DQZHAN技術(shù)訊：全地下變電站電氣設(shè)計應(yīng)注意的問題
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城區(qū)人口密集度越來越高，用電負荷迅速增長，電源供應(yīng)相對不足，需要建設(shè)更多深入市區(qū)的變電站，而城區(qū)土地資源的稀缺性不允許變電站占用大量土地，且環(huán)保及景觀協(xié)調(diào)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(shè)與高層建筑相結(jié)合的變電站或半地下、全地下變電站是今后城區(qū)變電站設(shè)計的發(fā)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(shè)計中的一些問題。
1電氣主接線
沿襲以往在城郊建設(shè)變電站，然后利用10kV 或35kV 輸電線路向城區(qū)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(qū)域性供電優(yōu)選方案，即在城區(qū)負荷中心建設(shè)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(shè)備質(zhì)量的提高以及電網(wǎng)可靠性的要求，變電站的規(guī)模及接線應(yīng)在滿足電網(wǎng)需求的情況下盡可能減化。
通常按城市變電站在系統(tǒng)中的地位、規(guī)劃容量、線路和變壓器連接元件總數(shù)等條件來確定主接線方案。若建設(shè)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(cè)按單母線四分段，每段母線帶12 ～ 13 回出線。若建設(shè)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?nèi)萘堪唇K期4x50MVA 設(shè)置，10kV 側(cè)按單母線四分段，每段母線帶13 ～ 14 回出線，或10kV 側(cè)按單母線八分段環(huán)形接線考慮，每段母線約帶7 回饋線。#2、#3 主變10kV 側(cè)可交叉供電，以保證供電可靠性。在10kV 分段開關(guān)處裝設(shè)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(guī)劃時應(yīng)充分考慮遠期負荷的發(fā)展并留有一定余地，從而確定變電所的終期建設(shè)規(guī)模，選定電氣設(shè)備布置方案。
2主要電氣設(shè)備選擇
全地下變電站一般設(shè)置在人口稠密地區(qū)，用地緊張，變電所占地面積很小;而用戶對供電**性、可靠性、電能質(zhì)量及城市環(huán)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(guān)注。所以在電氣設(shè)備選擇需注意以下三個方面：
(1) 設(shè)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(shè)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(tǒng)，又可將火災(zāi)的影響局限在地下，而不致影響到地面。
(3) 設(shè)備制造水平高，技術(shù)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(nèi)*主要的電氣設(shè)備，普通的油浸式變壓器本體鐵心產(chǎn)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(chǎn)**構(gòu)成嚴重的威脅。SF6 氣體絕緣變壓器(Gas2 Insulated Transformer，GIT) 以其獨有的優(yōu)勢受到了人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)油浸式變壓器相比，它有以下優(yōu)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(yōu)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(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，不易燃;當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧時，內(nèi)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(fā)出的聲音很少能夠傳到罐體，這樣，GIT 產(chǎn)生的噪聲比油浸式變壓器的要小。特別適合在繁華的商業(yè)中心和人口密集的居民區(qū)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(huán)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(diào)壓開關(guān)，無需帶電濾油器，相應(yīng)減少了油枕和壓力-釋放設(shè)備，設(shè)備外型簡潔，對站內(nèi)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(chǎn)廠家較少。目前110kV 及以上電壓等級的GIT 幾乎全部為進口設(shè)備，生產(chǎn)及供貨周期較長。此外，SF6 氣體不含氧氣，如發(fā)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(yīng)組合成其它有毒物質(zhì)。變壓器室內(nèi)需采取有效通風(fēng)措施，將SF6 氣體濃度限制在1000μg/L 之內(nèi)，且應(yīng)安裝SF6 泄漏儀和氧氣含量監(jiān)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(shù)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(zāi)隱患，是一種比較理想的變電設(shè)備。全地下變電站設(shè)計時宜優(yōu)先選擇GIT。
全地下變電站靠近負荷中心，設(shè)備選型時應(yīng)盡量提高主變壓器容量。考慮到10kV 開關(guān)柜的容量一般為3150A，*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(huán)冷卻的散熱方式，運行維護也較方便。
2.2110kV 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(guī)模下設(shè)備所占土地只有常規(guī)設(shè)備的15% ～ 35%;元件全封閉，不受環(huán)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(fā)展迅速，在設(shè)備制造及運行維護方面有豐富的經(jīng)驗，可考慮選擇國產(chǎn)或合資廠設(shè)備。
2.3110kV 配電裝置
10kV 高壓開關(guān)柜可選用中置式手車柜，內(nèi)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(jīng)驗尚有不足)，串聯(lián)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(chǎn)品，但布置時需注意相應(yīng)增加防火分區(qū)數(shù)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(shè)備布置區(qū)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(shè)規(guī)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(huán)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(shè)有變電所的主進出口、**疏散口、主變吊裝口兼進風(fēng)口等。地下三層為電纜夾層，設(shè)有電纜隧道出口。地下二層為主設(shè)備層，設(shè)有主變壓器室、10kV 接地變間、110kV GIS 室、10kV 開關(guān)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(shè)有變電所人員主進出口，變電所**疏散口，主變吊裝口兼進風(fēng)口，及獨立的出風(fēng)口。
3.2設(shè)備運輸，吊裝及通風(fēng)
全地下變電站設(shè)計時需統(tǒng)籌設(shè)置站外道路、地下通道及垂直通道。變電站大型設(shè)備的運輸通道在地面可利用已有的道路或規(guī)劃道路，站內(nèi)一般只考慮設(shè)置一個設(shè)備吊裝口( 可兼進風(fēng)口)，以滿足主變及GIS 設(shè)備的吊裝。吊裝口設(shè)可全部開啟的頂蓋，用后封閉。
(1) 設(shè)備運輸及吊裝主變、GIS 等大型設(shè)備運入或吊入站內(nèi)后，在其各自的運輸通道及設(shè)備間內(nèi)設(shè)有運輸?shù)劐^，屆時可用牽引機將設(shè)備拉入各自的設(shè)備間內(nèi)就位。主變冷卻器由主變吊裝口吊入所內(nèi)后，由排風(fēng)口屋頂設(shè)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(shè)有一排吊鉤，以便檢修、安裝冷卻器時使用。
(2) 通風(fēng)。全地下站通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)系到變電站的**可靠運行。一般采用自然進風(fēng)、機械排風(fēng)系統(tǒng)，進風(fēng)從進風(fēng)口經(jīng)運輸通道和走廊墻上的進風(fēng)口進入各設(shè)備間，排風(fēng)由風(fēng)機經(jīng)排風(fēng)管道分別送至地上排風(fēng)口排出。主變散熱器間設(shè)軸流風(fēng)機散熱，電容器室、所用變室的散熱及排風(fēng)共用一套風(fēng)機裝置，排風(fēng)量取二者間較大值。110kV GIS 室、10kV 配電室、主控室、電纜夾層分設(shè)事故排煙系統(tǒng)。GIS 室及主變室還應(yīng)設(shè)SF6 氣體排散裝置，其出風(fēng)口分設(shè)房間頂部和地面( 盡量靠近地面)。
4過電壓保護及接地
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(cè)設(shè)置防雷電侵入波過電壓保護，110kV 側(cè)不再設(shè)置避雷器，僅在10kV 母線設(shè)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(qū)需注意土壤電阻率較高的問題，而在河流地區(qū)需考慮土壤對接地體的腐蝕。在土壤電阻率高的地區(qū)可考慮設(shè)置雙層水平接地網(wǎng)，加部分垂直接地極組成的復(fù)合環(huán)形封閉式電網(wǎng)，此外，可考慮采取一些輔助接地措施，如將地網(wǎng)可與地下站護壁樁主鋼筋相連、敷設(shè)物理降阻劑、采用高阻地面等。
5電氣二次部分
站內(nèi)采用綜合自動化系統(tǒng)，采用分層分布式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。鑒于全地下變電站土建施工費用較高，應(yīng)盡量減少地下空間，在滿足運行規(guī)程的要求下，應(yīng)盡量縮減主控制室面積，節(jié)省電纜長度。具體內(nèi)容如下：110kV GIS 采用獨立的單元測控裝置對各間隔內(nèi)的斷路器、隔離開關(guān)、接地隔離開關(guān)進行監(jiān)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(guān)柜內(nèi)。10kV 受電斷路器、主變中性點接地隔離開關(guān)、主變有載調(diào)壓分接頭位置調(diào)整采用獨立的單元測控裝置對被控設(shè)備進行監(jiān)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(wǎng)與綜合自動化系統(tǒng)連接。為實現(xiàn)對所用電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、10kV 母線電壓的監(jiān)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(tǒng)不設(shè)獨立的接地網(wǎng)，直接與變電所的地網(wǎng)相聯(lián)。
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(fēng)機的噪聲仍然會對周圍居民產(chǎn)生影響。在設(shè)計過程中應(yīng)采取以下措施降噪：選擇比常規(guī)設(shè)備噪聲要低的GIT及GIS 設(shè)備，作為主要噪聲源的設(shè)備應(yīng)布置在利于隔聲且設(shè)計有吸聲結(jié)構(gòu)的室內(nèi)。主變壓器、電抗器的基礎(chǔ)應(yīng)獨立著地( 不與其它建筑結(jié)構(gòu)連接)，以降低固體噪聲的傳播。
在設(shè)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(shè)備將電磁輻射高的高壓設(shè)備布置在背向人流密集區(qū)的位置增設(shè)屏蔽措施等。
6結(jié)語
本文以110kV 全地下變電站電氣部分的設(shè)計結(jié)合工程實際進行了一些介紹，但全地下變電站的設(shè)計及建造是一項極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尤其在靠近河流地區(qū)，在建設(shè)過程中走過的彎路和總結(jié)的經(jīng)驗教訓(xùn)都是我們在設(shè)計時可以利用的寶貴資源，為電力系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用。
