變電站自動化

1.1題目來源及背景變電站是輸配電系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，它起著電能的匯集和分配等重要作用，對電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行起著舉足輕重的作用。變電站是電力系統(tǒng)的一部分，其功能是變換電壓等級、匯集配送電能，主要包括變壓器、母線、線路開關設備、建筑物及電力系統(tǒng)安全和控制所需的設施。因此，本文的主要工作是設計新建一個110kV的降壓變電站，將杭鋼轉爐廠其中四臺LF爐(1#LF爐、2#LF爐、5#LF爐、6#LF爐)的負荷從總降變分配出去，從而降低總降變供電壓力，并且將四臺LF爐沖擊性負荷分配出去后還可以減少大量的諧波，提高供電質量及其它用戶的供電穩(wěn)定性，降低電氣系統(tǒng)安全隱患，達到安全、經(jīng)濟運行的目的。國內外發(fā)展狀況：隨著我國電力系統(tǒng)逐漸向大電網(wǎng)、超高壓、大容量等的迅速發(fā)展，高壓開關設備在近些年來也都有了很大程度上的發(fā)展，并且不斷向小型化、無油化、免維護(或者少維護)、高可靠性等方向發(fā)展，高耗能的變電設備也在逐步進行淘汰。近幾年來世界上各個國家的著名的電氣設備公司都在相繼研制、開發(fā)了各種類型的高壓或是超高壓型GIS組合電器。隨著GIS氣體封閉式組合電器不斷完善及電力系統(tǒng)的需要，全國各地區(qū)110kV及以上電壓等級的變電站的高壓設備選用GIS組合電器己成為110kV變電站的最主要的發(fā)展趨勢。同時，國內外一些高壓開關生產(chǎn)廠也己經(jīng)可以生產(chǎn)110kV戶外緊湊型組合電器。目前，國外廣泛采用的110kV緊湊型組合電器的主要產(chǎn)品有COMPASS,COMPACT,MCI等，其中，COMPASS在我國己得到了廣泛的應用。戶外插接式智能型組合電器則是一種功能更加完備的高壓開關，它包含一次、二次設備以及相關的插接式復合光纜等。戶外插接式智能型組合電器在國外被稱為PASS(PlugandSwitchSystem)，例如美國ABB公司從1969年就開始提供GIS,90年代初期，ABB公司在總結和吸收了世界各國己投入運行的5000多個SF6GIS間隔運行經(jīng)驗的基礎上，開發(fā)研制出了LK-04型GIS，其額定電壓為145kV,LK-04型GIS將所有元件模塊化，并采用組合式的隔離開關/接地開關單元、插接式高壓電纜頭、電壓互感器、就地控制柜也是布置在本體上、智能化運行和管理等許多新的技術，使得GIS組合電器向模塊化、組合化、小型化、智能化等方向又邁進了一大步。近幾年內，美國ABB公司又在ELK-04型(145kV)GIS組合電器的基礎上針對110kV電壓等級，又設計了最新的EXK-O1型GIS組合電器，其額定電壓為123kV(BIL值為550kV)，該GIS全部通過型式試驗。它使得GIS組合電器的體積、尺寸變得更小、質量變得更輕，從而進一步提高了110kVGIS的性價比。西門子公司也在1968年開始生產(chǎn)8D型GIS組合電器，90年代后期，西門子公司在總結世界各國約6000個該型號GIS組合電器的運行經(jīng)驗后，開發(fā)了新型的8DN8型GIS，其額定電壓為145kV(BIL值為650kV)，該GIS也全部通過了型式試驗。其每個標準得出線間隔(電纜出線)外形尺寸為:長3.5米、寬0.8米、高2.85米，體積為7.98立方米，重量(靜荷載)為3噸。這是世界上至今為止尺寸、體積最小，重量最輕的110kVGIS組合電器。此外，法國的阿爾斯通公司、口本的三菱公司、伊林公司燈都相繼開發(fā)出了新一代的110kVGIS。國家電力公司目前也GIS組合電器，并在500kV變電站逐步進行工業(yè)性應用試驗。這些GIS組合電器運行可靠性高、施工安裝簡單、節(jié)省占地面積和空間、運行維護方便，是高壓電氣設備未來發(fā)展的一個主要方向，也符合我國國情和技術發(fā)展的大方向。1.3.2變電所一次設備主接線方式的現(xiàn)狀通常，110kV變電站最常用的主接線方式主要有:單母線、單母線分段帶旁路、單母線分段、雙母線分段帶旁路、雙母線、1個半斷路器接線、線路變壓器組接線及橋形接線等。隨著生產(chǎn)廠生產(chǎn)的高壓電氣設備質量的不斷提高以及電網(wǎng)可靠性要求的增加，變電站主接線方式簡化趨于可能。例如，高壓斷路器是變電站主要的電氣設備，其制造技術再近年來有了很大程度的發(fā)展，可靠性也大大提高，維護時間較少甚至免維護。特別是國外一些知名生產(chǎn)廠家的超高壓斷路器一般均可達到20年左右不大修，更換元件費時也很短。因此，從形式上看，變電站一次系統(tǒng)主接線的發(fā)展過程經(jīng)歷了由簡單到復雜，再由復雜回到簡單的過程。在70年代，由于當時受到制造技術、控制技術和通信技術等條件的制約，為了提高供電系統(tǒng)的可靠性，產(chǎn)生了主接線從簡單到復雜的演變過程。在當今的技術環(huán)境下，隨著新技術、高質量電氣產(chǎn)品的廣泛應用，某些條件下采用簡單的主接線方式會比復雜主接線方式更加可靠、更加安全。因此，變電所主接線方式也就口趨簡化。變電所電氣主接線方式應該根據(jù)可靠性、經(jīng)濟性、靈活性及技術環(huán)境統(tǒng)一性來決定。為了進一步控制工程造價，提高經(jīng)濟效益，經(jīng)過專家反復論證，我國少數(shù)變電站設計目前己經(jīng)逐漸采用了一些新的、更為簡單的主接線方式。近期，國內新建的部分110kV電壓等級的樞紐變電站的主接線采用雙母線不帶旁路母線。在采用GIS的情況下，優(yōu)先采用單母線分段接線。而在終端變電站中，應盡量采用線路變壓器組接線方式等。1.3.3變電站二次回路的發(fā)展現(xiàn)狀綜合自動化變電站與傳統(tǒng)的變電站在二次回路進行比較，綜合自動化變電站具有接線較為簡單，設備相對減少，接線方式更合理，系統(tǒng)性強等特點。傳統(tǒng)的變電站的二次回路可以說是一個復雜的網(wǎng)絡，它既包含了控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、信號系統(tǒng)與監(jiān)察系統(tǒng)，又包含了繼電保護、調節(jié)系統(tǒng)、自動裝置系統(tǒng)及操作電源系統(tǒng)等。其中光是信號系統(tǒng)就包含了位置信號、瞬時預警信號、事故音響信號、延時預警信號等。這些二次回路中，各系統(tǒng)之間都是靠硬件連接，因此二次接線就比較復雜。而綜合自動化的變電站在基本原理上打破原來的框架。如原來靠硬件連線的系統(tǒng)，現(xiàn)在可以通過數(shù)字通信進行聯(lián)系，原來控制屏、保護屏、信號屏等各屏內設備間的連線由保護裝置內部的電路板取代，這樣二次回路的接線就更簡單得多了。傳統(tǒng)變電站的二次設備，是分散地裝設在控制屏、信號屏及保護屏上，每一個電氣元件都要配置測量儀表、轉換開關、光字牌、位置指示燈等。而每一套繼電保護都是需要要有若干個中間繼電器、交流測量繼電器、信號繼電器等組成。一個變電站包括多個電氣單元就會有很多的二次設備。而綜合自動化變電站一個電氣單元的控制、測量、保護及信號可以在一個保2.3.2運行檢修的靈活性電氣主接線應該能夠適應各種運行狀態(tài)，并能夠靈活的進行運行方式的改變。主接線方式的靈活性要求有以下三個方面:1)調度靈活，操作簡便。應該能夠靈活的投入(或切除)某些變壓器或線某些路，調能夠配電源及負荷，能夠滿足電力系統(tǒng)在事故、檢修及其它特殊運行方式下的調度要求，實現(xiàn)變電站的無人值班;2)檢修時，可以方便的停運斷路器、繼電保護設備及母線等，在保證檢修安全的情況下，而不致于影響電力系統(tǒng)的運行及對用戶的供電。3)適應性和可擴展性能適應一定時期內沒有預計到的負荷水平的變化，滿足供電需求。擴建時，可以適應從初期的接線方式過渡到最終的接線方式。在影響連續(xù)供電或停電時間最少的情況下，投入變壓器或線路而不互相干擾，并且使一次、二次部分的改建工作量最少。2.3.3經(jīng)濟性主接線方式在滿足可靠性、靈活性等要求的前提下，要求做到經(jīng)濟合理。1>投資省。即變電站的建筑工程費、安裝工程費、設備購置費和其它費用應節(jié)省，采用不同的接線方式，其投資額度具有明顯的不同。2)占地面積小。電氣主接線設計要為高壓配電裝置的布置創(chuàng)造條件，以便節(jié)約用地、節(jié)省構架、絕緣子、導線和安裝費用。在運輸條件許可的區(qū)域，都應采用三相變壓器。3)能量損失小。在變電站中，正常運行時，電能損耗主要來自變壓器。應經(jīng)濟合理的選擇主變壓器的型式、容量及臺數(shù)，盡量避免兩次變壓而增加電能損耗。2.4杭鋼供電負荷分析轉爐LF爐是110kV總降變供電范圍，目前110kV總降變共有三臺SOMVA三圈變壓器，35kV,6kV額定容量分別為SOMVA和25MVA(見附錄1)。目前負荷分布情況如表2.1所示。表2.1杭鋼總降變負荷分布表┌──────┬───┬───┬───┐│公三』孚絡T7│110kV│35kV│6kV│├──────┼───┼───┼───┤│1#主變│32MW│18.2MW│13.8MW│├──────┼───┼───┼───┤│2#主變│30MW│12MW│18MW│├──────┼───┼───┼───┤│3#主變│42MW│22MW│20MW│└──────┴───┴───┴───┘從表2.1可以得出新增的5#,6#LF爐己無11OkV總降變6kV供電的可能性。1)因三臺主變6kV額定容量為25MVA，目前的負荷分布己無余量。2)每臺LF爐實際功率為7MW，但LF爐屬于沖擊性負荷，在實際冶煉時的最大負荷可達到12MW，若用6kV電壓供電，主變6kV側將過負荷。3)考慮當一臺主變檢修或故障時，必須要強制限電等原因，因此有必要將其中兩臺LF的負荷轉移出去。4)LF爐在冶煉的過程中會產(chǎn)生大量的高次諧波，會影響其它用戶的供電質量和供電安全?；谝陨显颍驹O計將其中兩臺LF爐的負荷轉移出去，并且滿足新增5#,6#LF爐的供電。用一臺110kV主變帶四臺LF爐的模式供電。既可以解決110kV總降變負荷緊張的問題，又可以可以阻斷LF爐的諧波污染，有利于110kV總降主變的安全運行。2.5一次系統(tǒng)的設計根據(jù)負荷分布情況，110kV變電所選擇一條進線，由崇賢發(fā)電廠供電。與總降變崇賢變1197線分別列于不同母線段，設置一臺SFZ9-50000/110的主變壓器，正常情況下通過35kV母聯(lián)柜為35kVII段供電。35kV09#柜(聯(lián)絡線)作為備用電源。在5#主變停電檢修時，至少可確保兩臺LF爐正常生產(chǎn)。而35kV09#柜(聯(lián)絡柜)還有另外一個優(yōu)點是作為總降變的后備電源，在總降變兩條110kV線路其中一條檢修時，可以將其作為后備電源，不至于影響正常生產(chǎn)。35kV系統(tǒng)設置兩臺SZ9-25000/35的主變壓器，分列運行，正常時通過35kV05#柜、06#柜(母聯(lián)柜)由5#主變供電，35kV09#柜(聯(lián)絡線)作為備用電源，處于熱備用狀態(tài)。6kV配電系統(tǒng)設置兩臺SC9-250/6的所用變，主要供GIS、直流屏、照明、空調、檢修等電源。設置出線柜8回，分別為1#濾波裝置、1#TCR,5#LF爐、6#LF爐、1#LF爐、2#LF爐、2#濾波裝置、2#TCR。具體詳見附錄二。2.6短路電流計算2.6.1短路電流計算的目的在發(fā)電廠、變電站的電氣設計中，短路電流計算是其中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。短路電流計算的目的主要有以下幾方面:1>在選擇電氣主接線方式時，為了比較各種接線方案，或者確定某一接線方式是否需要采取限制短路電流的措施等，均需進行短路電流的計算。2)在選擇電氣設備時，為了保證設備在正常運行情況下及故障情況下都能夠安全、可靠的工作，同時又力求盡量節(jié)約資金，這就需要進行短路電流的計算。例如:計算某一時刻短路電流的有效值，用以校驗高壓開關設備的開斷能力，以及確定電抗器的電抗值;計算短路后較長時間內短路電流的有效值，用以校驗電氣設備的熱穩(wěn)定;計算短路電流的沖擊值，用以校驗電氣設備的動穩(wěn)定。3)在設計室外高壓配電裝置時，需按短路條件校驗軟導線的相對相之間及相對地的安全距離。4)在選擇繼電保護方式及進行繼電保護整定計算時，需要以各種短路時的短路電流作為依據(jù)。5)接地裝置的設計，也需用考慮到短路電流的大小。2.6.2短路電流計算的一般規(guī)定驗算導體和電器時所用的短路電流，一般有以下規(guī)定:1)計算的基本情況①電力系統(tǒng)中所有電源點都在額定負荷下運行;②同步電機具有自動勵磁調整裝置(包括強行勵磁);③短路發(fā)生在短路電流最大值的瞬間;④所有電源電動勢相位角相同;⑤正常工作時，系統(tǒng)三相負荷對稱運行;⑥應考慮對短路電流大小有影響的所有元件，但不考慮短路點電弧電阻。對異步電動機的作用，僅在確定短路電流沖擊值及最大全電流有效值才予以考慮。2)接線方式計算短路電流時所采用的接線方式，應該是可能發(fā)生最大短路電流時的正常接線方式，即最大運行方式，而不能用僅在改變運行方式過程中并列運行的接線方式。3)計算容量應按設計規(guī)劃容量計算，并且要考慮到電力系統(tǒng)遠景發(fā)展規(guī)劃(一般考慮工程建成后5年一10年)。4)短路種類一般是按三相短路計算。若發(fā)電機出口兩相短路，或中性點直接接地系統(tǒng)以及自禍變壓器等回路中的單相(或兩相)接地短路比三相短路情況嚴重時，則應該按照嚴重情況進行校驗。5)短路計算點在正常接線方式時，通過電氣設備的短路電流值最大的地點，稱為短路計算點。對于帶電抗器的6-}-1OkV出線與廠用分支回路，在選擇母線至母線側隔離開關間的引線及套管時，短路計算點應取在電抗器前。選擇其余的導體和電氣設備時，短路計算點一般取在電抗器后。2.6.3短路電流計算的步驟在工程設計中，短路電流的計算一般采用實用計算曲線法。其具體計算步驟如下:1>繪制等值網(wǎng)絡。①選取基準功率及基準電壓;②略去網(wǎng)絡各個元件的電阻、輸電線路的電容及變壓器的勵磁支路;③無限大功率電源的內電抗等于零;④略去負荷。2)進行網(wǎng)絡變換。按網(wǎng)絡變換的原則，將網(wǎng)絡中的各個電源合并成若干組。如共有N組，每組用一個等值的發(fā)電機代表。無限大功率電源(如果有的話)則另成一組。求出各等值發(fā)電機對短路點的轉移電抗以及無限大功率電源對短路點的轉移電抗。3)將求出的轉移電抗按照各自相應的等值發(fā)電機的容量進行計算，便可得出各個等值發(fā)電機對短路點的計算電抗。4)分別根據(jù)適當?shù)挠嬎闱€，找出在指定時刻各等值發(fā)電機提供的短路周期電流的標么值。5)計算短路電流周期分量有名值。6)計算短路容量及短路電流沖擊值。7)繪制短路電流計算結果表。1電氣主接線變電所的主接線，應根據(jù)映電所在電力網(wǎng)中的地位、出線回膺數(shù)、設備特點及負荷性質等條件彭定。并應滿足供電可靠、運行靈活操作檢修方便、節(jié)約投資和便于打建等要求。3主要設備的選擇3.1主變壓器根據(jù)CC35110kV變電所設計規(guī)范》，電力系統(tǒng)要求110kV及以卜變電所至少采用一級有載調壓變壓器。裝有兩臺及以上主變壓器的變電所，當斷開一臺時，其余主變壓器的容量不應小于60%的全音仔負荷。3.2110kV開關設備目前在城區(qū)變電所普遍使用的110kVSF6絕緣全密封組合電器(GIS)具有體積小、運行可靠、檢修周期長、操作方便等優(yōu)點，但是價格較高。國產(chǎn)GIS約每間隔70萬元。3.3110kV互感器110kV電壓互感器有電容式和電磁式兩種，電容式結構簡單、運行可靠、維護方便,但體積較大;電磁式則結構較復雜，維修比較困難，但體積小、安裝簡便。該項目變電所選用的是電容式電壓互感器。電流互感器考慮繼電保護和測量的需要，保護級采用10P20級，測量用的電流互感器采用0.2級。3.410kV成套開關柜該項目變電所的1OkV開關柜采用GZS-1(KYN28-12)型中置柜，真空開關選用VS1+型，該斷路器屬于ZN63系列，目前在國內使用量較大。在真空開關規(guī)格的選擇上，主變壓器進線柜額定電流為2500A，分段柜額定電流為1600A，饋線柜、電容器柜額定電流為630Ao3.51OkV并聯(lián)電容裝置根據(jù)無功管理及供用電規(guī)則，110kV變電所在負荷高峰時的功率因數(shù)應該達到0.9一0.95})f二聯(lián)電容器的容量和分組按就地補償、便于調整電壓及不發(fā)生諧振的原則進行配置。該項目變電所的實驗設備負荷中大部分為lOkV的同步電機，功率因數(shù)很高，這部分負荷不需要由于110kV側的功率因數(shù)比較穩(wěn)定，為簡化線路節(jié)約投資，無功補償采用手動投切方式。3.61OkV接地變壓器及消弧線圈4過電壓保護和接地5繼電保護該項目變電所設置了一套微機綜合保護和控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對全所110kV的電氣設備的保護和控制。5.1主變壓器的保護5.2110kV斷路器的保護110kV斷路器配置充電保護、過流保護、限時速斷保護。5.310kV線路的保護lOkV的出線應裝設相間短路保護，保護裝置宜采用兩相式接線，并且所有出線均裝在相同的兩相上(通常裝設在A,C相上)。5.4電力電容器組的保護電力電容器組采用單臺裝設的熔斷器作為過電流保護，當某臺電容器內部損壞時不至于影響別的電容器運行。而日‘采用熔斷器保護可以不裝設電容器組的橫聯(lián)差動保護。熔斷器的熔絲額定電流，按電容器額定電流的1.5-}-2.0倍選取。f要】主變壓器具有變壓、調配等雙方而的功能，與變電站實際作業(yè)相符合。主變保護誤動作是指在電力系統(tǒng)沒有任何故障或異常情況，或雖有故障或異常情祝}規(guī)定保護裝置不應當動作時，保護裝置所發(fā)生的動作。通常與變電站的故障處理、現(xiàn)場操作、系統(tǒng)保護等方而因素相關。變電站是轉換電能的主要場所，其變電功能基本上都由主變壓器完成。為了避免主變保護誤動作現(xiàn)象的發(fā)生，110kV變電站改革期間要注重設備的保護與管理。文章對此進行研究針對早期電力系統(tǒng)改造存在的缺陷，現(xiàn)階段應主要解決110kV主變保護誤動問題，需深入性地探究誤動作故障的成因，全而提升變電系統(tǒng)的應用功能1主變壓器功能止常情I5}下，主變壓器具有變壓、調配等雙方而的功能，與變電站實際作業(yè)相符合D變壓功能。變電即轉換原始電能，使其更符合日常用電設備的需要，保持了供電狀態(tài)的安定。變壓器設置于變電站中，能夠按照用戶的要求調整電能，控制電壓流通量以免過載造成的損壞。如:電能輸入用電設備前，通過變壓器對電能等級進行調配，以確保電壓荷載與設備承受范圍相符合2調配功能。主變壓器調配功能是升降壓控制的綜合運用，按照不同用電設備進行電能控制，使IOkV變電站內的變電設施處于安全狀態(tài)，如圖1。如:主變壓器根據(jù)實際生產(chǎn)需要，對變電系統(tǒng)進行有效的調控，實現(xiàn)了供電結構的穩(wěn)定性。協(xié)調了主變電流的高效傳輸。主變保護器也是電網(wǎng)改造的重點對象-百夭1les』一夕心J.、們比一IJll匕「匕」112主變保護誤動原囚主變保護誤動作是指在電力系統(tǒng)沒有任何故障或異常情I5}，或雖有故障或異常情IS}}u規(guī)定保護裝置不應當動作時，保護裝置所發(fā)生的動作。通常與變電站的故障處理、現(xiàn)場操作、系統(tǒng)保護等方而因素相關D故障原因。變壓器故障直接影響了系統(tǒng)的主保護功能，而對現(xiàn)有的故障問題未能及時處理，極大地損壞了主變保護的性能，這也是誤動作現(xiàn)象發(fā)生的因素。如:自然界雷擊引起的變壓器故障，擾亂了變壓裝置內部接線的有效性2操作原因。變電站安排的操作人員在專業(yè)技能上缺乏，