220 kV 变电站一次系统设计探讨

杨志成，黄学彦

（深圳供电规划设计院有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

电力系统中变电站担负着变换电压、汇集电能及输送电能的重任，其中一次系统的设计水平直接影响着电力系统运行的安全性和可靠性，因此在220 kV变电站一次系统设计过程中，应重视工程选址分析，做好变压器、电气接线、主要设备及配电装置等的选择和设计，提高一次系统设计的合理性，使其更好地服务于电力生产与系统运行。

1 220 kV变电站一次系统的重要性分析

电力系统主要包括发电、变电、输电、配电以及用电等环节。变电站的作用是变化电压、接收电能、分配电能及控制电力流向。如果一次系统设计存在缺陷，如变电站位置不合理、变压器规格不适用、设备性能差及线路连接有问题等，均会给变电站和整个电力系统埋下安全隐患，所以220 kV变电站一次系统设计不容忽视。

220 kV变电站一次系统设计过程中，不仅要立足所在区域的实际需求和变电站建设要求，还应遵循一定原则，包括安全可靠性、效益最大化、协调性、特殊性以及可持续发展等原则。要求变电站一次系统的设计方案是全面分析和优化后的最佳方案，可满足具体功能和需求，并与周围环境相协调。

2 220 kV变电站一次系统的设计要点

2.1 加强系统设计论证

对于220 kV变电站一次系统设计，变电站总体结构是设计重点，因此应分析站址的水文条件、气象条件及地址条件，以提高选址的合理性。根据水平年、负荷水平、潮流方式、功率因数及电压控制范围等确定接入系统，对变电站总体结构进行设计论证，同时将变电站位置、系统作用、运行要求、发展规模、负荷分级、主变台数、电压等级以及系统备用容量等纳入考虑和论证范围，以保证变电站设计的可靠性和可行性[1]。

2.2 重视变压器的选择

变电站中的变压器可实现不同电压等级之间的功率交换和功率输送，若选用不当，不仅影响电气主接线和配电装置，还会造成经济损失，因此要结合区域用电原始资料和未来发展规划对新增负荷和出现回路数进行科学预测，并从变压器相数、绕组数、连接组别、调压方式及冷却方式等方面确定规格型号。为保证可靠供电，建议至少设置两台变压器，以免因检修或故障引发大面积、长时间停电。例如，某220 kV变电站决定近期安装1台180 MVA容量的变压器，远期规划则为3台180 MVA容量的变压器作为主变规模，其中容量是由调相调压计算结果确定的。该地区最终设定的主变压器参数如表1所示[2]。220 kV主变电站要求必须可靠接地，常用的方式为中性点接地，出现单相短路时可瞬时自动重合闸切断故障，既保证了设备安全，又减少了事故影响和损失。出于安全考虑，该变电站中主变压器的110 kV和220 kV一侧的中性点经隔离开关直接接地。此外，容性与感性无功补偿技术，强化了电力系统的无功平衡，以适应峰值和低谷的负荷运行变化。

表1 某220 kV变电站主变压器参数

2.3 优化电气接线形式

电气主接线形式设计水平不仅影响变电站和整个电力系统运行的安全性和经济性，而且很大程度地决定了配电装置、电气一次设备及电气二次设备的选型，所以需格外重视和具体分析。电气主接线形式主要有两种：第一种是双母线接线及其分段接线，虽然灵活性好，可靠性高，但操作和保护复杂；第二种是单母线接线及其分段接线，虽然操作方便，但灵活性和可靠性难以保障。所以，设计时应从可靠性、灵活性及经济性综合权衡，选择最优设计方案。例如，某地变电站针对220 kV侧主接线考虑到当地电网结构复杂、运行调整难度较大及对可靠性要求较高，提出了双母线接线和双母线双分段接线两种设计方案。通过条件假设，对事故状态下和检修状态下的两者的可靠性进行分析和计算，结果发现虽然双母线接线形式投资成本较低，占地面积略小，但可靠性不如双母线双分段接线，且双母线双分段接线运行较灵活，容易扩建。因此，综合分析该变电站的系统地位、可靠性、灵活性以及投资占地等相关因素后选择了双母线双分段接地，主接线形式如图1所示[3]。

图1 某地变电站220 kV侧电气主接线形式

2.4 妥善防治短路故障

变电站长期运行中，难免发生短路故障。该故障破坏力强，危害性大，且成因复杂，不仅可能引发停电事故，还可能破坏系统稳定，因此需采取有效措施加以预防和治理。（1）科学计算短路电流。该措施的目的是为后续的设备选择、继电保护及接地设计等提供数据参考。三相对称短路电流虽然故障概率仅有2%～5%，但其影响和危害却是最严重的。不管是主接线方式的选择，还是电气设备热稳定性和电气设备动稳定性的校验，均必须以三相短路电流为重要依据，以保障短路故障下电力系统依旧能安全运行。具体地，需根据系统专业提供的初始条件，对220 kV和110 kV侧的不对称短路电流加以计算。（2）优化电气设备选择。获得相应的短路电流计算结果后，便是电气设备的选择。此时要求电气设备的工作电压、额定频率、额定电流及长期载流量等能满足正常运行状态与故障及时切除的需要，且经济可靠，能适应实际环境，最好同类设备为同一型号，如某220 kV变电站中的GIS出线间隔采用的是3 150 A/50 kA规格的断路器、3 150 A规格的隔离开关以及2×800/1 A 5P30/5P30/0.2 s/0.2 s3 150 A规格的电流互感器，避雷器采用的是规格为204/532 kV的氧化锌避雷器[4]。

2.5 完善配电装置设计

配电装置指的是用于测量和保护的辅助设备，可在系统故障状态下及时有效的切断故障源，保护系统运行正常。应遵循运行可靠、方便检修、安全经济及便于扩建的要求，合理选择和切实完善配电装置，一般需满足220 kV的过电压控制水平应为1.3 p.u.，220 kV进出线间隔需设置避雷器，设备绝缘配置需符合规定值，电气设备内部绝缘对地额定冲击电压与避雷器动作过电压应至少具备1.15的匹配系数等。在防雷与接地设计环节，避雷针除与主接地网连接外，还应连接附近的集中接地装置，沿接地体长度应大于15 m，接地阻值低于10 Ω；为防止发生反击，主变压器构架无需设置避雷针。对于接地设计，应根据实际需求做好接地网的部署，如材料、边长、间距及埋深等。此外，站用电源和照明等配电装置也应予以合理设计。

3 结 论

220 kV变电站一次系统设计直接影响电力生产效率的提高和供电质量的保障。因此，需立足实际，把握一次系统设计原则，选择合适的变压器和电气设备，优化主接线方式，准确计算短路电流，采取有效的保护措施，以促进220 kV变电站一次系统更加稳定、高效地运行。