耿  芳1, 王笑一2，張曉虹1，張  梅1

　　（1. 國網天津電力公司經濟技術經研院,天津 300170;2. 國網客戶服務中心,天津 300000）

　　摘  要： 近年來，電力設備技術的發展推動了智能變電站技術的發展，促成了變電站設計理念的更新，變電站設計逐步向工廠預制式模塊化發展。本文論述了智能變電站建設背景，對220 kV及110 kV智能變電站系統一次和電氣一次模塊化設計進行了深入研究，從系統設計、主要設備選型、主接線優化、總平面布置、各級配電裝置平面布置角度進行論述，歸納智能變電站模塊化建設技術特點及發展趨勢，并提出后續努力方向，具有較高的實用價值和技術優勢。

　　關鍵詞： 智能變電站; 工廠預制式; 模塊化

0 引言

　　變電站模塊化建設是按照新一代智能變電站技術方向，應用“三通一標”[1]，推行“標準化設計、裝配式建設”，在智能變電站技術模式、設計設備、建設模式等方面實現的進一步創新。模塊化變電站采用裝配結構模式，通過工廠預制生產和現場安裝兩大階段建設，這種方式大大減少了變電站的占地面積，并大幅度縮減工期。本文著重從220 kV及110 kV智能變電站的系統設計、建設規模、設備選型、布置方式等方面對變電站模塊化建設進行了深入研究。

1 智能變電站模塊化建設背景

　　1.1 背景

　　當前，國際國內的經濟形勢、能源形勢正在發生深刻變化。面對新形勢、新挑戰，加快建設堅強智能電網的需求迫在眉睫。變電站是電力網絡的節點，它連接線路、輸送電能，擔負著變換電壓等級、匯集電流、分配電能、控制電能流向、調整電壓等功能，變電站的智能化運行是實現智能電網的基礎環節之一。

　　模塊化智能變電站是變電站建設的一種創新模式，從設計到建設階段將全過程遵循“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”的管理理念，通過電氣一、二次集成設備最大程度實現工廠內規模生產、集成調試、模塊化配送，減少現場安裝、接線、調試工作，建筑物采用裝配式結構，工廠預制、現場機械化安裝，將工業建筑實現標準化設計，統一建筑結構、材料、模數等，實現設計、建設標準化，有效提高建設質量、效率，提升電網建設能力。

　　1.2 研究現狀

　　2012年以來，新一代智能變電站概念設計方案應運而生，構建了以集成化智能設備、一體化業務系統及站內統一信息流為特征的新一代智能變電站設計方案。2013年，變電站模塊化建設研究工作和試點工程又取得了突飛猛進的進展。該工作提出了“模塊化建設”的工程建設理念。隨著設備廠商設計生產的電氣設備質量的提高以及電網可靠性的增加及電網發展的需求，推動了變電站設計模塊化方案的可行性。

　　基于以上現狀，本文提出基于220 kV及110 kV新一代智能變電站模塊化設計的課題，旨在利用發展的設計理念對變電站的設計進行優化，進一步提高施工效率和施工質量，從設計源頭降低建設成本，縮短建設周期。這也是社會發展、技術進步、設備制造工藝水平、設備可靠性提高以及環境保護意識和節約土地資源意識增強的必然。

2 系統一次模塊化設計方案

　　電力系統的規劃設計是變電工程前期工作的重要組成部分，是變電站工程設計的總體規劃，也是變電站項目實施的方針和原則。系統一次模塊化設計理念，即根據各電壓等級變電站不同的建設規模，確定主要配電裝置和無功補償配置，并形成模塊化拼接方案。在進行系統設計時選擇相似模塊拼接即可。

　　2.1 主變壓器配置

　　2.1.1 220 kV變電站

　　單臺變壓器容量一般按180 MVA常用容量配置。對于負荷密度較輕的地區，可以采用150 MVA的變壓器，當負荷特別輕時也可采用120 MVA容量的變壓器，對于負荷密度特別高的城市中心地區，單臺主變壓器容量按240 MVA容量配置。

　　一般地區主變壓器遠景規模宜按3臺配置，對于負荷密度特別高的城市中心、站址選擇困難地區主變壓器遠景規模可按4臺配置。

　　主變壓器可采用雙繞組或三繞組、有載調壓變壓器。

　　2.1.2 110 kV變電站

　　單臺變壓器容量一般按50 MVA常用容量配置。對于負荷密度較輕的地區，可以采用40 MVA的變壓器，當負荷特別輕時也可采用31.5 MVA容量的變壓器，對于負荷密度特別高的城市中心地區，單臺主變壓器容量按63 MVA容量配置。

　　一般地區主變壓器遠景規模宜按3臺配置，對于負荷密度特別高的城市中心、站址選擇困難地區主變壓器遠景規模可按4臺配置，對于負荷密度較低的地區主變壓器遠景規模可按2臺配置。

　　主變壓器可采用雙繞組或三繞組、有載調壓變壓器。

　　實際工程設計中主變壓器臺數和容量、繞組數應根據相關的規程規范、導則和已經批準的電網規劃計算確定；變壓器調壓方式應根據系統情況確定。

　　2.2 出線回路數

　　2.2.1 220 kV變電站

　　遠景3臺變壓器時，220 kV出線按3、4、6、8、10回配置，110 kV出線按8、10、12、14、16回配置，35 kV出線按6、12、18、24、30回配置，10 kV出線按24、28、30、36回配置。雙繞組變壓器66 kV出線按17、20、24回配置。

　　遠景4臺變壓器時，220 kV出線按10回配置，110 kV出線按12回配置，10 kV出線按28回配置。出線回路數配置原則詳見下表1。

　　實際工程可根據具體情況對各電壓等級出線回路數進行適當調整。

　　2.2.2 110 kV變電站

　　遠景2臺主變壓器時，110 kV出線按 2-4 回配置，35 kV出線按 6-8回配置，10 kV 出線按12-24回配置。

　　遠景3臺主變壓器時110 kV出線按 2-6 回配置，35 kV出線按 6-12回配置，10 kV出線宜按 12-42 回配置。

　　遠景4臺主變壓器時，110 kV 出線按 4-8回配置，10 kV 出線宜按56回配置。出線回路數配置原則詳見下表2。

　　實際工程可根據具體情況對各電壓等級出線回路數進行適當調整。

　　2.3 無功補償配置

　　容性無功補償容量按規程要求按主變壓器容量的 10%～30%配置，通用設計方案按 10%～15%配置。

　　220 kV變電站應根據需要配置無功補償設備，每臺主變壓器根據低壓側電壓等級的不同按1~5組無功補償裝置考慮。并聯電容器和并聯電抗器是電力系統無功補償的重要設備，應優先選擇此種設備，具體工程必須經過調相調壓計算來確定無功容量及分組的配置。

　　對于架空、電纜混合的110 kV變電站，應根據系統條件經過具體計算后確定感性和容性無功補償配置。

　　在不引起高次諧波諧振、有危害的諧波放大和電壓波動過大的前提下，無功補償裝置宜加大分組容量和減少分組組數，以降低造價。圍繞系統對變電站無功配置的要求，對變電站所需無功總量進行測算，對變電站無功分組容量進行分析，在滿足基本功能的前提下對常用無功配置方案進行優化，從補償度考慮，容量小的電容器組對電網的調節更加靈活；從設備成本上考慮，針對經驗選擇的分組容量進行的優化，節約設備成本；考慮到地區的運行習慣，合理選擇的單臺容量還會給運行管理和設備檢修提供方便，同時設備的通用性還能延長整組設備的壽命。

　　2.4 系統接地方式

　　220 kV系統、110 kV系統采用直接接地方式，主變66 kV、35 kV或10 kV側接地方式宜結合線路負荷性質、供電可靠性等因素，采用不接地、經消弧線圈或小電阻接地方式。

3 電氣一次模塊化設計方案

　　3.1 電氣主接線

　　各電壓等級的主接線形式可根據出線規模、變電站在電網中的地位及負荷性質確定，當滿足運行要求時，宜選擇簡單接錢。

　　傳統變電站設計時，通常在斷路器兩側安裝隔離開關，進行檢修或維護作業時，打開隔離斷口用于隔離相鄰線路或設備。這是因為斷路器結構相對復雜，早期產品可靠性較低，要保證檢修斷路器時不影響線路正常供電。而隔離開關結構較為簡單，據早期統計表明，一般的斷路器維護周期為1～2年，而隔離開關能達到4～5年，可靠性高于斷路器。隨著斷路器技術性能不斷改進，現場維護工作量逐漸減少，目前斷路器的檢修周期一般可達到12～15年，故障率水平遠低于隔離開關，設計時更多考慮變壓器、架空線、電抗器等設備的維護。因此，為了避免因出現上線路側隔離開關故障或檢修造成的停電率升高，220 kV、110 kV主接線當出線上無T接線時，或有T接線但線路允許停電時，應取消線路側隔離開關和附帶的檢修接地開關，僅留快速接地開關。同理，220 kV、110 kV主變進線主變側隔離開關應取消。但對于雙母線接線方式來說，母線側隔離開關除了用做檢修斷路器的隔離斷口，還要用于倒閘操作，所以出線上母線側隔離開關不能取消。

　　3.2  短路電流

　　220 kV電壓等級：50 kA；

　　110 kV電壓等級：40 kA；

　　66 kV電壓等級：31.5 kA;

　　35 kV電壓等級：25或31.5 kA（實際工程計算確定）；

　　10 kV電壓等級：25或20 kA（實際工程根據所處電網短路電流水平確定）。

　　為限制10 kV側短路電流，240 MVA主變壓器可采用普通阻抗配置限流電抗器，180 MVA主變壓器一般選用高阻抗，工程中可根據需要采用普通阻抗變壓器配置限流電抗器方式。

　　3.3  主要設備選擇

　　電氣設備選擇在遵循通用設計應用目錄的基礎上，使用高度集成的一、二次設備，能夠最大程度實現工廠內規模生產、集成調試、模塊化配送，減少現場安裝、接線、調試工作，一次設備本體與智能控制柜之間二次控制電纜采用預制電纜連接，提高建設質量、效率。

　　3.3.1  智能變壓器

　　智能電力變壓器是智能組件與變壓器的集成。每臺220 kV主變壓器宜設置1面智能控制柜，布置主變智能組件；110 kV主變壓器可結合本體設備配置情況取消獨立的智能控制柜，與本體端子箱集成。變壓器本體智能終端集成最熱點溫度預測、發熱老化評估及預測、油中溶解氣體溫度、負荷狀況及過負荷能力、分接開關觸頭磨損、壽命評估、變壓器溫度平衡、分接開關溫度平衡等，有利于變壓器運行的安全、可靠、節能。

　　3.3.2  智能高壓開關設備

　　通過GIS廠家完成智能控制柜內部各智能組建的組裝，實現廠內接線，廠內調試，智能控制柜與本體一體化運輸和吊裝，可減少現場接線和聯調，縮短工期，提高效率。智能終端、合并單元、監測IED應按工程本期規模按間隔配置。

　　3.3.3  高壓開關柜

　　35 kV/10 kV開關柜二次設備與開關柜一體化集成優化設計，應考慮布置的美觀和運維檢修的便利性。

　　3.4 總平面布置

　　電氣總平面布置應減少變電站占地面積，以最少土地資源達到變電站建設要求。

　　3.4.1 優化主接線

　　采用高度集成式設備，簡化站內設備配置。主接線中明確變電站本期和遠期所上規模的明確界限，結合實際工程情況，考慮建筑和電氣設備的同期實施，使變電站設計模塊化思想更加鮮明，實現站內建筑和電氣設備的緊湊型布置。

　　3.4.2 充分借助站址條件

　　合理利用站區環境和站外道路，優化站內道路，縮減變電站縱向尺寸和橫向尺寸，從而減少圍墻內占地面積。

　　3.4.3 集成式二次設備應用

　　戶外變電站宜利用配電裝置附近空余場地布置預制艙式二次組合設備，整艙配送、吊裝、就位。改變了原有二次屏柜現場安裝、接線、調試模式，改善了設備運行環境，改變了以往安裝調試過程中灰塵等對二次設備潛在影響，提高二次設備壽命和系統質量，提高了工程建設效率。戶內變電站宜采用模塊化二次組合設備，功能分區明確，節省現場接線的工作量，提高建設效率。

　　3.4.4 變電樓層高優化

　　結合實際工程出線情況，對于采用組合電器(GIS)的工程規模，在組合電器全部為架空出線的情況下，可以利用架空出線套管作為后期試驗、耐壓的場所。充分利用建筑本身的結構，考慮后期設備運行、檢修的移動，適當考慮取消目前GIS室雙層層高的現狀，能夠優化建筑體量，實現建筑和設備的緊湊布局。

　　3.4.5 整合全站功能用房

　　變電站設計融入模塊化設計思想，按照無人值守變電站標準將變電站房間數量和項目標準化。全站僅設置安全工具間、資料間、衛生間、泵房。減少附屬房間配置，優化全站布局。

　　3.5 配電裝置選型及布置

　　模塊化設計要求設備選型均嚴格按照工廠預制現場裝配的理念設計，一次設備本體加智能組件的方式實現一次設備智能化，智能組件統一由一次設備廠家場內集成，體現模塊化設計的高效；電氣裝置的布置方式采用“單元”布置方式，一臺主變所帶設備成“單元”分區就近布置，并滿足二次接線的要求。開關設備同無功補償設備分區明確，充分體現電氣布置模塊化。一、二次設備高度集成，現場只需完成合并單元及保測裝置至二次設備室的相關交直流電源電纜及光纜的敷設，全站電纜大幅減少，電纜敷設、電纜施工接線的工作量相應減輕，縮短電纜施工安裝周期，節約工程造價。

　　3.6 電纜敷設

　　智能變電站模塊化設計中，電纜的敷設可采用成品電纜槽盒，方便土建施工，提高施工效率。電纜溝采用成品復合溝蓋板和裝配式電纜溝，減少現場澆筑施工量和時間。通過使用隱藏式電纜溝，系統在安全、方便的前提下，站內無明露溝、蓋板，全站外觀簡潔，突出工業化。

4 結束語

　　本文通過對智能變電站系統和電氣一次模塊化設計研究，總結歸納智能變電站模塊化設計技術特點。模塊化設計改變了傳統變電站設備選擇、電氣布局、土建設計和施工模式，通過工廠預制、現場組裝兩大階段來建設變電站。智能變電站模塊化設計是“兩型一化”變電站的具體體現,通過優化創新，使變電站具備科技含量高、資源消耗低、建設周期短、運行可靠性高的特點。隨著示范工程的實踐和設備生產水平的提高，今后需努力將模塊化設計更加細化，并逐步標準化、規范化，從而進一步提高設計方案的技術經濟合理性。

　　參考文獻

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