馬明 曹芮嘉

摘 要：變電所在電力系統(tǒng)中有著重要的作用，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性以及運(yùn)行的靈活性、經(jīng)濟(jì)性很大程度上取決于變電所設(shè)計(jì)的質(zhì)量?，F(xiàn)針對(duì)35 kV變電所電氣部分，首先根據(jù)原始資料采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，據(jù)此選擇主變壓器，并設(shè)計(jì)電氣主接線;其次計(jì)算短路電流;最后，按正常工作條件選擇校驗(yàn)電氣主要設(shè)備以及相應(yīng)母線、架空線。電氣設(shè)計(jì)力求做到運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)合理、靈活方便，具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：35 kV變電所;電氣主接線;計(jì)算負(fù)荷;短路電流計(jì)算

0 引言

某工廠欲設(shè)計(jì)一個(gè)35 kV電壓等級(jí)的變電所，對(duì)廠內(nèi)各個(gè)車間進(jìn)行供電。其工作電源為距離該廠5 km處的變電站A，接入單回架空線路供電;備用電源為變電站B。

（1）系統(tǒng)情況：變電站A為110 kV的母線，基準(zhǔn)容量為1 000 MVA。其安裝了兩個(gè)SFSLZ-31500/110 kVA的三繞組變壓器：U高中=10.5%，U高低=17%，U低中=6%;選用35 kV電壓等級(jí)來(lái)供電。以最大運(yùn)行方式運(yùn)行，將A變電站的兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行。

（2）負(fù)荷情況：待設(shè)計(jì)變電所的10 kV低壓側(cè)母線對(duì)各個(gè)車間供電均用架空線路，其中1～7車間是一類負(fù)荷，8～9車間是二、三類負(fù)荷;一、二類負(fù)荷占全廠總負(fù)荷的70%，全年工作時(shí)長(zhǎng)8 760 h。

1 負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)下列公式進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算：

根據(jù)原始資料，各車間計(jì)算負(fù)荷如表1所示。

采用需要系數(shù)法，取0.9和0.95作為有功和無(wú)功同時(shí)系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，車間總的視在功率為2 750.25 kVA，計(jì)算電流為158.8 A，功率因數(shù)為0.87。

因功率因數(shù)為0.87，未達(dá)到低壓側(cè)功率因數(shù)為0.95的要求，此處采取人工補(bǔ)償——并聯(lián)移相電容器組的方法進(jìn)行低壓集中補(bǔ)償，補(bǔ)償量為：

Qc補(bǔ)=Pc總（tan φ-tan φ′）=574.56 kvar（4）

式中：Qc補(bǔ)為需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功容量;Pc總為有功計(jì)算負(fù)荷總值;tan φ為功率因數(shù)無(wú)功補(bǔ)償前的正切值;tan φ′為該變電所需求功率因數(shù)的正切值。

根據(jù)所得出的無(wú)功補(bǔ)償容量，可選取BWF10.5-100-1型單相電容型電容6個(gè)。經(jīng)無(wú)功補(bǔ)償后，所得車間總視在功率、計(jì)算電流、功率因數(shù)分別為2 509.86 kVA、145 A、0.95，即功率因數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

2 主變壓器選擇

待設(shè)計(jì)變電所選用兩臺(tái)等容量主變壓器，要求如下：

（1）當(dāng)兩臺(tái)中任一變壓器在單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)滿足廠內(nèi)總負(fù)荷70%～80%的需要;

（2）滿足廠內(nèi)全部一、二類負(fù)荷的需求[1]。

查相關(guān)選型手冊(cè)[2-4]，可初選S9系列三相油浸自冷式無(wú)載調(diào)壓銅線電力變壓器S9-2000/35。依據(jù)補(bǔ)償后的有功負(fù)荷和容量選擇條件，所選變壓器額定容量2 000 kVA大于車間總?cè)萘?，故滿足設(shè)計(jì)要求。

3 電氣主接線設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，變電所的主接線應(yīng)由變電所在電力系統(tǒng)中的地位、回路數(shù)、設(shè)備特點(diǎn)及負(fù)荷性質(zhì)等條件確定，并且滿足運(yùn)行可靠、簡(jiǎn)單靈活和節(jié)約投資等要求[5]。

在可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性方面的要求滿足后，可采用一用一備、雙電源的供電方式，全場(chǎng)總負(fù)荷的70%為一、二類負(fù)荷，初步設(shè)計(jì)兩臺(tái)主變壓器，以此保障供電可靠性。變壓器35 kV電源進(jìn)線可采用橋式接線、單母線（分段）接線，10 kV母線可采用單母線分段接線。

比較不同接線方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，確定35 kV側(cè)進(jìn)線采用外橋接線，通過(guò)主變降壓后接到10 kV側(cè)單母線。橋式接線沒(méi)有母線，只用3臺(tái)斷路器，節(jié)省了投資，且變壓器投切或故障時(shí)不會(huì)影響其余部分，操作比較簡(jiǎn)單，此種接線同時(shí)也滿足了電氣主接線的基本要求。系統(tǒng)主接線如圖1所示。

4 短路電流計(jì)算

采用等值電路標(biāo)幺值法進(jìn)行短路電流計(jì)算。取基準(zhǔn)容量Sd=1 000 MVA，根據(jù)各元件電抗標(biāo)幺值，系統(tǒng)最大運(yùn)行方式按變電站A兩臺(tái)主變并列運(yùn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

5 電氣設(shè)備選擇與校驗(yàn)

電氣設(shè)備選擇在變電所設(shè)計(jì)中十分重要。一般按正常工作條件選擇額定電壓、額定電流，在短路條件下校驗(yàn)其動(dòng)、熱穩(wěn)定性[6]。

5.1 ? ?斷路器選擇

斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備。正常運(yùn)行時(shí)，可接通和斷開(kāi)電流;發(fā)生故障時(shí)，可快速斷開(kāi)負(fù)荷電流和短路電流[7]。

35 kV高壓回路大多選用真空斷路器或SF6斷路器，根據(jù)主變35 kV回路最大持續(xù)工作電流以及安裝在戶內(nèi)的要求，可選ZN12-40.5型真空戶內(nèi)斷路器。其額定開(kāi)斷電流為25 kA，額定短路關(guān)合電流為63 kA，大于短路沖擊電流，滿足要求。同理，10 kV高壓斷路器選擇ZN3-10型真空戶內(nèi)斷路器。

5.2 ? ?隔離開(kāi)關(guān)選擇

隔離開(kāi)關(guān)是電力系統(tǒng)中的常用電氣設(shè)備，對(duì)高壓設(shè)備和一些重要裝置起到保護(hù)作用，但不可以切斷負(fù)荷電流或開(kāi)斷短路電流[7]。35 kV側(cè)變壓器回路隔離開(kāi)關(guān)的最大電流要求與斷路器相同，選擇戶內(nèi)改進(jìn)型隔離開(kāi)關(guān)GN16-35G/

1250，其動(dòng)穩(wěn)定電流幅值為63 kA，大于短路沖擊電流，滿足要求。同理，10 kV側(cè)高壓隔離開(kāi)關(guān)選擇戶內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)GN6-10/600-52型。

5.3 ? ?電壓互感器選擇

電壓互感器是電氣二次設(shè)備與一次設(shè)備之間傳輸信息的傳感器，其一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測(cè)量?jī)x表與繼保裝置，能將高壓按比例變成低壓[8]。

35 kV側(cè)電壓互感器可選擇單相油浸式JDJJ6-35型電壓互感器，其0.5級(jí)二次繞組額定容量為150 VA。10 kV側(cè)電壓互感器選擇單相油浸式JDZJ-10三繞組電壓互感器，0.5級(jí)二次繞組額定容量為40 VA。

5.4 ? ?電流互感器選擇

電流互感器是電氣二次設(shè)備獲取電氣一次回路信息的傳感器，其一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測(cè)量?jī)x表與繼保裝置，能將大電流按比例變成小電流[8]。

35 kV側(cè)電流互感器最大工作電流為34.8 A且安裝地點(diǎn)在戶內(nèi)，可選LDZB7-35型電流互感器，其動(dòng)穩(wěn)定電流為112.5 kA，大于短路沖擊電流;額定熱穩(wěn)定電流為45 kA，大于短路電流，故滿足要求。

10 kV側(cè)電流互感器可選半封閉式結(jié)構(gòu)LFZ1-10型電流互感器，其初、次級(jí)繞組用環(huán)氧樹(shù)脂澆注成一體，且滿足動(dòng)、熱穩(wěn)定性校驗(yàn)需求。

5.5 ? ?避雷器選擇

避雷器用于防止雷電通過(guò)電壓波沿線路直接侵入變電所或者建筑物內(nèi)，以免對(duì)被保護(hù)設(shè)備的絕緣部件造成損害。這里35 kV側(cè)選擇閥式避雷器FZ-35，10 kV側(cè)架空進(jìn)線選擇閥式避雷器FZ-10，經(jīng)校驗(yàn)，其各類參數(shù)均滿足需求。

6 架空線、母線選擇與校驗(yàn)

6.1 ? ?架空線選擇

（1）架空進(jìn)線：35 kV及以上宜按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇架空線截面，導(dǎo)線材質(zhì)為鋁，故可選LGJ-35型鋁絞線。其標(biāo)稱截面積A=35 mm2，滿足機(jī)械強(qiáng)度要求;在導(dǎo)體工作溫度為40 ℃時(shí)，允許載流量為137 A，大于最大持續(xù)工作電流。因此，LGJ-35型鋁絞線滿足要求。

（2）架空出線：根據(jù)電壓等級(jí)為3～10 kV且出線線路較短，則按允許載流量選擇導(dǎo)線截面的規(guī)定，可選LGJ-16型鋁絞線。其在架設(shè)地點(diǎn)的環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，允許載流量為98 A，大于最大持續(xù)工作電流;架空時(shí)最小截面積Amin=16 mm2，滿足機(jī)械強(qiáng)度要求。因此，LGJ-16型鋁絞線滿足要求。

6.2 ? ?母線選擇

35 kV及以下配電設(shè)備一般選用矩形硬鋁母線。按發(fā)熱條件選擇導(dǎo)線截面，最大持續(xù)工作電流為121.2 A，可選單條矩形導(dǎo)體LMY-15×3的立放涂漆母線。其截面積為60 mm2，大于6.97 mm2，滿足熱穩(wěn)定要求;在導(dǎo)線架設(shè)地點(diǎn)的環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，長(zhǎng)期允許電流為155 A，當(dāng)母線平放且寬度小于63 mm時(shí)，允許電流為147.25 A，滿足條件。故兩段母線選擇單條矩形導(dǎo)體的立放涂漆母線滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究35 kV變電所電氣部分設(shè)計(jì)，為了滿足工廠、車間等工業(yè)場(chǎng)所用電需求，設(shè)計(jì)中采用需要系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)所得數(shù)據(jù)，選擇變電站各種系數(shù)以及主要電氣設(shè)備。通過(guò)本次對(duì)變電所電氣部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有望獲得更高電壓等級(jí)變電所電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)35 kV變電所設(shè)計(jì)工程提供參考和借鑒。

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收稿日期：2021-08-27

作者簡(jiǎn)介：馬明（1994—），男，甘肅蘭州人，碩士研究生在讀，研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化。