330kV变电站快速转供电的模块化技术研究

童亦崴，康 乐

(中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西 西安 710054)

0 引言

随着社会经济的不断发展，负荷密度增长日益加快，大负荷重要用户日益增多，330 kV变电站作为枢纽变电站，存在负荷快速转供的需求。目前，国内缺少对330kV变电站快速转供电的研究。本文结合电网发展情况，地区使用特点以及模块化技术，实现了330 kV 超高压180 MVA 大容量的快速转供电需求。

330kV变电站的各级设备重要性更高，对于变电站影响需统筹考虑，电气设计更复杂。根据运行工况不同，绝缘特性需合理设计。设备结构更加复杂，需进行体积控制并合理分配载重，兼顾灵活性与大容量，达到快速运输、快速建设、快速投运的要求。

1 需求响应

330kV变电站作为枢纽变电站，电力系统对其的布点规划、建设速度要求越来越高，检修改造也日益频繁，为降低客户平均停电时间，满足电网供电可靠性要求，针对基建、技改、事故等电网正常或突发情况，330 kV 枢纽变电站在以下场景，均有负荷快速转供的需求。

1)改造建设停电困难

330kV变电站的改建、扩建和检修，当改造建设工程大，施工周期长，停电影响大，改造建设期间可采用330kV变电站快速转供电模块化技术进行负荷快速转供，替代被改造或检修的原有设备进行供电，实现应急供电需求，可压缩停电时间，减少停电用户。

2)场地环境复杂

当330kV变电站已按远期规模建成，站内场地受限，在后期改造或超规模扩建时，建设场地局促往往无法实施常规扩建方案。采用330kV变电站快速转供电模块化技术可以提供临时变电容量，较少地占用土地，是保供电较好的技术方案。

3)灾害及季节性应急

330kV变电站快速转供电模块化技术可以满足重大自然灾害、季节性高负荷或重大节日事件的负荷供应。可提前投入快速转供用变压器，短时增容，以缓解某一区域供电容量不足，为保供电工作提供有力保障。

2 模块化方案设计

2.1 电气主接线

变电站的电气主接线是根据变电站在电力系统中的地位、规划容量、负荷性质、线路和变压器连接元件总数、设备特点等条件确定的[1]。

2.1.1 330 kV电气主接线

根据DL/T 5218—2012《220 ～750 kV 变电站设计技术规程》，并结合330kV变电站的主流330 kV 电气主接线方式，综合考虑供电可靠、运行灵活、操作检修方便、投资节约和便于过渡或扩建等因素，330 kV 电气主接线方案如下：

目前330kV变电站运行变压器数量均为2+n台，应用于330 kV 枢纽变电站快速转供电场景时，作为第3+n台变压器投入电力系统。

当原站采用一个半断路器接线方式时，快速转供变压器330 kV 侧不进串，直接经断路器接母线，如图1所示。

图1 330 kV电气接线方式一

当原站采用双母线分段接线方式时，快速转供变压器330 kV 侧借用预留间隔或可停电间隔接入母线，如图2所示。分段间隔根据具体变电站不同，设置位置不同。

图2 330 kV电气接线方式二

2.1.2 110 kV电气主接线

设计原则与330 kV 电气主接线一致，110 kV 电气主接线方案如下：

110 kV 侧模块借用预留间隔或可停电间隔接入母线，如图3所示。分段间隔根据具体变电站不同，设置位置不同。

图3 110 kV电气接线方式

2.2 电气设备选型

主要电气设备选型符合国家电网公司关于标准化建设成果应用管理目录的相关规定，从国家电网公司输变电工程通用设备应用目录中选择。调研电网330kV变电站的使用工况，并考虑设备结构及经济成本，电气设备选择见表1 ～表3所示。

表1 短路电流控制水平表

表2 变压器模块参数选择表

表3 配电装置模块参数选择表

本文研究的快速转供电模块化技术应用于330kV变电站负荷紧急转供场景，低压侧不建设无功补偿及出线设备，故低压侧仅充当平衡绕组，选择为10 kV 电压等级。

2.3 导体选择

变压器各侧导线载流量按不小于变压器额定容量1.05 倍计算，实际工程中快速转供用变压器不需要考虑承担另一台主变压器事故或检修时转移的负荷。

2.3.1 快速转供变压器高压侧导体

1)工作电流Ig高

计算工作电流为1.05 倍变压器额定电流，计算结果为：

Ig高=330.7 A

2)热稳定最小截面Smin高

Smin高≥561.8 mm2

3)电晕校验

110 kV 及以上电压等级变电站导线均应以当地气象条件下晴天不出现全面电晕为控制条件，使导线安装处的最高工作电压小于临界电晕电压。在常用相间距离情况下，如导体型号或外径不小于表4所列数值，可不进行电晕校验[2]。

表4 免电晕校验导体型号表

因快速转供电实施技术需尽量节省场地，故变压器导体采用单导线更有利于应用于场地局促的环境。

综上所述变压器高压侧导体选用LGKK-600，载流量为1 027 A，Ixu=0.79×1 027 A＝811 A＞Ig高，满足要求。S=636 mm2＞Smin高，满足要求。

2.3.2 快速转供变压器中压侧导体

中压侧导体选型方法与高压侧导体相同，与高压侧选择要求一致，采用单导线更有利于应用于场地局促的环境。根据中压侧配电装置布置，考虑采用“导线+电缆”作为快速转供电变压器的主变进线。

1）工作电流Ig中

计算工作电流为1.05 倍变压器额定电流，计算结果为：

Ig中=992.1 A

2）热稳定最小截面Smin中

Smin中≥344.0 mm2

综上所述变压器中压侧导体（导线）选用JNRLH-400， 载流量为1 269 A，Ixu=0.79×1 269 A＝1 002 A＞Ig中，满足要求。S=451.4 mm2＞Smin中，满足要求。中压侧导体（电缆）选用2×YJLW02-110-400，载流量为1 314 A，Ixu=0.96×0.87×1 314 A＝1 097 A＞Ig中，满足要求。S=889.3 mm2＞Smin中，满足要求。

2.3.3 快速转供变压器低压侧导体

本技术应用于快速转供电场景，可满足建设快、投产快的要求，不再另行建设低压侧送出及无功补偿设备。低压侧出线作为平衡绕组，导体满足热稳定要求及绝缘配合。

2.4 电气总平面布置

目前330kV变电站整体布局采用三列式布置方案，依次为330 kV 配电装置、变压器及无功补偿装置、110 kV 配电装置，站前区域布置在变压器或110 kV 配电装置空余场地。电气平面布置根据出线方向进行整体调整或增加侧向出线间隔。图4 为某330kV变电站平面分区示意图。根据站内现有电气设备布置，图中红色及蓝色为场区空余场地，快速转供电技术的主要设备模块可放置在此两个区域。

图4 某330 kV变电站平面分区示意图

本技术的布置设计应按照高压配电装置模块、变压器模块、中压配电装置模块、低压配电装置模块、辅助二次设施模块的优先顺序开展，在运行变电站内有限的建设场地，遵循功能分区的原则，首先考虑合理的高压配电装置布置方案，然后依次开展其余各电压等级配电装置的选择。影响本技术高压侧配电装置模块的布置的控制条件为：

1)高压侧母线位置或预留间隔位置；

2)原运行变压器位置；

3)建设可利用场地(考虑搬迁旧设备难度)；

4)运输通道走径等。

根据控制条件权重顺序影响，可以看到图4蓝色区域阻挡了变电站主运输通道路径，故快速转供电技术拟建的主要设备模块设置在图4红色区域。针对330 kV 某站的快速转供电平面布置方案如图5所示，其中红色虚线框内为快速转供电各模块拼接工作范围。表5 为快速转供电技术及常规变电站的各主要设备模块的占地面积尺寸对比。

表5 模块占地面积尺寸表

图5 330 kV某站快速转供电平面布置图

2.5 二次设施

为满足330kV变电站快速转供负荷的应用场景，本技术的二次设备采用预制舱模块化方案。统一对外安装接口及线缆接口，实现最大程度的预制化。舱体从下至上依次为舱底部线缆夹层、线缆检修通道、设备空间单元、风道及集成吊顶和带保温层舱顶，在现场由航空插头电缆对外与站内设备连接。

预制舱的电缆敷设分3 个层级：出舱电缆；舱内空间单元间的电缆；空间单元内装置到端子排。为简明预制舱和现场施工的接口，简化现场接线的工作量，设置专门的电缆转接单元集中转接单元。本方案预制舱尺寸为4.1 m×2.8 m×3.2 m。

3 绝缘特性研究

3.1 高中压侧过电压保护及绝缘配合

避雷器的装设组数及配置地点，取决于雷电侵入波在各个电气设备上产生的过电压水平，实际工程中需要采用雷电侵入波保护程序进行分析计算后确定。电力行业标准确定的过电压标幺值选择原则如下：

330 kV 工频过电压标幺值1.0 p.u=209 kV。

110 kV 工频过电压标幺值1.0 p.u=72 kV。

330 kV、110 kV 避雷器选择无间隙氧化锌避雷器，参照目前国内330 kV、110 kV 避雷器制造水平选型。330 kV 电气设备额定耐受电压见表6所列，110 kV 电气设备额定耐受电压见表7所列。

表6 330 kV电气设备额定耐受电压表 kV

表7 110 kV 电气设备额定耐受电压表 kV

3.2 低压侧过电压保护及绝缘配合

3.2.1 低压侧接线型式

如前文所述，快速转供电变压器的低压侧充当平衡绕组，选择为10kV 电压等级。平衡绕组在快速转供电变压器中的作用如下：

1)提供高次谐波通道，改善感应电动势波形。

2)提高变压器带不平衡负载的能力，以稳定电压中性点。

3)改善变压器的零序阻抗。

根据平衡绕组在变压器上的出线方式与其他不同设备的连接不同，平衡绕组在变压器运行中的作用也随之改变。本技术采用的变压器模块的低压侧接线采用3 只套管引出，平衡绕组在变压器内部连接成封闭的三角形，3 个端子均通过套管引出，如图6所示。此种引线方式，若不接负载，为了限制雷电传递过电压，该方式需设置避雷器引至接地网进行可靠接地[3]。

图6 三只套管引出图

3.2.2 低压侧绝缘配合

根据国网反措第14.3.3 条规定，对低压侧有空载行或者带短母线运行可能的变压器,应在变压器低压侧装设避雷器进行保护。

变压器低压侧需考虑雷电波侵入过电压，工频过电压及变压器电容传递电压。10 kV 电气设备雷电冲击、工频过电压的额定耐受电压见表8所列。

表8 10 kV变压器设备额定耐受电压表 kV

变压器正序、负序电压在高、中、低绕组之间按变比关系传递，由于低压绕组的相对耐受冲击强度要比高中压绕组大得多，因此，凡是高中压绕组能够耐受的过电压按变比传递到低压侧时，对低压绕组都没有危险。零序电压则不同，它通过绕组之间的电容关系传递。系统正常运行时没有零序电压，变压器各绕组之间只按变比关系进行电磁耦合，所以不会发生电容传递过电压现象，当电网中发生单相接地等不对称故障时，产生中性点位移电压，系统中才有零序电压，会发生电容传递过电压。

快速转供电变压器模块的低压绕组与地之间的距离很大，对地电容较小，电容传递过电压值就会很高。目前10 kV 避雷器的通用型号为YH5WS-17/45，额定电压为17 kV。发生变压器电容传递过电压时，低压侧对地电压最高可达23 kV，显然10 kV 避雷器难以承受，易发生热崩溃击穿。由此可见，快速转供电变压器模块在超高压变电站运行时，低压侧避雷器额定电压应采用25 kV，即提高一个电压等级，采用YH10WS-25/45 型号。

4 快速运输方案

技术方案中的电气设备采用公路运输，其中变压器运输尺寸最大，质量最重，故对变压器模块进行快速运输研究[4]。

为满足快速运输条件，将快速转供电变压器的高压侧出线由短轴侧上端垂直引出，在运输过程中可以有效避免震动的影响。中低压同样采用端部出线的方式。高压、中压采用油-SF6套管+就地安装套管，可以节省高度方向上的尺寸。

冷却方式采用强迫油循环风冷，冷却器放置于短轴侧，可以极大节省宽度方向上的尺寸。

储油柜采用胶囊式储油柜，特殊设计以满足运输高度尺寸需求，开关置于高压侧，释压器、开关操作箱、端子箱(与控制柜一体式)平行布置于变压器长轴侧。

车辆高度为0.9 m，器身本体宽度3.85 m，器身长度9.4 m，器身高度3.55 m。运输外形如图8所示，与常规变压器运输参数对比见表9所列。

表9 运输参数对比表

图7 运输外形示意图

为满足330kV变电站的快速转供的应用场景需求，变压器采用带油运输。器身含油总重160 t，含车板控制在200 t 以内，并满足整体运输高度不超过4.5 m 的要求。路政通行手续的办理难度小，且高速路段不需要进行桥检。

5 结语

本文根据330kV变电站的快速转供电的应用场景，结合环境条件、建设条件等约束因素，对330 kV 电压等级、180 MVA 大容量的快速转供电技术进行研究分析。研究成果对于提高电网安全稳定过渡及抵御风险发挥重要作用，具有良好的社会效益和经济效益。