变电站所用电系统的2种优化方案

周杰，陈植，李勇，易永利

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江温州325000）

变电站所用电系统的2种优化方案

周杰，陈植，李勇，易永利

（国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江温州325000）

为了提高变电站所用电供电可靠性、连续性，基于目前变电站所用电主接线和运行方式，分别针对重要负荷和所用电电源侧，提出了2种所用电系统的优化方案。2种优化方案提升了变电站所用电的自动化和智能化水平，为目前变电站所用电改造或者未来的设计和建造提供了可行的借鉴方案。

变电站；所用电；优化方案；ATSE

所用电系统是确保变电站安全可靠运行的重要组成部分，它为主变压器（以下简称主变）冷却、消防水泵、断路器储能、隔离开关操作、直流系统、通信等提供电源，同时还提供照明、生活、检修电源。随着对变电站可靠性、安全性、经济性、自动化程度等要求的不断提高，所用电系统安全运行显得尤为重要。近年来，浙江电网相继发生几起因所用电故障而引起的事故扩大，逐渐暴露了所用电设计、运行、维护及专业管理等方面存在的问题，需加以优化。

1 所用电系统的供电方式

1.1 所用电系统的典型运行方式

DL/T 5155-2002《220～500 kV变电所所用电设计技术规程》（以下简称规程）第4.1.1条规定[1]，220 kV变电所宜从主变低压侧分别引接2台容量相同、可互为备用、分列运行的所用工作变压器。只有1台主变时，其中1台所用变压器（以下简称所用变）宜从所外电源引接。

所用变通常采用低损耗节能型干式变压器，具有体积小、阻燃性能好、维护工作量少等特点。对于所用变压器的接线组别在规程第5.2.2中规定[1]：宜采用Dyn11型，宜使各所用工作变压器及所用备用变压器输出电压的相位一致。所用电低压系统应采取防止变压器并列运行的措施。

规程第4.2.2条规定[1]：所用电母线采用按工作变压器划分的单母线。相邻两段工作母线间可配置分段或联络断路器，但宜同时供电分列运行。两段工作母线间不宜装设自动投入装置。

目前变电站所用电系统的典型运行方式如图1所示。1号所变低压侧开关DL1和2号所变低压侧开关DL2合闸，联络开关DL3分闸，分列运行，互为备用。

2台所用变分列运行，可限制故障范围，提高供电可靠性，也利于限制低压侧短路电流。特别是可以避免当2台所用变并列运行时，其中一段母线故障或馈线出口故障而越级跳闸，导致2台同时失电的所用电全停事故[2]。调查发现，所用变1台工作1台备用的运行方式全停事故率明显高于2台分列运行的运行方式。

图1 所用电典型接线

所用变分列运行时2段所用电母线间不宜装设自动投入装置，主要是为了防止工作母线发生故障时，自动装置投入或投入时间配合不佳，会引起故障范围扩大。

对于重要的500 kV变电站，通常配备3台所用变，如图2所示：正常运行时，DL1和DL2合闸，DL3分闸，所用电2段母线分列运行，互为备用；DL4和DL5分闸，0号所用变处于热备状态，作为1号和2号所用变的备用。

图2500 kV变电站所用电接线

1.2 所用电负荷的典型供电方式

根据所用电负荷重要性及其区域分布特性分为以下3种供电方式。

1.2.1 重要负荷采用双电源供电

目前，变电站主变冷却、直流系统等重要负荷都是采用双电源供电，其2路交流电源分别从2段所用电母线引接，互为备用，并在用电端将2路交流电源接至ATS（自动转换开关），1路工作1路备用。例如在主变冷却装置控制箱内自动相互切换。正常时，2路交流电都有电，ATS取常用电源，当常用电源异常或失电后自动转换至备用电源。常用电源恢复正常后，ATS自动将负荷切回到常用电源。

鉴于ATS的上述特点，需要注意的是在设计或接线时必须考虑正常供电情况下所用电各段母线所带负荷的均衡性。如图3所示：当有2台主变或直流系统有2组充电机时，接入1号主变冷却装置和1号充电机组ATS的常用电源取所用屏Ⅰ母，而接入2号主变冷却装置和2号充电机组ATS的常用电源则考虑取自所用屏Ⅱ母。

图3 同类多组负荷时考虑所用电2段母线负荷均衡性的接线方法

1.2.2 非重要负荷采用单电源供电

对于照明、生活、检修电源等不重要负荷采用单电源供电，也称辐射型供电。需要注意的是在设计或接线时必须考虑所用电各段母线所带负荷的均衡性。

1.2.3 采用按配电装置区域划分的供电方式

断路器储能、闸刀操作及加热器等重要负荷可采用按配电装置区域划分的，分别接在2段所用电母线的下列回路供电方式：

（1）各区域分别设置环形供电网络，并在环网中间设置联络开关以便开环运行，如图4所示。K为负荷侧的联络开关。

图4 环形供电方式

（2）各区域分别设置专用配电箱，向各间隔负荷辐射供电，配电箱进线电源1路运行，1路备用，如图5所示。

图5 区域专用配电箱辐射供电方式

随着无人值守变电站的普及，当所用变或者所用电发生故障时，集控站运维人员发现并前往该站手动闭合所用电分段开关或备用负荷开关，耗时必然较长。所用电较长的失电对正常生产有一定的影响，为减小或者尽量避免这种影响，需对所用电系统进行优化。

2 所用电系统优化方案一

2.1 优选区域专用配电箱辐射供电

在220 kV变电站，环形供电方式通常用于站内220 kV间隔、110 kV间隔或开关室35 kV间隔的断路器储能、闸刀操作及加热器电源。需要注意的是：在正常运行时，严禁误碰、误合联络开关。事故处理时，要按照“先拉后合”的原则进行操作。或考虑对联络开关进行防非正常并列的防护设计。

环形供电方式又可以分为2种，如图4所示。第1种：联络开关K合，K1和K2为1运行1备用，即由K1或K2带各间隔负荷，解合环都在所用屏进行：第2种：联络开关K分，K1和K2合，即K1和K2各带一部分间隔负荷。这2种供电方式各有优缺点。第2种方式供电可靠性更高，因为单一间隔故障对其他设备的影响范围将被限制在本段当中；但第2种方式中联络开关的物理位置无标准可言，难以被长期清楚记忆，需要做好清晰标记；另外，这2种供电方式都存在故障时需事故排查、倒环路、隔离故障以及扩展性较差[3]等诸多缺点。

相比环形供电，区域专用配电箱辐射供电具有以下几点优势：

（1）事故处理简单易行。由于单一间隔故障不影响其他间隔，因此事故排查、隔离直观便捷。

（2）可靠性显著提高。单一间隔故障不影响其他间隔，事故处理不需要解合环操作，大大减少了危险性。

（3）扩展性好。辐射供电具有扩展便捷的优点。

目前，区域专用配电箱辐射供电已在天津地区许多变电站应用，并取得了良好的效果[3]。虽然区域专用配电箱辐射供电方式比传统的环形供电方式在设备投资上稍有增加，但是综合考虑供电系统的安全性、灵活性、可靠性等因素，这种供电方式优于常用的环形供电方式[4]。因此，在新建常规或GIS变电站时，对于高中低压三侧的断路器储能、闸刀操作及加热器负荷不妨考虑采用区域专用配电箱辐射供电。

2.2 区域专用配电箱的优化

由于ATS能实现2路交流电源的自动切换，可考虑在区域专用配电箱内也配置ATS，如图6所示，ATS的2路交流电源分别从2段所用电母线引接，互为备用。正常时，2路交流电都有电，ATS取常用电源，当常用电源异常或失电时自动切换至备用电源。常用电源恢复正常后，ATS自动将负荷切回到常用电源。

图6 配置ATS的区域专用配电箱

包括前述的主变冷却、直流系统在内，断路器储能、闸刀操作及加热器等变电站所用电重要负荷都能实现交流电源自动切换。即使所用电任一段母线出现故障导致该段母线停电，通过配置ATS都能实现交流电源自动切换，保证变电站所用电的重要负荷都能正常供电，从而提高了变电站的供电可靠性。

3 所用电系统优化方案二

近年来，随着科技不断进步，ATSE（双电源自动转换开关电器）融合了现代材料、机电、测量、控制和微机技术，产品不断更新换代，技术性能不断提升。文献[5-6]表明ATSE已在医院、机场、银行、高层建筑、军事设施等重要用电场所得到广泛应用。同时在变电站所用电系统中逐步有了尝试[7-8]，应用在电源的首端，突破了DL/T 5155-2002《220～500 kV变电所所用电设计技术规程》第4.2.2条2段工作母线间不宜装设自动投入装置的规定。

图7所示为所用电系统优化方案二的2种采用ATSE装置的变电站所用电接线图，左图常用于220 kV及以下变电站中，右图可作为500 kV变电站所用电系统的常用设计。

图7 2种采用ATSE的变电站所用电接线

3.1 ATSE的分类

ATSE一般由开关本体和控制器2部分组成。开关本体接在主电路上，作为ATSE的执行机构。控制器用于检测主、备2路电源工作状况，当电源异常时，发出指令，驱动开关本体投切。

ATSE可分为PC级、CB级和CC级3个级别。PC级能够接通、承载，但不用于分断短路电流；CB级配备过电流脱扣器，其主触头能够接通并用于分断短路电流；CC级能接通、承载，但不用于分断短路电流（受短路电流冲击后，主触头允许熔焊），其主体部分由接触器构成，目前电气设计中较少采用。

需要说明的是，方案一中的ATS通常是厂家自带的励磁式转换开关，如早期的主变冷却装置和目前一直在用的直流屏内自带的ATS，是由励磁式接触器外加控制器构成的一个整体装置，机械联锁可靠，转换由电磁线圈产生吸引力来驱动开关，速度快。

3.2 CB级与PC级ATSE的比较与选用

（1）分断短路电流。CB级ATSE能接通并用于分断短路电流；PC级ATSE不用于分断短路电流，其短路电流的分断由断路器实现。

（2）可靠性。CB级ATSE的开关本体由2个断路器、分合线圈、储能电机、辅助接点及外置机械联锁等分立元器件组成，系统可靠性较低；PC级ATSE的开关本体为一体化设计，零件数量少，可靠性高。

（3）安全性。2路电源在转换过程中存在电源叠加问题，PC级ATSE充分考虑了这一因素，PC级ATSE的电气间隙、爬电距离一般是断路器的1.5～1.8倍，因而PC级ATSE安全性更好。

（4）转换时间。一体化的PC级ATSE转换时间一般为100 ms；负荷开关型PC级和CB级ATSE转换时间一般为1.5～3.0 s。

另外在体积、触头材料、电气寿命等方面，PC级都要优于CB级ATSE。因此，在电源级的配电系统中，一体式PC级ATSE配合前置断路器是理想的电源切换设备，为目前变电站所用电系统提供了合理的设计方案。

3.3 采用ATSE的注意事项

（1）PC级ATSE配前置断路器。由于PC级ATSE能够接通、承载，但不用于分断短路电流，其短路电流的分断必须由断路器实现。另外考虑设备检修以及日常所用电运维操作的便捷性，也需在ATSE前配断路器。

（2）必须明确切换条件。ATSE控制器用于检测主、备电源的工作状况，当主电源发生故障时，控制器发出动作指令。电源故障包括三相失压、任意一相断相、欠压、过压或频率出现偏差等。ATSE能根据用户的不同需求合理选择切换条件和定值设置。

（3）上下级配合。目前变电站所用电负荷侧存在厂家自带电源自动切换装置，比如主变冷却器或者直流充电屏等，必须考虑ATSE与下级电源的配合。当常用电源发生故障时，为避免ATSE与下级电源自动切换装置之间无序切换、同时切换或切换失败造成系统的不稳定，上下级之间需要一个时间差。建议ATSE要快于下级电源自动切换装置大约0.5 s。

（4）延迟自复。从备用电源自动恢复到常用电源即自复，ATSE一般具备自复功能。但通常不希望常用电源一恢复TASE就立即自复，而是在常用电源恢复正常一定时间后，ATSE再切换到常用电源。延时自复的目的在于确保常用电源正常，避免因常用电源短时间恢复后再次故障而导致频繁切换。

4 结论

为了保障变电站所用电负荷尤其是重要负荷的连续供电，本文提出了2种优化方案。方案一可以在不改变所用电主接线的前提下，对于重要负荷采用2路供电方式，通过负荷侧的ATS实现2路电源的自动切换，保证了重要负荷的连续供电。方案二提出在所用电电源侧采用ATSE实现2段所用电自动切换。ATSE具有原理简单、安全可靠、安装维护简便的优点，符合智能化、网络化的发展趋势，顺应了变电站无人化、智能化的历史潮流，满足了站内所用电自动切换、连续供电的需求。随着ATSE的不断完善，在未来智能一体化电源、智能变电站的设计中，会被越来越多地采用。

[1]DL/T 5155-2002 220～500 kV变电所所用电设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2002.

[2]倪琳娜.关于变电站所用电若干问题的探讨[J].中国电力教育，2012（3）∶148-149.

[3]高军彦，臧彦洪.变电站380 V端子箱环路接线比较分析与改进[J].天津电力技术，2012（2）∶36-37.

[4]王福泉.220 kV变电站站用电系统的设计优化[J].机电信息，2014（30）∶129-130.

[5]蔡志远，陈朝辉，王新伟.自动转换开关电器的发展与应用[J].低压电器，2011（22）∶11-15.

[6]张骋，陈小青.自动转换开关电器应用常见问题探讨[J].低压电器，2010（10）∶60-62.

[7]曾秀英.双电源自动切换开关（ATS）在站用电系统中的应用分析[J].企业科技与发展，2010（16）∶67-69.

[8]张佳，董家读，张雪，等.双电源自动切换装置在500 kV东坡变电站站用电系统中的应用分析[J].电气开关，2014（5）∶81-85.

（本文编辑：方明霞）

（1）一期只需在低配室安装1个采集终端，所有计量回路的表计采用RS-485线通过管线通道与采集终端连接，实现回路的计量。但二期需要做到分层、分区域，由于主楼和辅楼离低配室距离较远，又要考虑到楼层高度、横向走廊宽度，RS-485线通信距离不能满足现场要求。

（2）每层分区域的2个配电箱布置在楼层，直接装在墙上，若要敷设RS-485线，在墙上挖槽或者走PVC管线安装的工作量都很大，而且影响美观。

（3）布线安装工程量较大。

考虑到以上3个问题以及大楼建筑能源管理系统一、二期项目的统一性，决定采用MESH无线通信的方式，在低配室取消采集终端的布置，用MESH采集模块和柱状路由器代替，一期所有回路表计通过MESH采集模块采集，二期各楼层区域配电箱安装计量表计和MESH采集模块，MESH采集模块自主组网，与柱状路由器进行无线通信、无线采集。

系统自2015年3月投入运行以来，通信稳定，未出现数据终端问题。通过与大楼前3年的平均能耗对比分析，应用本系统后该大楼的能耗降低了10%。

Two Optimization Schemes for Auxiliary Power Supply System of Substation

ZHOU Jie，CHEN Zhi，LI Yong，YI Yongli
（State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

In order to improve the reliability and continuity of auxiliary power supply of substation,the paper proposes two optimization schemes for key loads and power side based on main connection and operation modes currently adopted in substations.It is practically proved that the two optimization schemes enable auxiliary power supply of substation to be more automated and intelligent,providing feasible scheme for transformation of auxiliary power supply for substation or its design and construction in the future.

substation；auxiliary power of substation；optimization scheme；ATSE（automatic transfer switching equipment）

TM732

：B

：1007-1881（2016）02-0014-04

2015-11-02

周杰（1984），男，工程师，从事继电保护和二次设备相关工作。其能耗进行采集、计量、展示、分析。系统分为一期和二期，一期只需实现低配室分回路计量，二期的采集空间颗粒度要做到分层、分区域，每层2个区域。经过现场调研，发现以下问题：