110kV变电站电气一次设计研究

中煤西安设计工程有限责任公司 许森科

变电站是电力系统的重要组成部分，在电力传递、电能转换等方面发挥出重要作用。特别是对于110kV 变电站来说，对于城市建设有着直接影响。因此，有必要加强变电站电气一次部分设计研究，对主接线方式、变压器、高压断路器等设计环节进行优化，不断提高变电站设计及系统可靠性，降低电力故障出现概率。本文从实际变电站项目出发，致力于提高电力系统设计可靠性，优化电网电力调度效果。

1 项目概况

本项目为110kV 变电站，电压等级为110kV/10kV，确定3台80MVA 主变的设计规模，以满足区域供电需求。本项目设计主要目的是满足城市商务区供电需求，结合区域规划方案，预计远期负荷在590～620MW 范围内。当前，商务区内已完成2座35kV 变电站的设计工作，其容量分别为3×20MVA 和2×20MVA，变电站运行供电压力较大，特别是在夏季用电高峰期，两台变电站的最大负载率可高达84%与89%。

根据城市发展规划，商务区内正开展一会展项目及其配套设施建设工作，设计面积为139万m2，随后还会逐步进行水厂、房产等大容量用户的建设工作，其容量均在8～19MVA 范围内，已完成申请的用电报装容量就达到126MVA。而且，随着商务区开发建设的持续开展，区域内每年增加的新建建筑面积将达50万m2以上，区域电力负荷呈现出逐渐增长的趋势，现有的2座35kV 变电站无法满足区域供电需求。针对这一问题，商务区建设规划提出本项目建设方案，即在商务区南侧新建110kV 变电站，以增加区域变电容量，满足区内负荷发展需求。原有的2座35kV 变电站及新建110kV 变电站在改建前后的电力负荷情况见表1。

表1 2座35kV 变电站及新建110kV 变电站改建前后电力负荷情况

根据表1数据，本项目（110kV 变电站）于2017年建成后，原有的2座35kV 变电站负载率明显降低，随着110kV 变电站持续投运，其供电负荷逐渐从51MW 增长至当前的86MW，负载率从34%增长至57%。

2 110kV 变电站电气一次设计内容

2.1 主接线方式设计

2.1.1 设计原则

本项目110kV 变电站主接线设计应遵循以下原则：一是经济性原则。在满足供电需求的基础上减少高压侧断路器数量，提高电气一次设备性价比，解决线路短路问题并减少设备占地面积。二是灵活性原则。变电站主接线设计应对电力调度、设备维修、后期扩建等多方面需求进行考量，灵活调整电力线路与负荷，有效控制电力线路故障影响。三是可靠性原则。电气主接线承担电能传输、分配功能，为满足区域供电需求，应确保变电站电气主接线稳定性与可靠性，提高110kV 变电站供电质量。

2.1.2 设计内容

根据上述原则，本项目进行主接线方式设计，以主变低压侧额定电流4620A 为基础，分别按1.05倍与1.3倍考虑其过载电流，即为4850A 和6000A。规格为125mm×10mm 的四拼铜母排在不同温度条件下的载流量见表2。

表2 不同温度条件下的四拼铜母排载流量

根据表2数据，四拼125mm×10mm 铜母排载流量会随着温度升高而降低，特别是在夏天高负荷情况下，其运行温度将持续升高，其载流量难以满足运行需求，同时无法和镀银双拼接线板低压套管实现可靠连接。而且，截面为500mm2的10kV 电缆在40℃下载流量仅为662A，多拼排数最多为三拼，也无法满足本工程流量要求。在这样的情况下，本项目选择绝缘母线至开关柜的主接线方式。连接双拼4000A 绝缘母线与主变套管，到达主变室后再分别连接进线开关柜。

本项目中，110kV 变电站电气主接线设计还要进一步考虑其接线复杂性，为控制检验难度、减少占地面积，工作人员还须进一步对电气主接线设计负载、运行、损耗、调度、经济性等方面进行调整，进而体现出良好的灵活性与可靠性。

考虑商务区规划现状，本项目应结合实际情况对主接线方式进行控制，选择单母线分段式、双母线等主接线形式。单母线分段式断路器连接大多分为三段，若某一段母线出现故障，断路器可及时进行隔离，确保整体线路运行不受故障影响。而双母线接线则是通过断路器与隔离开关连接，通过分列、并列等接线形式满足主接线灵活性需求。

2.2 主变压器设计

2.2.1 设计原则

变压器是110kV 变电站中的关键设备，与变电站运行安全稳定性息息相关，因此在电气一次设计中，应重点做好变压器设备选型与数量确定，有效降低变压器功率损耗[1]。一方面变压器选型应注重其使用的灵活性，例如可通过专用变压器满足季节性负荷容量需求，或通过冲击负荷专用变压器应对冲击性负荷。另一方面，为保证110kV 变电站稳定运行，应合理确定变压器数量，通常每一110kV 变电站2台及以上主变压器可满足变电站运转需求。在配置两台变压器的前提下，可作为一台主用、一台备用，并对负荷性质、供电条件、运行方式等因素进行综合考量，确保变压器数量的合理性。值得注意的是，商务区内土地资源比较紧张，因此需要控制110kV 变电站变压器占地面积。

2.2.2 设计内容

本项目中变压器设置是在主接线方式基础上进行，变压器通过一进三出接线形式与110kV 侧接线连接，10kV 侧单母线出线48回，并进行10kV 电容器安装。变电站总体设计规模为3台80MVA 主变，第一期建设为2台80MVA 主变，10kV 侧单母线出线32回。

在确定设计规模与连接方式后，本项目基于智能化设计标准进行变压器选型。考虑到110kV 变电站电压等级为110kV/10kV，对多方面影响因素进行综合分析，确定以下两方面要点。

首先，若存在单相变压器需要独立运行的情况时，需要保证其符合Sjs×（60%～70%）的要求，并通过公式进行计算，其公式表示为：

其中，ST表示的是每台变压器的容量，SNT表示的主变压器的容量，Sjs表示的是全部用电设备计算负荷，将数据代入其中得到数值为50mVA。

其次，在出现上述情况时，独立运行的变压器可满足一二级负荷的运行需求[2]。公式表示为：

其中，Sjs（Ⅰ+Ⅱ）表示的是全部一级和二级负荷，将数据代入其中得到数值为50mVA。结合计算结果及本项目实际要求，选用S9-1000/10型变压器2台。

2.3 高压配电装置设计

2.3.1 设计原则

高压配电装置布置方式包括室内及室外两种，其中室内装置布置包括110kV 断路器、普通电气装置以及全封闭电气设备。相较之下，前两种室内设置方法成本投入较高且占地面积较大，后一种布置方法虽然也需要较多的资金支持，但便于维护，适合应用在土地资源比较紧张的区域。室外布置方式则包括中型布置、半高型布置以及高型布置，其中中型布置方式为最常见的布置方式，在进行高压配电装置的过程中，需要通过母线线路对110kV 变电站电气设备进行连接，具有较高的便捷性与经济性[3]。

对上述两种方式进行对比，室内布置的主要优势在于占地面积小，有利于母线、断路器、隔离开关的合理布置，可为后续运维工作提供便利；而室外布置方式的成本较低，可通过地面支架设置配电装置，具有较高的可靠性。在进行电气一次设计的过程中，应根据110kV 变电站实际情况及区域供电需求选择合理的配电器布置方式。

2.3.2 设计内容

本项目在进行配电装置设计的过程中，对商务区环境条件、运维要求以及110kV 变电站负荷性质进行综合分析，进而选择GIS 配电装置。考虑到商务区新建110kV 变电站环境要求，工作人员对GIS 组合电器配电装置进行整体改造，受场地因素影响，选用室外三相共箱式全封闭型组合配电器作为110kV 配电装置，通过母线双列布置发挥其布局优势。在此基础上，还可以选用AIS 配电装置，通过中型或半高型布置方式进行母线布置。一般情况下，110kV 变电站电气设备方案需要对断路器、电流互感器、隔离开关的布置进行设计，对地闪络点进行优化，以有效提高线路运行的稳定性。值得注意的是，在进行接线布置时，可在不进行架构的基础上对母线进行直接连接，以满足变电站运行要求。

2.4 短路电流计算

根据110kV 变电站运行要求，本项目选用标幺制法对短路电路进行计算。在此基础上，首先确定Sj=100MVA，Uj=Ujp，Uk%=14.5%。其中Sj表示的是基础容量，Uj表示的是基准电压，Ujp表示的是短路点处的短路计算电压，Uk%表示的是变压器短路电抗。根据上述基准值可进行计算，其计算步骤包括：一是工作人员以110kV 变电站原始资料为参考，完成电路图绘制与计算工作；二是完成基准值Sd、Ud的确定；三是根据110kV 变电站要求确定元件电抗标幺值；四是对电路进行调整，并进行等效电路图的绘制；五是对各短路数据及相关参数进行计算。在进行短路电流计算的过程中，主要涉及以下公式。

公式（3）为基准电流计算公式，其中Id表示的是基准电流；Sd表示的是基准容量；Ud表示的是基准电压；Uc表示的是短路点处的短路计算电压。

公式（4）为基准电抗计算公式，其中Xd表示的是基准电抗。

公式（5）为电源电抗标幺值，Sk表示的是系统变电所高压馈电线出口断路器的断流容量，进而可得到电力系统电抗标幺值公式：

电力变压器电抗标幺值公式表示为：

公式（7）中，UK%表示的是变压器的短路电压（阻抗电压）百分值；SN表示的是变压器额定容量。

公式（8）为电力线路电抗标幺值，X0L 表示电抗器电抗；根据化简电路可得到总电抗标幺值，进而得到三相短路电流周期分量有效值，公式表示为：

3 结语

综上所述，电气一次设计是110kV 变电站有效运行的重要基础，相关技术人员应从变电站实际情况出发，对接线方式、变压器、高压配电装置等进行优化设计，明确电气一次设计流程及相关重点，有效优化变电站电气配置，确保110kV 变电站运行与区域供电需求相适应，促进其经济效益与社会效益的提升。