智能时代背景下变电站电气设计要点分析

广西鑫源电力勘察设计有限公司 董志鹏

1 变电站电气主接线设计

1.1 主接线的设计原则和要求

变电站是枢纽型变电站，区域型变电站、终端型变电站、企业型变电站，或者是分支型变电站，因其在电网中的位置与功能各不相同，所以对主接线的可靠性、灵活性和经济性有较大的要求。从近期、长远两个方面来看，变电所电气线路的电气主接线应该按照5～10年的电网发展计划来确定。要考虑到负荷的大小与分布、负荷的增长速率、区域电网的状况与潮流分布、对多种可能的操作模式，从而决定系统的电气线路布置，与变电站相连的供电数量和线路回数；一次负荷与二次负荷之间，必须有两台相互独立的电源供应，在其中一台电力供应中断时，要确保所有二级负荷连续供应，通常情况下，三级负载仅用一台电源。

1.2 主接线具体设计

1.2.1 设计步骤

制定一套切实可行的电气线路规划方案需要经过严谨的步骤和细致的分析。首先，在对原有数据进行综合分析的前提下，根据设计工作的需求，制定多个可能的方案。在制定方案时，要考虑主变压器的形式、数量和容量，以及各级电压分配设备的接线形式，这些因素直接关系到电气线路的可靠性和稳定性。因此，在制定方案时，需要针对每种可能的选择进行技术上的验证，评估其在满足电气线路需求方面的优劣。经过技术验证，选出了两种在技术上具有可比性的方案。为了进一步评估这两种方案的经济性，选择了两个工艺水平优良的工程实例，并进行了经济性分析。这些实例能够提供宝贵的经验和数据，帮助对方案进行全面评估。最后，对两种方案进行综合的技术和经济对比。在考虑了技术可行性和经济效益之后，得出了最佳的电气线路布置方案。为了更直观地展示这个方案，绘制最佳的线路布置图，可将其可视化。

1.2.2 初步方案设计

在原来的数据中，该变电所有110/35/10kV 三种电压，所以可以对三个三绕组的变压器进行初步筛选，由该变电所与该系统相连的线路示意图可知，该变电所有两个入口，为了确保供电可靠，可以安装两个主变。为了确保最佳配线方式，本文对如下两种配线方式进行了初步研究。

方案一（如图1所示）：110kV 侧采用双母线接线，35kV 侧采用单母分段接线，10kV 侧采用单母分段接线。

图1 方案一

方案二（如图2所示）：110kV 侧采用单母分段接线，35kV 侧采用双母线接线，10kV 侧采用单母分段接线。

图2 方案二

1.2.3 最优方案确定

第一，技术比较。在经过综合分析后，得到了两个初步的方案。第一种方案是在110kV 端采取双母线方式，而第二种方案是在110kV 端采用单母线分区方式。双母线供电方式在系统运行可靠性和供电可靠性方面具有明显优势。由于采用双母线方式，一旦其中一根母线发生故障，系统可以无缝地切换到另一根母线，确保系统的稳定运行。此外，双母线方式还具备系统排程灵活性和便于扩展的特点，可以满足未来发展和扩容的需求。第二种方案则是在110kV 端采用单母线分区方式。这种方式的特点是线路简单、使用方便，因为只有一根母线，维护和管理也比较容易。此外，单母线分区方式还可以减少所需设备的数量，从而降低建设成本。对于35kV 一侧，第一种方案采用了单相分段式，而第二种方案则采用了双母线式。综合考虑两种方案的特点和优势，选择了110kV 一侧采用双母线方式，35kV 一侧则采用单相分段式。

第二，经济比较。从整体的设计来看，35kV和10kV 侧采用单母线形式的供电方式，从整体投入来看，在包含了控制设备、线缆、母线和基建成本等方面，比双母线方式更为灵活。通过上述研究，得出了最佳的方案，也就是110kV 一侧是两条母线，35kV 一侧是一条母线，10kV 一侧是一条母线。具体的线路图如图1所示。

2 短路电流计算

2.1 短路计算的目的、规定与步骤

2.1.1 短路电流计算的目的

在对配电线路进行选型时，不管是对不同的接线方式进行对比，还是对某些接线方式进行限定，都要对其进行短路电流的分析。比如，通过对某个瞬间的短路电流的有效数值进行运算，来检验开关装置的开断性能及电抗器的电抗值；通过对该装置进行短路电流的冲量的计算，来检验该装置的动稳定性；室外高压配电网在进行室外供电时，应根据短路情况检查软导体的相间、相到地之间的安全间距[1]。

2.1.2 关于短路电流的通用规定

第一，计算基础。电网内各供电单位以额定负荷工作；全部的同步电动机均设有强制激励（含强制激励）的激励设备；当短路电流达到最大时，会出现短路；EMF 的相角在各供电端是相同的；除了在短路点电阻之外，其他因素都应该被纳入对短路电流的数值中。只有当计算出感应电机的短路电流脉动及最大额定电流时，才能将其计算在内。

第二，配线模式。短路电流的计算方法应该是最大短路电流（也就是最大工作模式），而不是只有可能在开关过程中并行工作的接线模式。

2.2 变压器的参数计算及短路点的确定

2.2.1 变压器参数的计算

基准值的选取：Sb=100MVA,Ub取各侧平均额定电压。

主变压器参数计算：

电抗标幺值：

站用变压器参数计算：

系统等值电抗：

2.2.2 短路点的确定

在本变电站的设计中，存在4种不同的电压等级，在选择的短路点中，110kV 进线的短路与变压器高压端的短路电流相同，所以，在这样的电压等级下，只需选择一个短路点，其余三个电压等级均需选择一个短路点。根据该变电所的主接线形式、设备参数及短路点的选取，确定了其配电网的等值线图（如图3所示）。

图3 配电网的等值线图

3 无功补偿设计

为了保障电网的电力品质，确保电力供应的安全性，无功功率与有功功率同样重要。根据有关资料，在电网中，消费者每年消费的无功功率为其所消费的50%～100%。此外，电网中还有大量的无功损失，在电网中及在电网中所耗费的无功可分别占全部无功的75%和25%。所以，在整个电网中，各种类型的无功电源必须提供相当于全部有功的1到2倍的无功。从无功的静止特征可以看出，与电压相比，有功对电压的影响要比无功对电压的影响大得多，基本上，只有充足的无功供给才能保证电网的整体电压。由于无功功率的缺乏，使输电线路的电压下降，输电装置无法发挥其应有的功率，造成了电力损耗的增加，因此有必要对其进行无功补偿。

电力系统中的无功功率控制原理及技术。电力系统中的无功功率控制原理：按照《电力系统规范》要求[3]，电网负荷为10%～20%；按照等级补偿的原理，即用变压器的无功损失减去线路上的电量来决定其无功补偿的能力：10kV、110kV 的电压不得小于额定的电压；当负载较小时（按2%～30%的主变压器容量），因受线缆充电的作用，其所充的电量几乎被补偿的电量所抵消。

电力系统中的无功功率补偿技术：无论在任何情况下还是在发生故障的情况下，电网中的无功功率和无功负载都应该执行分层分区，就地平衡的原理。同时，无功电源还必须具备灵活性的调整功能，以及一些检修备用的功能；在常规工作状态下，当某条线路或某一最大容量的无功补偿装置或者某一最大功率的机组（含失磁），在此情况下，系统中的无功功率应急储备的容量模式和分配模式，应该能够保证电压的稳定性和正常的电力供应，防止电压坍塌：在常规维修模式下，如果遇到这种情况，可以通过切断一些负载或者并联电抗器来保证电压的稳定性；在110kV 及以后的电网中，必须充分发挥改善电网稳定功能的功能。

4 结论

准确把握变电站电气设计的要点，注重主接线设计和无功补偿设计，是确保电力系统高效、稳定供电的关键。通过优化设计和技术的应用，可以提高变电站的运行效率和可靠性，满足不断增长的电力需求。综上所述，变电站电气设计的关键要点包括主接线设计和无功补偿设计，合理运用这些要点可以确保变电站高效运行和可靠供电。