全地下变电站电气设计应注意的问题

随着我国经济的快速发展，城区人口密集度越来越高，用电负荷迅速增长，电源供应相对不足，需要建设更多深入市区的变电站，而城区土地资源的稀缺性不允许变电站占用大量土地，且环保及景观协调方面极为严格的要求使变电站站址越来越难以落实。因此，建设与高层建筑相结合的变电站或半地下、全地下变电站是今后城区变电站设计的发展趋势。本文以110kV 变电站的工程实例探讨了全地下变电站电气设计中的一些问题。
　　1电气主接线
　　沿袭以往在城郊建设变电站，然后利用10kV 或35kV 输电线路向城区供电的模式在电力负荷大幅增长的今天已不能满足要求，采用110kV 供电已成为大中城市区域性供电优选方案，即在城区负荷中心建设110kV 变电站，取消35kV 电压等级，直接利用110kV/10kV 降压变向周边用户供电。随着制造厂家电气设备质量的提高以及电网可靠性的要求，变电站的规模及接线应在满足电网需求的情况下尽可能减化。
　　通常按城市变电站在系统中的地位、规划容量、线路和变压器连接元件总数等条件来确定主接线方案。若建设终端变电站，110kV 配电装置可考虑采用线路变压器组接线。按终期3×50MVA 主变考虑。10kV 侧按单母线四分段，每段母线带12 ～ 13 回出线。若建设枢纽变电站，110kV 出线终期可按4 ～ 6 回来考虑，单母线分段接线，主变容量按终期4x50MVA 设置，10kV 侧按单母线四分段，每段母线带13 ～ 14 回出线，或10kV 侧按单母线八分段环形接线考虑，每段母线约带7 回馈线。#2、#3 主变10kV 侧可交叉供电，以保证供电可靠性。在10kV 分段开关处装设备自投装置，保证在单回110kV 线路或单台变压器运行时的可靠供电。
　　地下变电站的土建部分多为一次建成，扩建较困难。项目前期工作论证要充分，规划时应充分考虑远期负荷的发展并留有一定余地，从而确定变电所的终期建设规模，选定电气设备布置方案。
　　2主要电气设备选择
　　全地下变电站一般设置在人口稠密地区，用地紧张，变电所占地面积很小;而用户对供电安全性、可靠性、电能质量及城市环境保护等方面的要求越来越高，特别是对防火、防爆、防污染以及降噪声等问题加倍关注。所以在电气设备选择需注意以下三个方面：
　　(1) 设备选型宜小型化，可减少占地面积，使整体布置趋于紧凑合理。
　　(2) 全站设备无油化，包括主变压器可考虑采用SF6 气体绝缘变压器(GIT)。这样全站无易燃、易爆物，既能简化消防系统，又可将火灾的影响局限在地下，而不致影响到地面。
　　(3) 设备制造水平高，技术成熟，检修率和维护量要小，使停电机会大大减少。
　　2.1主变压器
　　主变压器是变电站内最主要的电气设备，普通的油浸式变压器本体铁心产生的低频噪声传播较远且难以消除，一旦因故障着火，将对人身财产安全构成严重的威胁。SF6 气体绝缘变压器(Gas2 Insulated Transformer，GIT) 以其独有的优势受到了人们的关注。与传统油浸式变压器相比，它有以下优点：
　　(1) 绝缘性能和冷却效果好。由于SF6 的负电性( 即吸附电子的能力)，使其具有极好的介电绝缘性能。同时SF6 在熄灭电弧和瞬时放电的温度范围(1500 ～ 5000K) 有着优异的热交换特性。因此，GIT 有着很好的绝缘性能和冷却效果。
　　(2) 不易燃易爆。SF6 气体属于惰性气体，分子结构非常稳定，不易燃;当变压器内部发生电弧时，内部升高的压力会被SF6 气体体积的变化而抵消，防爆性较好。
　　(3) 噪声低。SF6 气体密度比变压器油密度小，声音通传送比较慢，中间铁心发出的声音很少能够传到罐体，这样，GIT 产生的噪声比油浸式变压器的要小。特别适合在繁华的商业中心和人口密集的居民区使用。
　　(4) 安装方便，且易于维护检修。GIT 在出厂时已完整组装，SF6 气体已注入其中，使得安装过程简化，同时，由于SF6气体在冷却管中压力降很小，这样散热器可以水平安装或脱离变压器垂直安装，同样的环境下，SF6 气体比油浸式变压器的变压油消耗慢得多。GIT 使用真空有载调压开关，无需带电滤油器，相应减少了油枕和压力-释放设备，设备外型简洁，对站内平面布置及今后维护运行带来了方便。GIT 的缺点在于价格昂贵，生产厂家较少。目前110kV 及以上电压等级的GIT 几乎全部为进口设备，生产及供货周期较长。此外，SF6 气体不含氧气，如发生泄漏会有窒息作用，在高温作用下会分解一些低氟化合物，这些分解物会进一步反应组合成其它有毒物质。变压器室内需采取有效通风措施，将SF6 气体浓度限制在1000μg/L 之内，且应安装SF6 泄漏仪和氧气含量监测装置。综上所述，虽然GIT 价格约为同等容量油浸变压器价格的215 倍，但其在技术上已比较成熟，维护检修机会极少，电气故障率极低，没有火灾隐患，是一种比较理想的变电设备。全地下变电站设计时宜优先选择GIT。
　　全地下变电站靠近负荷中心，设备选型时应尽量提高主变压器容量。考虑到10kV 开关柜的容量一般为3150A，最大不超过4000A，主变压器容量取50MVA 为宜。此外，容量小于60MVA 的GIT，其热损耗较小，一般采用SF6 气体循环冷却的散热方式，运行维护也较方便。

　　110kV 配电装置采用SF6 气体绝缘全封闭组合电器(GIS)。GIS 占地面积少，同等规模下设备所占土地只有常规设备的15% ～ 35%;元件全封闭，不受环境干扰;可靠性高，运行方便，检修周期长，维护工作量少;安装迅速，运行费用低。我国自70 年代初开始制造及使用GIS，目前发展迅速，在设备制造及运行维护方面有丰富的经验，可考虑选择国产或合资厂设备。
　　2.3110kV 配电装置
　　10kV 高压开关柜可选用中置式手车柜，内置10kV 真空断路器或SF6 断路器。10kV 无功补偿装置宜选用干式成套电容器装置( 选择时需注意大部分干式电容器尚处于试运行阶段，日常运行维护经验尚有不足)，串联电抗器宜选用体积较小、漏磁较小的铁芯电抗器。也可选择油绝缘产品，但布置时需注意相应增加防火分区数量。10kV 接地变及站用变均可选择干式，可考虑接地变与站用变合用，以减少设备布置区域。
　　3电气布置
　　本文以110kV 枢纽变电站为例介绍110kV 全地下变电站的电气布置。其建设规模为：主变4×50MVA、110kV 进出线4 回、单母线分段接线、10kV 单母线分段环形接线为例。
　　3.1全地下变电站总体布置
　　主体建筑在地下、分为地下一、二、三层，地上局部设有变电所的主进出口、安全疏散口、主变吊装口兼进风口等。地下三层为电缆夹层，设有电缆隧道出口。地下二层为主设备层，设有主变压器室、10kV 接地变间、110kV GIS 室、10kV 开关室、380V 配电室、10kV 所用变室等。地下一层安装主变冷却器、电容器组，布置主控室、附属用房等。地面层设有变电所人员主进出口，变电所安全疏散口，主变吊装口兼进风口，及独立的出风口。
　　3.2设备运输，吊装及通风
　　全地下变电站设计时需统筹设置站外道路、地下通道及垂直通道。变电站大型设备的运输通道在地面可利用已有的道路或规划道路，站内一般只考虑设置一个设备吊装口( 可兼进风口)，以满足主变及GIS 设备的吊装。吊装口设可全部开启的顶盖，用后封闭。
　　(1) 设备运输及吊装主变、GIS 等大型设备运入或吊入站内后，在其各自的运输通道及设备间内设有运输地锚，届时可用牵引机将设备拉入各自的设备间内就位。主变冷却器由主变吊装口吊入所内后，由排风口屋顶设置的单轨电葫芦吊起放在临时搭起的与地下一层地面等高的货架上，由冷却器间的小门送入各冷却器间，冷却器间屋顶各设有一排吊钩，以便检修、安装冷却器时使用。
　　(2) 通风。全地下站通风系统关系到变电站的安全可靠运行。一般采用自然进风、机械排风系统，进风从进风口经运输通道和走廊墙上的进风口进入各设备间，排风由风机经排风管道分别送至地上排风口排出。主变散热器间设轴流风机散热，电容器室、所用变室的散热及排风共用一套风机装置，排风量取二者间较大值。110kV GIS 室、10kV 配电室、主控室、电缆夹层分设事故排烟系统。GIS 室及主变室还应设SF6 气体排散装置，其出风口分设房间顶部和地面( 尽量靠近地面)。
　　4过电压保护及接地
　　城市地下及半地下变电站的110kV 进出线通常为全电缆进线，在电源侧设置防雷电侵入波过电压保护，110kV 侧不再设置避雷器，仅在10kV 母线设避雷器。全地下变电站主体建筑深入地下近20 米，占地面积较小，西南地区需注意土壤电阻率较高的问题，而在河流地区需考虑土壤对接地体的腐蚀。在土壤电阻率高的地区可考虑设置双层水平接地网，加部分垂直接地极组成的复合环形封闭式电网，此外，可考虑采取一些辅助接地措施，如将地网可与地下站护壁桩主钢筋相连、敷设物理降阻剂、采用高阻地面等。
　　5电气二次部分
　　站内采用综合自动化系统，采用分层分布式的系统结构。鉴于全地下变电站土建施工费用较高，应尽量减少地下空间，在满足运行规程的要求下，应尽量缩减主控制室面积，节省电缆长度。具体内容如下：110kV GIS 采用独立的单元测控装置对各间隔内的断路器、隔离开关、接地隔离开关进行监测和控制，单元测控装置按间隔配置，安装于GIS 室测控单元柜。10kV 采用集保护与测控功能于一体的微机保护装置，分散安装于10kV 开关柜内。10kV 受电断路器、主变中性点接地隔离开关、主变有载调压分接头位置调整采用独立的单元测控装置对被控设备进行监测和控制，单元测控装置在主控室集中组屏。主变保护、110kV 线路保护及10kV 备自投等在主控室集中组屏。保护动作信息，通过以太网与综合自动化系统连接。为实现对所用电系统、消防系统、通风系统、逆变电源系统、10kV 母线电压的监测，配置综合测控装置，该装置在主控室集中组屏。综合自动化系统不设独立的接地网，直接与变电所的地网相联。
　　全地下变电站虽然在地下，但其在运行时变压器、电抗器、轴流风机的噪声仍然会对周围居民产生影响。在设计过程中应采取以下措施降噪：选择比常规设备噪声要低的GIT及GIS 设备，作为主要噪声源的设备应布置在利于隔声且设计有吸声结构的室内。主变压器、电抗器的基础应独立着地( 不与其它建筑结构连接)，以降低固体噪声的传播。
　　在设计过程中注意采取以下措施减少电磁辐射，如选用带金属屏蔽外壳的铁芯电抗器等电磁辐射较小的设备将电磁辐射高的高压设备布置在背向人流密集区的位置增设屏蔽措施等。
　　6结语
　　本文以110kV 全地下变电站电气部分的设计结合工程实际进行了一些介绍，但全地下变电站的设计及建造是一项极其复杂的系统工程，尤其在靠近河流地区，在建设过程中走过的弯路和总结的经验教训都是我们在设计时可以利用的宝贵资源，为电力系统中得到更加广泛的应用。