設備,作為主要噪聲源的設備應布置在利于隔聲且設計有吸聲結構的室內。主變壓器、電抗器的基礎應獨立著地( 不與其它建筑結構連接),以降低固體噪聲的傳播。

  在設計過程中注意采取以下措施減少電磁輻射,如選用帶金屬屏蔽外殼的鐵芯電抗器等電磁輻射較小的設備將電磁輻射高的高壓設備布置在背向人流密集區的位置增設屏蔽措施等。

6.結語

    本文以110kV 全地下變電站電氣部分的設計結合工程實際進行了一些介紹,但全地下變電站設計及建造是一項極其復雜的系統工程,尤其在靠近河流地區,在建設過程中走過的彎路和總結的經驗教訓都是我們在設計時可以利用的寶貴資源,為電力系統中得到更加廣泛的應用。


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