某石化企业总降压站35kV系统改造的设计与主接线分析

沈乐 南京扬子石油化工设计工程有限责任公司 南京 210048

某石化企业总降压站35kV系统改造的设计与主接线分析

沈乐*南京扬子石油化工设计工程有限责任公司 南京 210048

阐述某石化企业区域总降压站35 kV系统的改造方案，通过计算给出主要元件的可靠参数，分析总降压站主接线方式，为系统的安全优化设计提供理论依据。

开关柜改造设计分析主接线方式

某石化企业区域总降压站始建于1986年，为间隔装配式变电站，负责向该石化企业净水污水处理等装置供电。近几年由于设备老化，隔离开关、电压互感器等设备元器件多次发生故障，严重影响正常生产。因此必须对该总降压站35kV系统进行改造。为净水污水处理装置提供安全供电，以保障公司各工艺装置的正常运行。

1 改造背景

该总降压站承担着向净水污水处理装置及液体罐区、固体码头、己烷切割装置等区域的供电任务，其安全运行直接影响到该石化企业环保、贮运、物流和化工装置的正常生产。该总降压站原有35kV电气设备为20世纪70年代产品，由于设备老化，防护等级低，故障率增加;因备品、备件难以购置，维修难度大，存在诸多隐患:①室内及室外裸露母线安装，易造成绝缘子污秽爬电;②高压隔离开关陈旧，操作不灵活，辅助接点不足，无法满足“五防”要求;③所有互感器绝缘特性降低，部分互感器试验数据超标等。设备现状已无法满足安全运行要求，急需进行改造。

2 设计思路

对原有35kV开关柜设备的更新改造，应采用新设备新技术，有效地保证供电安全性、可靠性和连续性，尽可能减少电气设备日常维护工作量。

2.1 设计原则

(1)采用具有“五防”功能、性能优良的高压开关柜，以保证装置的安全性能。

(2)简化系统接线，采用线路变压器组式接线方式，节省设备投资。

(3)根据实际情况，尽量利用已有的公用工程设施如电缆沟、电缆夹层等，节省投资。

2.2 设计范围

(1)将原有前、后母线结构及固定分散安装的35kV配电装置改造为SF6气体绝缘全封闭组合电器(C－GIS柜)。

(2)将两台主变压器35kV侧电缆、母排、户外支持绝缘子进行更换。

(3)更换35kV系统控制电缆。

(4)将断路器及隔离刀闸辅助接点引入监控后台，并对监控系统进行相应修改和调整，实现全厂电力的统一调度。

3 设备参数选择及校验

3.1 短路电流计算

根据《电力系统运行方式安排(2008年)》，该总降压站母线处阻抗的标幺值(由系统提供):

系统在最大运行方式时:

系统在最小运行方式时:

基准值取［2］:

基准电流:

正常接线时，当35kV母线处发生短路(见图1)，则总降压站35kV母线处最大和最小短路电流为:

式中，Sj为基准容量，VA;Uj为基准电压，V;Ij

为基准电流，A;Ik为稳态短路电流有效值，A。

图1 总降压站等值阻抗图

三相短路峰值电流:

全电流［2］:

后备延时保护时间t取1.5s，取断路器的分闸时间为0.1s，热稳定计算时间:

短路电流的热效应:

3.2 电气元件的参数选择及动、热稳定校验

电气设备在短路时的动稳定性指其所具有的耐受短路电动力作用而不致损坏的能力。短路之初的冲击电流流过时，电动力可达很大数值，当电器或载流导体的机械强度不够时，将产生变形或损坏。

满足热稳定条件:当短路电流通过电气设备时，导体和电器各部件温度(或发热效应)应不超过允许值，电气设备不会因过热而损坏。

开关柜选择为西门子8DA10型35kV C－GIS组合配电装置，主要电气技术参数如下:

额定电压Ue:35 kV

额定电流Ie:1250 A

额定频率fe:50 Hz

极限电流峰值idf:80 kA

额定开断电流Idf:31.5 kA

热稳定电流It:31.5 kA

热稳定时间t:3 s

热稳定校验:

动稳定校验:

式中，ich为三相短路峰值(冲击)电流，A;Ich为三相短路有效值电流，A。

从以上的计算及校验中可知，更新改造中所选用开关柜可满足系统在最大运行方式短路条件下动稳定和热稳定的要求，为35kV开关柜改造提供计算上的安全参数，从而保证35kV配电设备的安全可靠运行。

4 电气主接线的思考与建议

电气主接线主要是指在发电厂、变电所、电力系统中，为满足预定的功率传输要求而设计的，表明高压电气设备之间相互连接关系的传输电能的电路。电路中的高压电气设备包括发电机、变压器、母线、断路器、隔离开关、线路等。它们的连接方式对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。35kV(或110kV)变电所从企业供电系统取得两回35kV(或110kV)线路，在所内需设置35kV(或110kV)配电装置，当出线为2回路时，一般采用桥形接线，当进出线不超过6回路时，一般采用单母线分段接线;若有(单台)大电机直接接入可采用双母线接线。企业内供配电系统主接线，应满足从上到下均分列运行的要求。通常应采用双电源—双变压器—单母线分段的全分列运行方式，每回电源线路、每台分列运行变压器、每段母线，均应能带全部一、二级用电负荷。

4.1 电气主接线要求

电气主接线应满足以下要求［1］:

(1)运行的可靠性:主接线系统应保证对用户供电的可靠性，特别是保证对重要负荷的供电。根据规范要求:通常每台变压器的负荷率为60%～70%，当一台主变退出运行，另一台主变可带全部一、二级负荷。若每台变压器为100%备用，则过于浪费，通常不采用。

(2)应能保证运行操作人员和维修人员的人身安全，便于进行维护、检修和试验工作。

(3)根据企业的近期和长远规划，适当留有增容扩建的发展余地，届时不需要对原有运行设备进行大的改动。

(4)设备的一次投资和年运行费用最低(在石化企业中相对于工艺专业而言，电气专业的运行费用很低)。

(5)运行的灵活性:主接线系统应适应各种工作情况，特别是当一部分设备检修或工作情况发生变化时，能够通过倒换开关的运行方式，做到调度灵活，不中断向用户的供电。

(6)主接线系统还应保证运行操作的方便，在保证满足技术条件的要求下做到经济合理，尽量减少占地面积和投资。

(7)接线力求简单，运行方式灵活，倒闸操作方便。

(8)在确保供电可靠性的前提下，变电所主接线设计应有利于规范化，简单化、自动化及无人化。变电所主接线方式应根据负荷性质，变压器负载率、电气设备特点及电网强弱等因素确定。

4.2 常用主接线形式

常用的主接线形式可分为有母线和无母线两大类。

(1)有母线的主接线有:单母线、双母线、分段的单、双母线及附加旁路母线的单、双母线等。

母线是整个主接线的中心环节，起着汇集和分配电能的作用，其地位极为重要。因此，主接线的形式常常按照母线接线的形式来划分。一般具有四回以上进出线就可以设置母线。

具有母线的主接线优点:进出线回路数可以增加，容易扩建。

缺点:扩大配电装置的结构并增加故障机会。重要的是即使母线故障的机会很少，但是一旦发生，将会影响母线上的所有设备，造成全部停电的事故。

(2)无母线的主接线有:线路变压器组接线、桥式接线、多角形接线等。

这种接线的共同特点:接线简单，清晰明显，运行和操作方便，但进、出线回路数受到限制。

下面针对本项目对几种常用的主接线进行介绍。

4.2.1 线路变压器组接线

线路变压器组接线是线路和变压器直接相连，是一种简单的接线方式(见图2)，俗称为“二进二出”，其优点是断路器少、接线简单、造价省，对限制短路电流效果显著。高压配电装置只配置2个设备单元，接线简单清晰，占地面积小，送电线路故障时由送电端变电所出线断路器跳闸。由于系统接线简单、运行可靠、经济，有利于变电所实现自动化、无人化。如主变容量满足低负载率标准(2台主变负载率取0.5～0.65)，系统发生故障时，恢复供电操作十分方便。当1台主变或一条线路故障退出运行，只需在变电所低压侧作转移负荷操作，就能保证100%负荷正常用电，对下级变配电所无影响。

图2 线路变压器组式接线

4.2.2 桥式接线

桥式接线实质上是单母线分段的一种变形。这种接线中当任一台变压器或线路发生故障或检修时，可使与其纵向相连的另一元件不停止或只暂时停止工作。这种接线方式可分为内桥式和外桥式，区别在于作为横向联系的桥断路器接在线路侧则为外桥式，接在靠近变压器侧为内桥式。内桥接线是总降压站很常见的主接线方式(见图3)，有4个回路3台断路器和6个隔离开关，接线中断路器较少，是投资较省的接线方式，线路故障操作简单、方便、系统接线清晰。在正常运行方式下，桥断路器打开，类似于线路变压器组接线，2条进线线路各带一台主变，因内桥接线线路侧装有断路器，线路的投入和切除十分方便，当送电线路发生故障时，只需断开故障线路的断路器，不影响其它回路正常运行。

图3 线路变压器组式接线(加强型)

优点:电器设备少，装置简单，投资少，具有一定的可靠性及灵活性，便于扩建。

缺点:检修断路器时，线路或变压器要停电。

4.2.3关于双母线和旁路母线

(1)线路较多时采用双母线，其特点是:①便于系统中功率的分配;②母线事故后停电范围小，恢复供电快;③便于对母线及母线设备进行检修或试验。

(2)设置旁路设施(母线、开关、刀闸)的目的是为了减少断路器检修时对用户供电的影响。

如果是双回路供电，或者负荷可以由系统取得备用电源，允许停电检修断路器时，则不必设置旁路设施。

6～10 kV虽然出线回路数较多，断路器停电检修量较大，但如采用手车式开关柜，断路器故障或检修时可以用备用的断路器迅速置换，停电时间很短，所以一般不设旁路设施。

石化企业绝大多数负荷为一、二级重要负荷，一般采用双回路供电且普遍采用手车式开关柜，故很少设置旁路设施，双母线接线复杂，采用设备多，不仅使配电装置结构复杂，而且增大投资。在电力系统、发电厂使用较多，石化企业变配电所则较少采用。

4.3 本项目主接线分析

严格意义上的线路变压器组式接线方式是将上一级来的35kV电缆直接接入用户侧的35/6kV主变高压侧，见图2。本项目所使用的线路变压器组式接线方式是加强型的线路变压器组式接线，在用户侧设置了35kV配电装置，见图3，提高了总降压站供电的安全可靠性，增强了系统的稳定性，优化了供电结构，较内桥式接线方式节约设备投资1/5～1/3(可节省1～2台开关柜)，如果考虑到因增加设备而相应增加的继电保护装置、土建安装等二次费用，投资更节省。

本总降上一级是一个110/35/6kV的自备热电厂，由于供电线路较长，热电厂35kV出线断路器设置了L90光纤线路纵联差动保护装置，动作于断开线路两侧的断路器。由于本项目是改造项目，并未对上一级配电装置(热电厂35kV出线)和保护进行改造，为了兼顾运行习惯和熟悉的继电保护装置，本总降主变主保护采用了主变纵差保护和瓦斯保护，主变高后备保护采用了过电流和过负荷保护，用于断开主变两侧的断路器，当主变压器发生故障时，只需要跳本总降高压侧断路器以切除故障，不必跳开上一级断路器，从而使值班员能够迅速判断故障是发生在进线还是在主变。

电气装置一旦发生故障，所造成的损失远比电气装置本身的价值要高得多，尤其在石化企业，对供电的安全性、可靠性、连续性要求很严格。本项目主接线方式采用性价比较高的35kV C－GIS组合配电装置，消除了35kV配电装置长期以来存在的隐患，满足了装置长周期稳定运行。

内桥式接线方式见图4。

图4 内桥式接线

从图2与图4相比可以看出，线路－GIS－变压器组接线方式节省1台桥断路器柜，线路最简单，设备及占地均最少。在运行方面，虽然35kV侧无法实现自动投入，但可以采用6kV备用电源自投装置弥补线路变压器组接线方式存在的缺陷。根据《中国石化电力系统主网结构技术管理规定》(中国石化生〔2011〕155号)的规定，区域变电站的主接线一般采用电缆线路－变压器组接线方式。因此，线路变压器组接线方式被广泛采用。

5 结语

该总降压站35kV系统一次送电成功，彻底解决了长期存在的电气隐患，淘汰了性能低劣的电气设备，更新改造了继电保护装置和监控装置等二次设备，提高了电力系统整体的安全性、稳定性、可靠性及自动化水平，为装置的安稳长运行，提供了可靠保障。

1 中国航空工业规划设计研究院．工业与民用配电设计手册(第三版)［S］．北京:中国电力出版社，2005．

2 SH 3038－94，石油化工企业生产装置电力设计技术规范［S］．

(Translated by Lu Lang)

Design and Main Wiring Analysis for 35kV System Modification of Main Step-down Substation of a Petrochemical Enterprise

Shen Le
(Nanjing Yangzi Petrochemical Design Engineering Company，Nanjing 210048)

Elaborate the modification scheme for the 35kV system of areal main step-downsubstationofapetrochemicalenterprise，thereliable parameters for the main elements are given based on calculation，analyze the main wiring mode of the main step-down substation and provide the theoretical basis for the safe and optimum design of the system．

35kV Switchboardmodificationdesignanalysis main wiring mode

*沈乐:工程师。2002年毕业于南京理工大学机电工程专业。从事电气设计工作。联系电话:(025)57785888－3348。

(修改回稿2011－12－19)