浅谈10kV变电站的设计

浅谈10kV变电站的设计摘要:从负荷计算、无功补偿、站址选择、主接线选用、短路电流、设备选型、继保配置、防雷接地、照明、配网自动化等方面论述了10kV变电站设计的主要内容和设计程序.关键词:10kV变电站;设计;负荷计算;无功补偿10kV配电网属中压配电网,它延伸至用电负荷的中心或居民小区内,直接面对工矿企业和居民等广大用户的供电需要,起着承上启下确保用户供电的作用,因此10kV配电网所处的地位十分重要.在配电工程中,能否保证系统安全、经济、可靠地运行,工程的设计质量是一个重要条件.本文就10kV变电站的设计思路进行探讨.1负荷计算及负荷分级计算负荷是确定供电系统,选择主变容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据,也是整定继电保护的重要数据.因此,正确进行负荷计算及负荷分类是设计的前题,也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段.此阶段需要的原始资料有:①供电区域的总平面图;②供电区域逐年及最终规模的最大负荷、年耗电量、功率因数值及项目投产日期;③每回出线的名称、负荷值、各负荷的性质及对供电可靠性或其它方面的特殊要求;④供电部门对电源电压、供电方式、电源路数及继电保护、自动装置等方面的相关意见;⑤用户对变电站设置方面的数量、容量、位置等的设想及资金准备情况等.计算负荷的方法多种多样,如需用系数法、二项式法、利用系数法等.目前多数采用需用系数法与二项式法相结合的方法,部分采用利用系数法.但是由于利用系数法其理论依据是概率论和数理统计,计算结果比较接近实际,因此也适用于各类的负荷,在以后的负荷计算工作中将占主导地位.负荷根据其对供电可靠性的要求可划分为一、二、三级负荷.对于一级负荷,如医院的手术室等必须有两个独立的电源供电,如同时具备两个条件的发电厂或变电所的不同母线段等,且当两个独立电源中任一电源失去后,另一电源能保证对全部一级负荷的不间断供电.对于一级负荷中的特别重要负荷,也称保安负荷.如用于银行主要业务的电子计算机及其外部设备、防盗信号等必须备有应急电源,应由两个独立的电源点供电.如两个发电厂、一个发电厂和一个地区电网或一个电力系统中的两个区域性变电所等.独立于正常电源的发电机同样可作为应急电源,实行先断后通.对于二级负荷一般需有两个独立电源供电,且当任一电源失去后,另一电源能保证对全部或部分的二级负荷供电.对于三级负荷,通常只需一个电源供电.在各类负荷中,除了保安负荷外,都不应按一个电源系统检修或故障的同时另一电源又发生故障进行设计.2无功补偿的确定在电力系统中,存在着广泛的、大量的感性负荷,在系统运行中消耗大量的无功功率,降低了系统的功率因数,增大了线路的电压损失,电能损耗也增高.因此,国家供用电规则规定:无功电力应就地平衡,用户应在提高用电自然功率的基础上设计和装置无功补偿设备,并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除,防止无功倒送.目前广泛采用并联电容器作为无功补偿装置,分集中补偿和分散补偿两种.在确定无功补偿方案时应注意如下问题:2.1补偿方式问题目前无功补偿的出发点还放在用户侧,只注意补偿用户的功率因数,而不是立足于降低电力网的损耗.如为提高某电力负荷的功率因数,增设1台补偿箱,对降损有所帮助,但要实现最有效的降损,可通过计算无功潮流来确定各点的最优补偿量及补偿方式,使有限的资金发挥出最大的效益.2.2谐波问题电容器具备一定的抗谐波能力,但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响,甚至造成电容器的过早损坏,且电容器对谐波有放大作用,因此使系统的谐波干扰更严重.动态无功补偿的控制容易受谐波干扰的影响,造成控制失灵.因而在有较大谐波干扰的地方补偿无功,还应考虑添加滤波装置.2.3无功倒送问题无功倒送会增加线路及变压器的损耗,加重线路的负担,因此是电力系统所不允许的.2.4电容器容量的选择(1)集中补偿容量(kvar):QC=P(tanψ1-tanψ2).P为最大负荷月的平均有功功率,kW;tgψ1为补偿前功率因数的正切值;tgψ2为补偿后功率因数的正切值;(2)单个电动机随机补偿容量(kvar):QC=3I0Un.Un为电动机的额定电压,kV;I0为电动机的空载电流,A.(3)按配电变压器容量确定补偿容量(kvar).在配电变压器低压侧安装电容器时,应考虑在轻负荷时防止向10kV配电网倒送无功,以取得最大的节能效果.QC=(0.10～0.15)Sn.Sn为配变容量,kVA.3变电站位置的确定变电站位置应避开大气污秽、盐雾、与邻近设施有相互影响的地区(如军事设施、通信电台、飞机场等)、滑坡、滚石、明暗河塘等,靠近负荷中心出线条件好,交通运输方便.当前,在一些居民区变电站的建设中,有部分居民对实际情况不了解或看到一些报刊杂志上的片面宣传资料,对配电设备的环境影响产生了误解或恐惧心理,引发“要用电,但拒绝供电设备”的矛盾.根据上海市辐射环境监理所对上海市内不同类型的已投运的100余座10kV变电站历时两年多的实测和调研,结果如下:(1)具有独立建筑物的10kV变电站:①变电站产生的电场经过实心墙体的屏蔽,得到有效的衰减,基本无法穿出.在距铁门、百叶窗等非实心墙体外3～4米处,电场强度已衰减至环境背景值的水平.②磁感应强度对实心墙体的穿透力较强,其垂直分量大于水平分量,随着空间距离的增长有明显的衰减.③实际测得的最大电场与磁场强度值远低于我国环境标准所规定的居民区电场与磁场参考限值.(2)置于大楼内的10kV变电站:①电磁场在户内所测得的数值相对比户外的数值要高.②无论户内或户外,实际测得的最大电场与磁场强度值均比我国环境标准所规定的参考限值有较大的裕度.(3)10kV预装式变电站:①10kV预装式变电站附近的电场强度与上述具有独立建筑物变电站的情况相当,磁感应强度在总体上偏小.②电场与磁场实测最大强度值均远低于我国环境标准所规定的参考限值.在《浙江省农村低压电力设施装置标准》中也要求变电站离其它建筑物宜大于5米.在设计中,还应考虑到变电站的噪声对周围环境的影响,必要时采用控制和降低噪声的措施.4主变压器选择在10kV变电站中,要选用性能优越、节能低损耗和环保型的变压器.变压器的台数及容量要根据负荷计算和负荷分级的结果并结合经济运行进行选择.当有大量的一、二级负荷,或季节负荷变化较大,或集中负荷较大时,宜装设两台及以上的变压器.当其中任一台变压器断开时,其余变压器应满足一级负荷及大部分二级负荷的用电需要.定变压器容量时还要综合考虑环境温度、通风散热条件等相关因素.对冲击性较大的负荷、季节性容量较大的负荷、小区或高层建筑的消防和电梯等需备用电源的负荷等可设专用变压器,此方法既保障了电能的质量及供电的可靠性,又结合了电费电价政策,做到经济运行.为了使变压器容量在三相不平衡负荷下得以充分利用,并有利于抑制3n次谐波影响,宜选用的变压器接线组别为D,yn11.D,yn11接线的变压器低压侧单相接地短路时的短路电流大,也有利于低压侧单相接地故障的切除.在改、扩建工程中,为了满足变压器并列运行条件,选用的变压器接线组别与原有的保持一致,短路阻抗百分比接近,容量比不超过1∶3.如我县某企业,其设备的用电规格与我国不相一致,根据用户的意见,我们将容量为630kVA的主变接线组别定为D,dn,并要求变压器设单独的接地系统,以此满足用户的供电要求.设在高层建筑内部的变电站,主变采用干式变压器.设在周围大气环境较差的变电站,应选用密闭型或防腐型变压器.为了不降低配电运行的电压,10kV变电站的主变分接头宜放在10.5kV上,分接范围油浸变为±5%,干式变为±2×2.5%.5电气主接线的选择变电站的主接线对变电站内电气设备的选择、配电装置的布置及运行的可靠性与经济性等都有密切的关系,是变电站设计中的重要环节.主接线的形式多种多样,在10kV变电站的设计中常用的有单母接线、单母分段接线、线路—变压器组接线、桥式接线等,每种接线均有各自的优缺点.通过对几种能满足负荷用电要求的主接线形式在技术、经济上的比较,选择最合理的方案.技术指标包括:①供电的可靠性与灵活性;②供电电能质量;③运行管理、维护检修条件;④交通运输及施工条件;⑤分期建设的可能性与灵活性;⑥可发展性.经济指标包括:①基建投资费用.②年运行费.我县西部的甲乙两企业,以前均由长广的6kV线路供电,现都要求改为电网10kV供电.在甲企业中,由于其预计运行的时间只有3年左右,且周围均为10kV电网供电,经过技术及经济比较,采用了保留原有供电设备,仅增一台特殊变比(10kV/6kV)的变压器来满足用电要求的方案,节省了投资,节约了时间.在乙企业中,其新增设备的额定电压为10kV,在企业周围还有部分采用6kV电压等级供电的负荷,如同样采用甲企业的方法,仅增一台特殊变比(10kV/6kV)的变压器,则该企业有可能成为一个新的6kV电压等级供电点,对用电的管理及电网的运行均产生不利的影响.经技术及经济比较,向用户列举了10kV供电的诸多优点,动员用户对原有供电设备进行了改造.此方法对用户、电网和用电管理部门都是一个较理想的选择.6短路电流计算在供电系统中危害最大的故障是短路,为了正确选择和校验电气设备,须计算短路电流.在10kV变电站的短路电流计算中,一般将三相短路电流作为重点.为了简化短路电流计算方法,在保证计算精度的情况下,可忽略一些次要因素的影响.其规定有:(1)所有电源的电动势相位角相同,电流的频率相同,短路前电力系统的电势和电流是对称的.(2)认为变压器为理想变压器,变压器的铁芯始终处于不饱和状态,即电抗值不随电流大小发生变化.(3)输电线路的分布电容略去不计.(4)每一个电压级均采用平均额定电压,只有电抗器采用加于电抗器端点的实际额定电压.(5)一般只计发电机、变压器、电抗器、线路等元件的电抗.(6)在简化系统阻抗时,距短路点远的电源与近的电源不能合并.参照以上原则,给出变电站在最大运行方式下的等效电路图,运用同一变化法或个别变化法分别得出:(1)次暂态短路电流(I”),用来作为继电保护的整定计算和校验断路器的额定断流容量.(2)三相短路冲击电流(Ish),用来校验电器和母线的动稳定.(3)三相短路电流稳态有效值(I∞),用来校验电器和载流导体的热稳定.(4)次暂态三相短路容量(S”),用来校验断路器的遮断容量和判断母线短路容量是否超过规定值,作为选择限流电抗器的依据.7设备的选择及校验在进行电气设备选择时,应根据工程的实际情况,在保证安全、可靠的前题下,积极而稳妥地采用新技术,注意节约投资.7.110kV开关柜的选择容量为500kVA及以上的变压器一般均配有10kV开关柜.10kV开关柜可分为固定式和手车式开关柜.就绝缘介质而言,目前10kV开关柜的主流产品又可分为SF6气体绝缘和真空绝缘.SF6气体绝缘的开关柜体积小,一般20年内免维护,但价格高,其气体的泄露还会造成环境污染.真空绝缘的开关柜体积适中,相对同等档次的SF6气体绝缘的开关柜来说价格略低,使用过程中不会造成环境污染,但每二年就需做一次试验,增大了运行维护的工作量.因此开关柜的选择除按正常工作条件选择和按短路状态校验外,还应考虑开关柜放置的场合和对开关柜性能的要求等条件.如我县某工程,其预留的10kV变电站位置在地下室,该工程在建筑上并没有考虑变电站的通风问题,且在建筑施工时设置的变电站大门只有2.05米净高,用电可靠性要求较高.在这里,选用SF6气体绝缘的开关柜显然违背了《国家电网公司电力安全工作规程》中在SF6电气设备上的工作这一节的相关条款.但一般的真空开关柜高度均在2.2米以上,通过对一些开关柜制造厂家的咨询,最后采用了高度为1.9米的非标型真空开关柜.7.210kV负荷开关和熔断器组合的选择在10kV变电站的设计中,对主变容量在400kVA及以下的变电站,高配部分通常采用负荷开关加熔丝的组合,其接线简单.为提高工作效率,笔者综合了各部门对400kVA及以下变电站建设的意见和建议,制作了一套400kVA及以下变电站设计的标准图,取得了良好的效果.在10kV负荷开关和熔断器组合的选择方面,10kV负荷开关按正常