220kV变电站规划设计要点及优化

上海电气输配电工程成套有限公司 罗吕文

现阶段，各国城城市化发展的速度逐渐加快，人们对生活生产的需求日益提升，从城市供电量的角度考虑，对其提出了越来越高的要求，突出了电力供给与需求之间的矛盾，这致使建设城市变电站工作显得十分的重要。220kV 的变电站作为电网体系中最关键的供电节点，在供电过程中发挥着不可替代的核心作用。基于此，建设城市电网的过程中，应重视不断优化与更新220kV变电站，进一步提升变电站的技术水平和工作成效，满足社会生活生产的电力需要。

1 220kV 的变电站发展近况

为推动220kV 的变电站发展，各国电网公司投入更多的资源用以研究220kV 的变电站，进一步实现电网公司管理经营与220kV 的变电站一体化，如图1所示。现阶段国家已创建环保、可靠及低碳的智能化设施，同时产业化已经实现，最终采用自动化新型控制系统以及网络技术，220kV 的变电站实现了网络化平台通信、数字化信息、标准化共享信息等[1]。就目前来看，各国对环保提出了越来越高的要求，各国新建220kV 的变电站大多具备很强的适应能力，与此同时还具备不燃、无毒、低噪声、低损耗等优点。不过，相比于发达国家，各国在应用220kV 的变压器上存在一定差距，进而限制了各国220kV 的变电站进一步的发展[2]。

图1 220kV 变电站

2 设计220kV 的变电站的要点

本文以非洲某国220kV 变电站电气主线设计为例，是当地较高电压等级的变电站，是该地区重要的中心枢纽变电站，安装有两台100MW 降压变压器，负责将水电站的发电送至首都新建20kV 及30kV 配电网进行供电，供电容量约达首都电力供电总量的45%，并与该国220kV 主电网和临国220kV电网实现互联互通。电压有220kV、30kV 和20kV三个等级。220kV 侧出线5回，远期8回，不允许停电检修断路器，选择具有检修期长、性能好等优势条件的六氟化硫断路器，为此选择采用双母线接线，不带旁路，这不仅满足供电的可靠和调度灵活要求，还有效减少占地面积。

2.1 设计电气主接线

针对电气主接线设计来说，变电站最高电压等级、性质等条件是其设计的主要依据，在接线方式的选择上需要考虑变电站的系统地位以及变电站的性质作用，确保两者相适应。其作为电力系统接线的重要组成结构，变电站内线路、变压器、无功补偿设备等设备与电力系统的最佳连接方式均由其表明，同时表明变电站内其他电气设备之间的最佳连接方式。因此，对于电气主接线设计来说，其对电气设备的选择布置、继电保护装置设计等相关设计工作有关键影响和重要作用，是变电站规划设计中的重点内容和核心技术。

220kV 的变电站电气主接线的设计是依据电网内部的出线数量、地位、设备特性、回路数来明确的，与此同时在进行设计时值得注意的是控制供电荷载，在符合供电运行可靠性、灵活性和方便操作前提下尽可能保障能源的节约，与此同时扩大可靠性、灵活性以及经济性等层面的需要[3]。从经济角度出发，电气主接线设计时应考虑成本的节约性、操作的便捷性以及后期维护的便利性，确保电气主接线设计具有较强的经济性。在220kV 降压变电站中，220kV 线路4回及以上主变压器2组时，一般采用双母线接线而不带旁路，当少于3回且总元件数少于5回时，也可用各种桥接线或是线路变压器组接线。在电气设计阶段，一次设备选择时应考虑其接线的稳定安全性，确保接线科学合理，且满足经济性要求等相关条件，同时在主接线等相关设计工作开展时，都应注重设计方法、设计技术等方面的合理规范性。

220kV 变电站主接线设计阶段，应根据任务书设计要求，根据本区域及国家电力工业实际发展状况，明确220kV 的变电站电压等级、负荷回路数以及容量。详细研究及分析原始数据资料，拟定部分主接线的初步方案。综上所述，主接线相关基本要求是：在保证符合供电经济性、灵活性、可靠性、发展扩建留有空间的基础上，展开科学性较强的分析论证，最终才能够确定主接线的最佳方案。

2.2 选择与设计断路器

220kV 变电器内部断路器属于电气设施，发挥着控制及保护高压回路的重要作用，可提高线路及220kV 变电站运行的稳定性。从维修及配电成本角度考虑，220kV 的变电站在选择断路器时大多考虑同一厂家、型号，这样做可以尽可能降低备用件类型，并且对日常开展维护和检修工作较为有利。

220kV 的变电站确定断路器过程中应保障其具备良好动稳定性、良好热稳定性、最短分断时间、绝缘性、短路较强能力，从而完成220kV 的变电站高效、安全运行这一目标[4]。具体实践过程中，220kV 的变电站通常会选择六氟化硫断路器，其具有体积小、寿命长、绝缘性好等优势特点。除此以外，此类断路器具有较强的灭弧能力，并且容易检修、维护，从而大大提高供电的可靠性和连续性。

2.3 电流、电压互感器的配置

电流互感器不仅需要与电流最大负荷的热动稳定性以及一次回路的电压、额定电流要求相符，还需要与二次回路中的自动装置、保护装置、测量仪表相关准确度要求等相符。电流互感器依据不同的绝缘介质分成许多类型，现阶段在电压各种等级中常见使用的一种类型即是油浸式。

对于电压互感器的选择，主要有以下几点：一是6～20kV 配电装置。选择油浸绝缘结构，主要设置在高压开关柜等位置，安装方式主要对油浸绝缘结构进行浇筑，浇筑材料通常为树脂。二是35～110kV 配电装置。选择油浸绝缘结构电磁式电感互感器。三是220kV 及以上配电装置。在容量、计量要求等条件符合规定标准的情况下，选择电容式电压互感器，其成本、性能等方面更有优势性，不易发生电磁谐振问题。选择电压互感器还需要满足相关的条件（安装点额定电压应大于一次侧额定电压）。除此以外，二次接线的方法和电压互感器选择的具体类型需要依据二次负荷性质，以及具体用途来予以相应的判断。

2.4 优化接地开关和接地引下线的设计

为保证设备、线路等检修过程中不对人员造成威胁，同时又能更好地保护设备、线路等自身结构的安全，在主接线设计阶段应合理设置接地开关和接地器。一是断路器两侧的隔离开关在断路器侧应设置接地开关，作为断路器检修时接地用；二是应根据实际情况，将合适数量的接地开关设置在各种接线形式的线路隔离开关线路侧。同时，针对同塔双回或多回线路，设计人员还需对其运行、检修等不同状况下的感应电流进行计算分析，根据结果合理设置具有灭弧性能的接地开关。三是主母线可利用母线隔离开关带有的接地开关，或是母线电压互感器前的隔离开关设接地开关，如通过对母线接地点的计算后，需要时应设专用的接地开关。

变压器各侧的隔离开关在变压器侧应设接地开关，作为变压器检修时接地用。在变压器中性点中应有两根接地引下线，将其与不同干线中的主地网进行连接，在设计时需保证接地引下线满足热稳定等条件。针对涉及的重要性设备和设备结构，则要有两根与220kV 变电站主接地网不同地点连接的接地引下线， 与此同时还要确保两根接地引下线满足相关标准和要求[5]。

2.5 设计总平面布置及配电装置

配电设置选择过程中需要充分考虑所处区域的环境条件及地理情况，因势利导，保障土地节约的同时符合检修及运行的需要。通过比较经济技术，配电装置40kV 及以下适合使用屋内型。配电装置使用管型母线时，应采用分裂结构或是单管，固定形式适合使用悬挂式或者支撑式，若地震烈度≥Ⅵ度时，适合使用悬挂式。

设计总平面布置，具体如下：一是变电站设备间缩短连接线。设计时满足主接线生产运行需求，确保设备之间具有较强的联系性，整体布置合理紧凑，以达到减少能耗、降低电缆敷设难度的目的，同时还能避免故障及安全事故的发生。另外，这种布置方式还能便于日常巡视和后期的维护检修，即便发生事故也可以在第一时间内予以处理，降低事故影响。

二是布置整体思路。为保障大型设施（例如变压器）的安装、检修及运输便利，需要尽可能缩小运输的距离。要求主变压器及主控制室之间方便交通，主控制室需要处于能够轻易观察变电站整体概况的地方，最大限度降低电视设施和连线管路的干扰及交叉。以保障出线和变线的便利，架空导线交叉得以有效减少。

三是结合远近期，保留发展的余地。设计布置电气总平面时需要依据批准规划的容量展开，同时保留发展的余地。较小或较大的规划容量，都会致使不合理总平面布置的出现，较大容量会导致资源浪费，较小容量则会增加用电负荷，极易影响生产运行的安全性，引发严重后果。在电气总平面布置时，还应注重建设初期的设计，主要以集中布置方式为主，这样不仅便于购地分期和扩建，还能有效推动工程后期的正式施工，为其搭建良好的施工条件，做好基础准备工作。

四是合理紧凑布置，保障用地节约。为提高空间使用效果，充分利用占地面积，应选择集中布局方式合理设置各个设备。同时，在用地过程中应考虑其性质，尽可能选择荒地、坡地等场地，提高资源利用率。对于狭窄地形条件的工程，能够将检修间、通信楼、控制楼等相近功能或有一定程度联系的建筑物使用多层联合的方式进行布置[6]。

五是因势利导布置。根据自然地形条件，结合实际情况，合理选择配电各级装置形式和其互相间平面的组合，从而选择恰当的位置进行布置。以此为基础，灵活布置站前的建构筑物以及附属设施。而对于高压配电装置等较为重要的建筑构物，在条件满足的情况下应沿自然等高线布置，并结合进站道路等情况，尽量达到土方平衡，同时减少埋设基础深度以及深挖高填，以保证现场可正常排水。而针对山区等特殊地形来说，在设置前应先制定相应的预防措施，避免后期出现塌方等问题影响变电站的安全运行，同时在设计时也应避免将建筑构物设置在山坡附近。另外，对于主变压器、主控楼及并联电抗器等配电装置，应对现场环境进行提前调查，排除断层或地质构造不均的位置，尽可能将其设置在地基稳定的位置。不仅如此，还需要尽可能保障不对山体本身具备的自然地貌造成破坏，以保障山体平衡，提升布置的安全性。

3 优化设计220kV 的变电站相关策略

3.1 总平面设计优化策略

遵循“土地节约、因势利导”原则，加强关注220kV 变电站周围环境条件，经过比较经济技术，配电采用科学性、经济性、可靠性好的装置。在配电装置中管型母线的使用较为广泛，这时管型母线应选取分裂结构或是单管，同时采取支撑式或悬挂式展开固定，充分保障其合理性及稳定性[7]。针对配电装置屋外设计，应对已存在道路展开合理利用，同时保障不会对正常道路通行产生影响，若路基宽度在5.5m 以内，同时道路两端无法正常通行时，应在道路合适区域设置错车道或是环形道路。除此以外按照标准《变电所总布置设计技术规定》中所提出的，220kV 的变电所布置总平面应全方面依据现阶段使用的各式各样要求及指标，做到减少浪费、持续创新、因地制宜，针对劣地、荒地和坡地等不适合耕耘的土地区域展开合理利用，同时做好经济技术论证相关工作，进而保障220kV 的变电站有序运行。

3.2 电流及电压互感器优化策略

在大接地短路电流系统的220kV 回路中，应按三相式配置电流互感器；小接地短路电源系统一般可按两相式配置，当不能满足继电保护灵敏度要求时，方采用三相式电流互感器。在配置保护用电流互感器时，需要保证主保护电流互感器、供线路保护电流互感器其两部分之间能够有线连接和相互覆盖，达到消除保护死区的要求。在选择微机保护时，不同保护应尽可能选择共用二次绕组的方式，但一个元件的两套保护必须使用不同的二次绕组。高一个电压等级与500kV、400kV 变电站内的220kV 母线，变压器等重要部分，需要采取双套主保护和双套后备保护的方式。如220kV 电流互感器包括6个绕组，其中2个供线路和变压器保护用，2个供母线保护用，1个供失灵保护用，1个供测量和计量用。

主接线方式可直接影响电压互感器的配置方式，如常规配置、以变压器单元配置等，需要根据具体情况合理做出选择。所以双母线接线电压互感器的配置采用哪种方案，要根据工程具体情况进行技术经济比较来确定，随着数字化保护和测量仪表的采用，电压互感器的二次负荷大幅度下降，小容量的电压互感器的价格也在下调，按单元配置虽然电压互感器的用量多，但节省了切换装置，简化了接线。

3.3 优化母线接地相关策略

在设计220kV 的变电站过程中，如果变电站支流线路中设计母线接地出现错误，常常会引起故障。基于此，优化母线接地相关问题是较为重要的。一般情况下能够使用绝缘监控检查系统，保障支流母线成功接地以后，依据从低到高顺序展开判断和分析，同时严格实施合闸和分别信号，在此之中应对由于过长的拉开时间致使电源丧失使用成效予以重点关注[8]。判断、检查和分析绝缘监控系统以后，应掌控和汇报具体接地回路状况，与值班人员处理好交接工作，与此同时应安排变电站维修专业工作人员对故障展开处理。

3.4 限制短路电流的相关策略

在电力系统规模和容量不断增加的过程中，其短路水平不断提高，为了减少短路给电力系统和电气设备造成的危害，同时也除降低断路器的断流容量，一般采取以下措施限制短路电流：一是在电力系统方面为大系统分割、限制变压器中性点接地数量、限制使用220kV 自耦变压器、在系统中设置若干解列点。二是采用高阻抗变压器。三是通常会将串联电抗器设置在主变压器低压侧，但实际运行过程中，分裂电抗器的作用效果更高于普通电抗器。四是主变压器低压侧母线采用分列运行，每台主变只带一段母线，为提高供电可靠性，在母线分段断路器上装设备用电源自动投入装置。在实际应用中需再结合占地面积进行技术经济的比较。

综上所述，在人们日常生活与生产中，220kV的变电站发挥着不可替代的作用，电网管理和建设部门应从整体上予以把握，侧重于分析及思考电气的布置、设备、主接线等层面的优化设计，进而保障220kV 变电站日常高效、正常运行，为社会生活生产提供电力方面的支持。