摘 要
在电力系统中，变电站是其非常重要的一个环节。变电站一旦发生故障，将会直接威胁到整个电网的安全运行，给社会生产生活造成巨大的影响。由此可见，变电站的设计性能是非常重要的。基于此，本文就针对发电厂10KV/110KV升压变电站电气一次系统进行了设计分析。文章首先对变电站的定义及分类进行了简要介绍，然后详细分析了发电厂变电站一次系统设计的依据和原则、发电厂的电网现状以及发电厂升压变电站变压器的选型。最后具体论述了发电厂10KV/110KV升压变电站电气一次系统设计，主要包括电器主接线设计、短路电流及设备选择、绝缘配合及电压保护、站用电及照明设计及防雷接地设计等五个部分。
关键词：110KV；变电站；一次系统设计
进入二十一世纪以来，随着我国国民经济的不断发展，我国的电力工业也逐步跨入了世界先进水平的行列，而变电站属于生产工艺系统严密、施工难度较大的工业建筑，电力工业的发展和变电站的建立促使变电站建筑结构和设计不断地改进和发展。同时更为重要的是变电站电气设计结构的改进、新型建材的采用及人才队伍素质的提高，使发电厂电气设计水平也随之不断提高。在电气系统的设计中，其主接线是发电厂变电站的主要环节，电气主接线的拟定直接关系着全所电气设备的选择、配电装置的布置、继电保护和自动装置的确定，是变电站电气部分投资大小的决定性因素。
此外，随着变电站综合自动化技术的不断发展与进步，变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，继而实现“无人值守”变电站已成为电力系统新的发展方向和趋势。因此为了适应我国国民经济的快速增长，需要密切结合我国的实际条件，对电力系统进行综合分析，需要设计出一系列的符合我国各个地区的用以供电的变电站，用以协调各专业系统和各阶段有关的各项工作，以求取得最佳技术经济的综合效益。为此笔者以发电厂10KV/110KV升压变电站电气一次系统设计作为研究课题进行分析。
变电站主要是把一些设备组装起来，用以切断、接通或者改变、调整电压。在电力系统中，变电站是联系发电厂和用户的中间环节，起着变换和分配电能的作用，是进行电压变换以及电能接受和分配的场所。
1、根据变电站的性质可分为升压和降压变电站
（1）所谓的升压变电站，就是把发电厂发出的电能进行升压处理，用以方便大功率和远距离的输送。
（2）而降压变电站，就是对电力系统的高电压进行降压处理，以便电气设备的使用。
2、变电所根据变电站在系统中的地位，可分为枢纽变电站、区域变电站以及用户变电站等三类。
（1）枢纽变电所。枢纽变电所是电压为330～500KV的变电所，位于电力系统的枢纽点，汇集多个电源，主要用于连接电力系统高压和中压的几个部分。如果枢纽变电所停电的话将会引起系统解列，甚至出现瘫痪的情况。
（2）中间变电所。高压侧主要起到系统交换功率的作用，或者使长距离输电线路分段，一般汇集2～3个电源，电压为220～330KV，同时又降压供当地用电，这样的变电所起中间环节的作用，所以叫中间变电所。如果中间变电所停电的话，将会导致区域电网解列。
（3）地区变电所。高压侧一般为110～220KV，向地区用户供电为主的变电所，这是一个地区或城市的主要变电所。全所停电后，仅使该地区中供电停电。
（4）终端变电所。终端变电所高压侧电压为110KV，在输电线路的终端，接近负荷点，经过降压以后直接向用户供电。终端变电所停电以后，只是用户受到损失。
2.发电厂10KV/110KV升压变电站电气一次系统设计分析
（1）设计依据
1)国家相关的政策、法规和规章
国家电网公司“两型一化”变电站建设设计导则
《国网通用设计110 (66)-500kV变电站(2011年版)》
《国家电网公司输变电工程通用设备(2011年版)》
2)工程设计规程、规范
《变电所总布置设计技术规程》(DL/T 5056-2007)
《3~110kV高压配电装置设计规范》(GB 50060-2008)
《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)
《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2000)
《电力工程直流系统设计技术规程》(DL/T5044-2004)
《高压输变电设备的绝缘配合》(GB311.7-1997）
《国家电网公司输变电工程典型设计一110kV变电站分册》
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)
《电力工程电缆设计规范》(GB 50217-2007)
（2）设计原则
发电厂10KV/110KV升压变电站，参照国家电网公司输变电工程通用设计方案，主要依据以下设计原则进行设计：
1)设备选择先进、可靠；电气布置紧凑合理，占地面积少，提高土地利用率。
2) 110kV配电装置选用GIS组合电器，室内二层布置；主变压器选用自冷有载调压变压器，户内布置；10kV配电装置采用户内金属恺装移开式真空开关柜，室内双列布置。
3)根据《国家电网公司输变电工程通用设备(2011版)》，对变电站主要设备技术参数及安装接口进行规范，严格按照配送式变电站标准开展设计。
发电厂内有大型统调发电厂1座，现装机容量2×（350+680）MW。公用热电厂2座，装机总容量48MW。企业自备电厂1座，装机容量为224MW。
目前电网存在的问题：
(1)区域变电站主变容载比偏低，供电能力不能满足区域负荷增长的需求，导致局部电力供应紧张。
(2)区域内以大型企业为主，10KV线路负荷重，线路长，影响了供电可靠性和供电质量。
在发电厂升压变电站中，变压器是其主要电气设备之一，因此需要进行合理的选择，不然就会产生技术经济上的不合理。
变压器台数要依据以下原则选择：
（1）为满足负荷对供电可靠性的要求，根据负荷等级确定变压器台数，对具有大量一、二级负荷或只布大量二级负荷，适合采用两台及以上变压器，当一台变压器发生故障或者需要检修时，另一台变压器仍然可以正常的工作。
（2）负荷容最大而集中时，迅然负荷只为三级负荷，可以采用两台及以上变压器。
（3）对于季节负荷或昼夜负荷变化比较大时，从供电的经济性角度考虑，为了方便、灵活地投切变压器，也可以选择两台变压器。
为了保证供电可靠性，避免一台主变压器发生故障或者遭遇检修时影响到正常供电，变电站中一般需要安装两台主变压器。当安装三台及三台以上时，变电站的可靠性里然会有所提高，但由此带来的投资也会变大，接线网络较复杂，同时增大了占用面积和配电设备及用电保护的复杂性，以及带来维护和倒闹操作等许多复杂化。与此同时，还会造成中压侧短路容量过大，不适合选择轻型设备。考虑到两台主变压器同时发生故障的机率比较小，适用远期负荷的增长以及扩建，而当一台主变压器故障或者检修时，另一台主变压器可承担70%的负荷保证全变电站的正常供电。考虑到该变电站为一重要中间变电站，与系统联系紧密，故选用两台主变压器，并列运行且容量相等。
选择主变压器容量时，必须考虑到满足电网中各种可能的运行方式时的最大负荷的需要，并且要考虑到负荷的发展规划，使所选变压器容量切合实际的需要。如果主变压器容量选的过大且台数过多，那么不仅会扩大占地面积、增加投资，而且还会增加损耗，给运行和检修带来不便，进而使得设备也不能够充分发挥效益；如果容量选得过小，可能会使变压器长期在过负荷中运行，进而影响到主变压器的寿命和电力系统的稳定性。因此，确定合理的变压器的容量是变电站安全可靠供电和网络经济运行的保证。
根据变电站所带负荷的性质和电网结构来确定主变的容量，对于有重要负荷的变电站，应该考虑到当一台主变压器停运时，其余变压器容量在计及过负荷能力的允许时间内，应该保证用户的一级和二级负荷，对于一般的变电站而言，当一台主变压器变停运时，其他变电器容量应该可以保证全部负荷的70%-80%。所以，这里应该选择两台容量略小于最大计算负荷的变压器。
具有两种电压等级的变电站中，如果通过主变压器各侧绕组的功率都没有达到该变压器容量的15%以上，或者低压侧虽然没有负荷，但在变电站内需要安装无功补偿设备时，主变压器采用三绕组。而有载调压较容易稳定电压，减少电压波动所以选择有载调压方式，且规程上规定对电力系统一般要求10kV及以下变电站采用一级存载调压变压器。所以发电厂10KV/110KV升压变电站主变压器选用存载三圈变压器。我国110kV及以上电压变压器绕组都采用Y连接；35kV以下电压变压器绕组都采用
连接。
根据以上结论可以选择主变压器参数如下所示：
选择型号为：SFSZ9-50000/110
额定电压：高压 110土8×1.25%kV，低压10.5kV
阻抗电压%：高—低：17%
连接组标号：YN，yn0，d11
空载电流：1.3%
电气主接线设计的要求需要满足以下几点：以下达的设计任务书为依据，根据国家现行的“安全可靠、经济适用、符合国情”的电力建设与发展的方针，严格按照技术规定和标准，结合工程实际的具体特点，准确地掌握原始资料，保证设计方案的可靠性、灵活性和经济性。
电气主接线是根据电力系统和变电站具体条件确定的，它以电源和出线为主体，在进出线路多时(一般超过四回)为便于电能的汇集和分配，常设置母线作为中间环节，使接线简单清晰、运行方便，有利于安装和扩建。在电压等级出线超过四回时，宜采用有母线连接。随着电力系统的发展、调度自动化水平的提高及新设备新技术的广泛应用，变电站电气主接线形式亦有了很大变化。目前常用的主接线形式有：单母线、单母线分段、单母线分段带旁路、双母线、双母线分段带旁路、1个半断路器接线、桥形接线及线路变压器组接线等。
（1）110KV主接线设计
由于变电站主要是为了区域内电力系统的发展和负荷增长而拟建的。那么其负荷为地区性负荷。110kV~220kV出线数目为5回及以上或者在系统中居重要地位，出线数目为4回及以上的配电装置，在采用单母线分段或双母线接线的10kV~110kV系统中，当不允许停电检修断路器时，可以设置旁路母线。
根据以上分析，110kV有4回出线，另有2回备用，并带有重要负荷保留下面两种可能接线方案，如图3-1和图3-2所示。
图3-1 单母线分段带旁路母线接线
图3-2 双母线带旁路母线接线
对图3-1及图3-2所示方案I、II综合比较，见表3-1所示。
表3-1 110kV主接线方案比较表
项目 方案 | 方案I | 方案II |
技术 | ①简单清晰、便于操作、方便发展 ②可靠性以及灵活性差 ③旁路断路器还可以代替出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要的用户供电 | ①运行可靠、运行方式灵活、便于事故处理、易扩建 ②母联断路器可代替需检修的出线断路器工作 ③倒闸操作复杂，容易误操作 |
经济 | ①设备少、投资小 ②用母线分段断路器兼作旁路断路器节省投资 | ①占地大、设备多、投资大 ②母联断路器兼作旁路断路器节省投资 |
从技术上来看，第II种方案明显合理，但是从经济上来看，方案I比较占优势。鉴于发电厂变电站为地区变电站，应该具备非常高的可靠性和灵活性，本文选取第II种方案为设计的最终方案。
（2）10KV主接线设计
10kv因为只用来做无功补偿装置使用，所以可以采用单母线分段接线的方式，接线形式如下图3-3所示。
图3-3 单母线分段接线
（1）短路电流计算
根据系统规划，发电厂变电站在系统运行最大方式下，10kV 侧分别按变压器并列和分列运行计算，当选用普通阻抗(Ud12%=10.5，Ud23%=6.5，Ud13%=17.5)变压器时，变电站各级电压母线上三相短路容量、短路电流、冲击电流计算值如表3-2所示（其中：基准容量SB=100MVA，基准电压UB=Up）：
表3-2 短路电流计算结果
短路点位置 | 母线阻抗（标幺值) | 短路容量(MVA) | 短路电流(kA) | 冲击电流(kA) |
110kV 侧（三相） | 0.09 | 1212.25 | 6.087 | 15.53 |
10kV 侧（分列） | 0.34 | 307.71 | 16.93 | 43.16 |
10kV 侧（并列） | 0.26 | 388.37 | 21.36 | 54.47 |
根据以上计算结果，10kV侧采用并列或分列运行方式。设备的短路电流取值如下：110kV电压等级为40kA；10kV电压等级为主变及分段31.5kA，出线：25kA。
（2）设备选择
110kV电气设备选用SF6封闭式组合电器，户内布置，断路器操动机构选用弹簧机构。其断路器额定电流为2000A，额定开断电流为40kA，三相共箱。组合电器内互感器采用常规电磁式互感器，配置合并单元，输出数字信号至110kV智能装置。合并单元主要靠近一次设备安装，用来实现一次设备电压、电流和开关信号的数据同步采集、传输以及控制命令的直行。不同的合并单元之间通过基于GPS的全网同步时钟模块实现数据采集，并按IEC61850标准实现数据与信息的交互。
10kV电气设备：采用手车式金属封闭开关柜，柜中断路器选用真空断路器，母线额定电流按3150A考虑。柜内互感器采用常规电磁式互感器。为支持顺序控制，采用手车试验、运行位置可电动操作的开关柜。
（1）电气设备的绝缘配合
电气设备的绝缘配合，参考 DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》确定的原则进行。氧化锌避雷器按国标 GB11032-2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》及 DL/T804-2002《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》选型。
（2）雷电侵入波过电压保护
110kV、10kV 配电装置雷过电压保护。按照 DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中要求：“66kV 及以上进线无电缆段的 GIS变电站，在 GIS 管道与架空线路的连接处，应装设金属氧化物避雷器，其接地端应与管道金属外壳连接。”根据此规定并限于本工程布置形式，在 110kV GIS 进线侧配置1组三相氧化锌避雷器。该避雷器与主变压器的距离不超过130米。10kV开关柜每组母线配置1组三相氧化锌避雷器。每一出线回路，在断路器的非电源侧配置避雷器。三绕组变压器的低压绕组如有可能开路运行时，应在低压绕组的三相出线上安装避雷器，本工程在变压器中、低压绕组出线上各安装一组避雷器。 主变压器中性点有可能不接地运行，应该装设避雷器和/或保护间隙。
变电站用电系统设置三台容量为700kVA 接地变兼站用变压器，每台变压器按全站计算负荷选择，接线采用 Dyn11 联结组别、干式变压器。本期上两台，站用变压器高压侧经开关柜接入 10kV I、II 段母线，由站用变压器低压侧提供供电回路。正常工作时，三台站用变压器同时运行，但低压侧不得并列，分段开关断开。
任一台工作站用变压器故障、退出或检修时可合上分段开关，此时一台站用变压器带全部负荷。交流站用电系统为 380/220V 中性点接地系统。为提高供电可靠性，站用电系统采用单母线分段接线，每台站用变各带一段母线，同时分列运行。重要回路为双回路供电，全容量备用。
工作照明网络采用交流380/220V 三相五线制，中性点直接接地系统，照明灯具工作电压 220V，电源由站用电屏引出。
本站的设计均是按第二类防雷建筑的标准来进行设计的，按照国标国集《建筑物防雷设施安装》，避雷带选用Φ10mm热镀锌圆钢，沿站内女儿墙、屋脊或屋面敷设；避雷带支架选用-25m×4m热镀锌扁钢，支架之间的间距为1.0m，转弯处间距为0.5m，在墙的交界处，利用结构柱体内的钢筋作防雷引下线；所有用作引下线的结构柱柱顶预埋钢板应与屋面避雷带做可靠的电气焊接，所有引下线端应与接地装置可靠连接；防雷接地设施之间的各个连接处应该保证可靠焊接，保持电气通路的良好性。
本站接地以水平接地体为主，垂直接地体为辅构成复合接地网。主接地网采用不等距网格布置，接地干线采用接地铜排，室内设备接地支线采用接地扁钢，采用离子接地极的方案进行降阻处理。
综上所述，本文通过整理相关的文献资料，遵循国家现行的标准规范，对发电厂10KV/110KV升压变电站电气一次系统进行了设计分析。本文首先对系统的设计依据和原则、发电厂的电网现状进行了简要分析，然后具体分析了发电厂升压变电站变压器的选型，最后分别对变电站的电器主接线设计、短路电流及设备选择、绝缘配合及电压保护、站用电及照明设计及防雷接地设计进行了具体的论述。
