剖析我國變電站設計趨勢

1、引言 

我國電力建設經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，系統容量越來(lái)越大，短路電流不斷增大，對電氣設備、系統內大量信息的實(shí)時(shí)性等要求越來(lái)越高;而隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，制造、材料行業(yè)，尤其是計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展，電力系統的變電技術(shù)也有了新的奔騰，我國變電站設計出現了一些新的趨勢。

2、變電站接線(xiàn)方案趨于簡(jiǎn)單

隨著(zhù)制造廠(chǎng)生產(chǎn)的電氣設備質(zhì)量的進(jìn)步以及電網(wǎng)可靠性的增加，變電站接線(xiàn)簡(jiǎn)化趨于可能。例如，斷路器是變電站的主要電氣設備，其制造技術(shù)近年來(lái)有了較大發(fā)展，可靠性大為進(jìn)步，檢驗時(shí)間少。特別國外一些著(zhù)名廠(chǎng)家生產(chǎn)的超高壓斷路器均可達到20年不大修，更換部件費時(shí)很短。為了進(jìn)一步控制工程造價(jià)，進(jìn)步經(jīng)濟效益，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家反復論證，我國少數變電站設計已逐漸采用一些新的更為簡(jiǎn)單的接線(xiàn)方案。 頻譜分析儀| 電池測試儀| 相序表| 萬(wàn)用表| 功率計| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器

簡(jiǎn)化接線(xiàn)方案集中在這些方面：我國500 kV 330 kV電壓等級的接線(xiàn)較多采用3/2斷路器接線(xiàn)，但現在有些設計院提出，根據工程情況，可采用3/2斷路器變壓器-母線(xiàn)組接線(xiàn)，可靠性與3/2斷路器接線(xiàn)基本相同，卻可以降低投資。目前在四川二灘水電站的500 kV接線(xiàn)中有一串采用3/2斷路器接線(xiàn)方式，其他串為3/2斷路器接線(xiàn)。在國外某些地區，500 k V電壓等級廣泛采用雙重連接方式接線(xiàn)，即3/2及3/2斷路器接線(xiàn)，但第1 ,2組主變經(jīng)過(guò)隔離開(kāi)關(guān)分別接至兩組母線(xiàn)，如有第3 ,4組主變則接進(jìn)串內，出線(xiàn)回路多時(shí)，采用3/2和3/2斷路器串，這樣可以節約大量投資。另外，國內一些變電站3/2斷路器接線(xiàn)中，設計不考慮裝設線(xiàn)路側隔離開(kāi)關(guān)。近期國內新建的很多變電站220 k V及110kV電壓等級的接線(xiàn)采用雙母線(xiàn)而不帶旁路母線(xiàn)。采用GIS的情況下，優(yōu)先采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)。終端變電站中，盡量采用線(xiàn)路變壓器組接線(xiàn)等。

3、大量采用新的電氣一次設備

近年來(lái)電氣一次設備制造有了較大發(fā)展，大量高性能、新型設備不斷出現，設備趨于無(wú)油化，采用SF6氣體盡緣的設備價(jià)格不斷下降，伴隨著(zhù)國產(chǎn)GIS向高電壓、大容量、三相共箱體方面發(fā)展，性能不斷完善，應用面不斷擴大，很多城網(wǎng)建設工程、用戶(hù)工程都考慮采用GIS配電裝置。變電站設計的電氣設備檔次不斷進(jìn)步，配電裝置也從傳統的形式走向無(wú)油化、真空開(kāi)關(guān)、SF6開(kāi)關(guān)和機、電組合一體化的小型設備發(fā)展。近年來(lái)世界各國著(zhù)名的高壓電氣設備公司都相繼開(kāi)發(fā)、研制了各種類(lèi)型的145-550 kV戶(hù)外高壓和超高壓組合電器，國內一些高壓開(kāi)關(guān)廠(chǎng)也已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)145 k V戶(hù)外緊湊型組合電器。目前145 k V戶(hù)外緊湊型組合電器主要產(chǎn)品有compass 、compact 、MCI等。compass在我國已得到廣泛應用，有代表性的是2000年4月投產(chǎn)的江陰市南閘110 kV變電站。戶(hù)外插接式智能型組合電器是一種功能更完備的高壓和超高壓開(kāi)關(guān)系統，它內含電氣一次、二次設備，以及相關(guān)連的插接式復合光纜等。戶(hù)外插接式智能型組合電器在國外稱(chēng)為PASS(Plug and Switch System)，西方一些國家已經(jīng)開(kāi)始采用，國家電力公司正在積極地推廣該系列產(chǎn)品，并在500 kV變電站進(jìn)行產(chǎn)業(yè)性應用試驗。

這些戶(hù)外高壓和超高壓組合電器共同特點(diǎn)是以SF6斷路器為核心，與其它高壓電氣設備進(jìn)行組合，形式繁多，從較簡(jiǎn)單的145 k V戶(hù)外斷路器與電流互感器及隔離開(kāi)關(guān)組合在一起的小車(chē)式組合電器，到550 kV戶(hù)外設備本體(包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)與接地開(kāi)關(guān)、光電式電流電壓互感器等設備的組合)，通過(guò)插接式復合光纜，與就地布置的控制保護智能柜連接在一起的完整超高壓開(kāi)關(guān)系統。這些設備運行可靠性高、節省占地面積和空間、施工安裝簡(jiǎn)單、運行維護方便，價(jià)格介于常規電氣設備與GIS之間，是電氣設備今后發(fā)展的一個(gè)方向，符合我國目前的國情和技術(shù)發(fā)展方向。

4、變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)新動(dòng)向

變電站綜合自動(dòng)化系統近幾年一直是電力建設的一個(gè)熱門(mén)。無(wú)論國內國外，還是從治理方、運行方及設計單位對于變電站實(shí)現綜合自動(dòng)化均取得了共叫。伴隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動(dòng)化也采用了新的技術(shù)，其技術(shù)動(dòng)向主要集中在以下兩個(gè)方面。

4.1 全分散式變電站自動(dòng)化系統

新型的全分散式變電站自動(dòng)化系統，設計思想上實(shí)現了變電站二次系統由“面向功能”設計向“面向對象”設計的重要轉變。系統不再單純考慮某一個(gè)量，而是為某一設備配置完備的保護、監控和丈量功能裝置，以完成特定的功能，從而并保證了系統的分布式開(kāi)放性。其特點(diǎn)是各現場(chǎng)輸進(jìn)輸出單元部件分別安裝在中低壓開(kāi)關(guān)柜或高壓一次設備四周，現場(chǎng)單元部件可以是保護、監控和丈量功能的集成裝置，亦可以是現場(chǎng)的保護、監控和丈量部件分別保持其獨立性。變電站遠測遠信采集及處理、遠控命令執行和繼電保護功能等均由現場(chǎng)單元部件獨立完成，并將這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )送至后臺主計算機。

采用全分散式系統結構后，變電站內將不再具有規模龐大的測控屏以及大量連接信號源和測控屏之間的銅芯電纜，全部測控裝置下放在就地，而在控制室，取而代之的是一個(gè)計算機顯示器甚至僅為一臺臨時(shí)監視、操縱使用的便攜機。

根據各變電站實(shí)際情況，現場(chǎng)單元有安裝在現場(chǎng)戶(hù)內開(kāi)關(guān)室內的，亦有安裝在戶(hù)外開(kāi)關(guān)四周小室或露天封閉箱內的，環(huán)境條件較控制室內嚴重。因此要保證現場(chǎng)單元在現場(chǎng)條件下安全穩定的運行，除對現場(chǎng)單元本身提出要求外，設計上還應考慮對現場(chǎng)溫度、濕度、電磁感應、雷電流、開(kāi)關(guān)開(kāi)合時(shí)振動(dòng)影響(如接點(diǎn)抖動(dòng)，連接松動(dòng)等)采取相應的措施。目前，國內2000年11月正式投運一個(gè)220kV全下放變電站丹東新興站，220kV配電裝置采用就地間隔簡(jiǎn)易保護小室，66 k V配電裝置采用就地下放式保護與控制柜。

從技術(shù)發(fā)展的趨勢看，將來(lái)的測控設備還將和一次設備完全融合，即實(shí)現所謂的智能一次設備，每個(gè)對象均含有保護、監控、計費、操縱、閉鎖等一系列功能及信息庫，面向外界的僅是一個(gè)通訊口，采用全分散式變電站自動(dòng)化系統將是必然的結果。

4.2 引進(jìn)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

通訊網(wǎng)絡(luò )是綜合自動(dòng)化變電站與常規站的最明顯的區別之一，只有采用通訊網(wǎng)絡(luò )，才可能節省大量電纜。因此必須保證通訊網(wǎng)絡(luò )安全、可靠，傳輸速度滿(mǎn)足變電站綜合自動(dòng)化系統的要求。全分散式變電站自動(dòng)化系統的實(shí)現尤其依托于如今發(fā)展很快的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。引進(jìn)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)使得自動(dòng)化系統的實(shí)現更加簡(jiǎn)單，性能也大大優(yōu)于以往的系統，并可解決以往系統中鏈路信息傳輸的實(shí)時(shí)性題目，以及信號傳輸的容量題目。

這主要集中在現場(chǎng)單元和通訊單元之間引進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。由于分散式系統的推出，成百個(gè)CPU將在變電站之內運行。傳統變電站自動(dòng)化系統中常用的串行通訊接口RS－232 , RS－422/485雖有接口標準化、規范化和多數智能單元IED接口方便的優(yōu)點(diǎn)，但不足之處是RS－232通訊有效間隔短，而RS－485總線(xiàn)為主從結構，主接點(diǎn)工作繁忙時(shí)，影響系統性能。而現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)不僅具有高速(達1 MHz及以上)傳輸特征，并且具備“多路偵聽(tīng)，自動(dòng)上送”的功能，解決了多CPU系統的信息傳輸及突發(fā)事件優(yōu)先傳輸的題目。目前的現場(chǎng)總線(xiàn)種類(lèi)很多，在我國電力系統自動(dòng)化應用中，隨生產(chǎn)廠(chǎng)不同而不同。四方公司開(kāi)發(fā)的第三代微機保護裝置引進(jìn)了美國Echelon公司推出的Lonworks網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它非常適合于總線(xiàn)型結構，網(wǎng)絡(luò )功能極強。此外，其它一些公司引進(jìn)開(kāi)發(fā)的用于變電站綜合自動(dòng)化控制的還有現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )(簡(jiǎn)稱(chēng)F瑪開(kāi)發(fā)的FF現場(chǎng)總線(xiàn)標準、德國B(niǎo)osch公司推出的CAN總線(xiàn)標準等，這些都屬于連接變電站智能化設備與自動(dòng)控制系統的全數字化、多變量、雙向、多點(diǎn)、多站的通訊網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。近期以太網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使以太網(wǎng)成為使用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，其做為產(chǎn)業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )已開(kāi)始得到應用。以太網(wǎng)的傳輸速度有10Mbps ,100Mbps ,1000Mbps系統，變電站綜合自動(dòng)化系統測控網(wǎng)絡(luò )假如采用總線(xiàn)型結構的以太網(wǎng)技術(shù)，能發(fā)揮以太網(wǎng)傳輸速度快的上風(fēng)，通訊帶寬大幅進(jìn)步，通訊狀況大為改善，可靠性進(jìn)步。根據國際上對變電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展趨勢及近年來(lái)IEC制定的關(guān)于變電站二次設備信息接口的配套標準，結合我國的實(shí)際情況，變電站自動(dòng)化系統采用總線(xiàn)型以太網(wǎng)會(huì )越來(lái)越多。

5、變電站占地及建筑面積減少

變電站接線(xiàn)方案的簡(jiǎn)化，組合電器、管母線(xiàn)及鋼支架等的采用，使變電站布置更為簡(jiǎn)單，取消站前區和優(yōu)化布置使變電站占地大幅度下降。占有關(guān)資料先容，采用GIS的配電裝置和敞開(kāi)式配電裝置相比可節省占地80%以上。采用PASS的配電裝置和敞開(kāi)式配電裝置相比可節省占地40%-60%。即使同樣敞開(kāi)式配電裝置，由于簡(jiǎn)化接線(xiàn)(比如取消旁路母線(xiàn)等)也會(huì )減少變電站占地面積。

隨著(zhù)經(jīng)濟和城市建設的發(fā)展，市區的用電負荷增長(cháng)迅速，而城市土地十分寶貴，地價(jià)越來(lái)越昂貴。新建的城市變電站必須符合城市的形象及環(huán)保等要求，追求綜合經(jīng)濟、社會(huì )效益，所以建設形式多采用地面全戶(hù)內型或地下等布置形式，占地面積有效減少。有數據統計表明全戶(hù)內型變電站一般用地僅為同類(lèi)型、同規模戶(hù)外常規站的25%左右。我國一些大城市已明確提出對主城區的終端220 k V站110 kV站、35 k V站必須采用全戶(hù)內型，對于邊沿城區有條件的也要采用全戶(hù)內型。

分散式變電站自動(dòng)化系統的采用，電纜大量減少，主控樓在活動(dòng)地板下敷設電纜，取消電纜夾層，主控樓建筑面積減少。另外，針對一些110 kV及以下變電站實(shí)現無(wú)人值班，設計中取消了與運行職員有關(guān)的建筑和設施，建筑面積更是大為減少。

6、結語(yǔ)

配合我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，搞好電網(wǎng)建設尤為重要。其中，變電站設計是電網(wǎng)建設的一個(gè)重要環(huán)節。研究和分析國內外變電站技術(shù)的發(fā)展，把握其趨勢，對變電站設計是很有必要的。