氧化铝厂110 kV开关站技术方案论述

杨 毕

(东北大学设计研究院(有限公司)， 辽宁 沈阳 110166)

1 电气主接线

氧化铝厂110 kV开关站的电气主接线，应根据厂区所在地电网供电条件、全厂总负荷及生产片区分布确定进线和出线回路数，并应满足供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资和便于扩建等要求[1]。

本文所论述的110 kV开关站电气主接线如下：110 kV进线为2回进线，进线侧设断路器，采用双母线分段(在一组母线上设置断路器)接线方式。110 kV出线4回，10 kV出线34回，采用单母线分段接线方式。电气主接线如图1所示：

图1 电气主接线简图

运行时要求两路进线电源、四台主变压器分列运行。10 kV Ⅰ段，Ⅱ段分列运行，Ⅰ段，Ⅱ段母联开关断开；10 kV Ⅲ段，Ⅳ段分列运行，Ⅲ段，Ⅳ段母联开关断开。当考虑1#主变检修，2#主变在1#主变维护期间发生故障或其他情况退出运行，此时允许Ⅱ段, Ⅲ段母联开关闭合。除此情况外，Ⅱ段, Ⅲ段母联开关不允许闭合。此方案可以保证在任何两个主变同时间退出运行时，不影响全厂供电[2]。

2 短路电流计算

在上述电气主接线配置情况下，考虑1#、2#主变压器分列运行，主变压器回路的短路电流计算阻抗如图2所示，图中阻抗均已归算为基准容量为100 MVA的标准值(主变压器容量取40 MVA，阻抗电压取10.5%，YN，d11接线组别，调压范围115±8×1.25%/10.5 kV)。

图2 短路计算阻抗图

经过计算，10 kV母线k1短路点短路电流初始值为19.86 kA。

3 主要电气设备选择

3.1 主变压器

主变压器的台数和容量，应根据进线回路数、全厂总负荷和运行方式等条件综合确定。110 kV开关站内通常设置两台或两台以上110/10 kV主变压器，当其中一台或者两台主变压器发生故障或者检修时，剩余的主变压器的容量能保证全部一、二级负荷用电的需求。主变压器通常采用YN，d11接线组别，中性点直接接地。

3.2 110 kV配电装置

110 kV配电装置一般采用SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)。它包括了除变压器以外的断路器、主母线、隔离开关、接地开关、电压互感器、避雷器等一次设备，以间隔的型式经过优化设计有机地组合成一个整体。间隔通常包括主变间隔、母联间隔、电压互感器间隔和进线间隔。同时每个GIS间隔还配置有1台就地汇控柜LCP。LCP是每个间隔里所有设备二次回路的整合，主要起到测量线路上的电压电流，并在线路故障时保护线路的作用。GIS内部充有一定压力的SF6气体，作为其绝缘和断路器消弧介质，具有安全可靠、耐受力强、可靠的导电性能、涡流损耗小、绝缘可靠等主要特点[3]。110 kV配电装置和LCP通常布置在GIS室中，室内可设置电动单梁起重机来进行吊装。

3.3 10 kV高压开关柜

10 kV总配电所内设置10 kV交流金属封闭手车式开关柜。柜内采用真空断路器，主变压器进线柜、母联柜内真空断路器额定电流通常选为3 150 A；馈线柜、消弧线圈柜内真空断路器额定电流通常选为1 250 A。10 kV母线按分段运行考虑，最大开断电流40 kA。馈线回路的电流互感器变比大小根据负载容量选择。同时柜内还设置电压互感器、接地开关、过电压保护器、零序电流互感器、带电显示器、综合自动化保护装置、多功能仪表、小电流选线装置、在线绝缘监测装置等。

3.4 消弧线圈

10 kV总配系统采用经消弧线圈接地。当电网发生单相接地故障时，故障点流过电容电流，消弧线圈提供电感电流进行补偿，补偿后的残余电流很小，不足以维持电弧，从而达到灭弧的目的。这样就可使接地故障迅速消除而不至于引起过电压危险。

消弧线圈的补偿容量，可按式(1)计算：

(1)

式中Q—补偿容量，kVA；

K—系数，取1.35；

IC—电容电流，A；

UN—系统额定线电压，kV。

式(1)中IC由电力线路和电力设备两部分的电容电流组成。10 kV电缆线路的单相接地电容电流按式(2)计算：

(2)

式中S—电缆芯线的标称截面，mm2；

l—线路长度，km。

有架空地线线路单相接地电容电流按式(3)计算：

IC=3.3UNl×10-3

(3)

110 kV开关站增加的接地电容电流值为10%[4]。

3.5 限流电抗器

由于氧化铝厂内的10 kV电缆线路末端任意一点短路，易造成10 kV总配母线失压，致使全厂停电。通过在10 kV总配母线上串联限流电抗器，在短路故障时仍可使10 kV总配母线的残压维持在65%额定值以上，从而保证氧化铝厂的正常生产运行；可以显著降低系统短路电流，降低氧化铝厂电气设备及线路在短路过程中对动、热稳定性的防护等级,既可显著节省投资，还可提高供电系统的安全可靠性。限流电抗器按其后部三相短路时，10 kV主母线残压不低于65%的额定电压来选择。

按照上述电气主接线系统，X*1=X*S+X*T=0.014 34+0.262 5=0.277。

电抗器电压损失Δu%不得大于母线额定电压的5%，按式(4)验算。

(4)

式中Ig—正常通过的负荷电流，kA；

φ—负荷功率因数角。

经过验算，选择电抗率10%电抗器满足要求。

3.6 所用变压器

10 kV总配电所内设置2台10/0.4 kV所用变压器，单母线分段接线，每台变压器各带一段母线。负责给站内主变端子箱、模拟屏、检修电源箱、照明配电箱、空调等低压负荷供电。

4 电气设备布置

主变压器户外布置，变压器中性点设备布置在变压器附近。110 kV、10 kV配电装置户内布置。10 kV总配电所采用上中下结构，共分三层，布局紧凑。其中第一层布置消弧线圈及电抗器，第二层为电缆夹层，第三层布置10 kV高压开关柜、所用变压器及低压开关柜、直流屏、综合保护控制屏、模拟屏、电脑桌、电脑椅等。其中10 kV高压开关柜、所用变压器及低压开关柜、直流屏为单列布置。

5 直流系统

直流屏通常由电池屏、充电屏、直流馈电屏组成，布置在10 kV总配电所三层配电室内。主要负责提供GIS控制电源、GIS直流指示电源、GIS断路器电源、GIS直流电机电源、屏顶小母线、消弧线圈直流电源、交直流切换屏电源、逆变屏电源、10 kV总配直流储能、直流控制电源等。直流屏两路供电电源分别引自所用变低压配电柜不同母线。

6 综合自动化保护

变电站综合自动化保护就是对110 kV和10 kV系统的电流电压模拟量、脉冲量、开关量以及非电量信号进行采集，经过功能的组合和优化设计，利用当前先进的计算机网络技术、通信技术、电子技术以及信号处理技术等综合技术对110 kV和10 kV的主要设备和线路实现自动监控、测量和控制，实现其综合自动化的功能[5]。

在10 kV总配电所内设置综合保护控制屏室和主控室。综合保护控制屏室内通常布置主变保护测控屏、进线保护测控屏、母联保护测控屏、母差屏、故障录波屏和通讯屏等。主控室内通常布置模拟屏、电脑桌、电脑椅，控制人员能够实时监测全厂电力系统运行情况。

7 照明

10 kV总配电所内正常照明由照明配电箱供电，事故照明由交直流切换屏供电。交直流切换屏交直流电源分别取自所用变低压配电柜和直流屏。配电室、办公室等室内照明采用荧光灯，事故照明采用节能灯。

8 防雷接地

当110 kV开关站遭受雷击时，为了避免电气设备被破坏，保证系统安全可靠运行，需采取防雷接地措施。

8.1 直击雷保护

依据项目所在地的平均雷暴日，按开关站内各个建筑物的高度及建筑面积确定防雷等级，按确定的等级考虑防雷设计。

110 kV开关站、10 kV总配电所设置避雷针保护，避雷针高度根据站内建筑物高度确定。对于办公楼等混凝土屋面采用热镀锌扁钢作为避雷带保护，在屋面上沿屋角、屋檐和棱角等易受雷击的部位敷设，并在屋面上组成接闪网格。热镀锌扁钢与柱内主筋焊接，上部与避雷带可靠焊接，下部与零平面接地干线焊接后，与室外接地网可靠焊接，组成综合接地网。

8.2 过电压保护

为防止线路侵入的雷电波过电压，在110 kV进线、主变压器中性点和消弧线圈处装设避雷器。在所用变压器进线柜、照明配电箱等处设置浪涌保护器[6]。

8.3 接地

10 kV总配电所接地网以水平接地体为主，并辅以垂直接地极。水平接地体埋深为0.8 m，垂直接地体顶端高出水平接地体0.2 m，接地网的外缘应闭合且各角做成圆弧形，圆弧的半径不宜小于0.5 m。独立避雷针接地电阻不大于10 Ω；室外综合接地网接地电阻不大于0.5 Ω。GIS室应设置与主网相连接的均压带。

9 结束语

综上所述，110 kV开关站是氧化铝场内的重要组成部分，在设计过程中需要将供电可靠、运行灵活、操作检修方便、节约投资等因素综合考虑，这样的设计方案才能可行，保证将来企业供电安全可靠，顺利生产。