阿尔山口岸66kV变电站的设计探究

   
    社会经济的持续增长助推了人民生活水平的持续提升，人类对电能也产生了前所未有的需求。人们从生活煮饭的电饭煲、微波炉，到日常办公娱乐的电脑、手机，到日常出行所乘坐的电动车、高铁，都离不开电能，工厂的各种重型机械的运行也离不开电能，农业生产中的灌溉更离不开电能。电网建设直接关系着社会经济发展，变电站作为电力系统中对电压和电流进行交换，接受电能及分配电能的场所，变电站的设计对电网建设显得尤为重要。
   
    本文结合阿尔山地区电网现状，充分考虑口岸地区经济发展的电能需求，对口岸66kV 变电站进行设计。设计内容涉及电力系统一次设计、变电站二次系统设计、阿尔山 220kV 变电站 66kV 出口扩建部分、输电线路设计部分。
   
    本文首先阐述了课题背景及研究意义，并对国内外研究现状及发展趋势进行分析。然后结合阿尔山地区电网现状及口岸供电区内电网情况，确定主变形式和参数，并进行短路电流计算，从而提出电力系统方案，通过方案对比选定主接线，对主要设备进行选择，对站区电气布置、防雷接地等进行逐项设计；在变电站二次系统设计中涵盖了调度自动化、系统及站内通信、变电站自动化等内容；由于阿尔山 220kV 变电站无预留口岸 66kV 变电站出口，本次设计对阿尔山 220kV 变电站 66kV 口岸出口进行了同步设计；结合实际情况进行实地勘察与调研分析，对路径长度、经济、施工、运行等多个层面进行综合性考虑与分析，确保电力线路路径的安全可靠性、经济合理性，进而进行导、地线的选取、绝缘配合、防雷接地等。
   
    此次设计涵盖了口岸 66kV 变电站工程建设所涉及的各项领域，符合口岸变电站的建设需求，也达到了实际应用的目的。
   
    关键词：变电站，工程设计，电力系统，继电保护，输变电工程
       
    With the rapid growth of social economy and the continuous improvement of people'sliving standards, the demand for electric energy in human society has also continued toincrease.From rice cookers and microwaves, to computers and mobile phones for dailyoffice entertainment, to electric vehicles and high-speed trains for daily travel, people cannot live without electricity, and the operation of various heavy machinery in factories cannot live without electricity. Irrigation in agricultural production is more dependent onelectricity.The construction of power network is directly related to social and economicdevelopment. As a place where voltage and current are exchanged and electricity isreceived and distributed in the power system, the design of substation is particularlyimportant to the construction of power network.
   
    Based on the current situation of power grid in Arxan area, this paper designs the 66kV substation in port area. The design includes the primary design of power system, thesecondary design of substation, the civil construction of substation, the fire protection part,the extension part of 66kV outlet of Arxan 220 kV substation and the design part oftransmission line.
   
    Firstly, this paper elaborates the background and significance of the research, andanalyses the research status and development trend at home and abroad. Then, according tothe current situation of the power grid in the Arxan area and the power grid in the portpower supply area, the main deformation mode and parameters are determined, and theshort-circuit current calculation is carried out. The power system scheme is put forward.
   
    The main wiring is selected by comparing the schemes, the main equipment is selected,and the electric layout and lightning protection grounding of the station area are designedone by one. The design of substation secondary system covers dispatching automation,system and station communication, substation automation and so on. Since there is noreserved port 66 kV substation exit for the Arxan 220kV substation, the design of thisdesign is synchronized with the 66kV port exit of the Arxan 220kV substation;Based onthe actual situation, we conducted field surveys and research and analysis, andcomprehensively considered and analyzed the length, economy, construction, andoperation of the routes to ensure the safety, reliability, and economic rationality of thepower line paths. Then carry out guidance, ground line selection, insulation cooperation,lightning protection grounding and so on.
   
    This design covers all the areas involved in the construction of the port 66Vsubstation, meets the construction needs of the port substation, and also achieves thepurpose of practical application.
   
    Key words: Transformer substation Engineering Design Power systems Relayprotection Transmission and transformation engineering.
   

第 1 章 绪 论

　　1.1 课题背景及研究意义

　　阿尔山市 66kV 电网主网架为 1 条 66kV 输电线路，属察-伊线末端，南北走向贯穿阿尔山市全境，线路进入阿尔山市区（明水）后，分别以“π”接和“Y”接方式引入 5 座变电站。设计时期，全市共有 66kV 输电线路 120.071 km,66 kV 变电站5 座，主变 6 台总容量为 16.95MVA,10kV 配电线路 12 回共计 360.4 公里，配电变压器 195 台，总容量 18530kVA,0.4kV 及以下低压配电线路 187.1 公里。

　　阿尔山口岸是国家二类口岸，地处阿尔山市之西，约 45km 左右，位于努木尔根界河西右岸，与蒙古国隔河而望。该口岸有着极为重要的意义，一是支撑着我国同蒙、独联体与欧洲的经济技术合作，二是为产品的出口以及劳务输出提供平台，三是对外开放与国际旅游业发展起着支撑作用。蒙古国旅游资源丰富，有湛蓝的天空，辽阔的草原，成群的牛羊，随处可现“风吹草低现牛羊”的美景，让你跟草原民族亲密接触，品尝当地的美食，感受当地的民风民俗。阿尔山口岸距阿尔山市火车北站不足 15 公里，处于铁路和大陆桥的中间地点，地位位置意义显着。阿尔山口岸现有口岸物流园区、路岗加工园区、松贝尔风情园区正在建设中，锡林铁矿正在勘测中，现有的 10kV线路已不能满足其负荷发展需要，需新建 66kV 口岸变电站。新建口岸 66kV 变电站位于口岸矿区，是为矿山生产和周边地区居民生活供电，该地区现无 66kV 变电站。

　　此处建设变电站必须满足三个要求，一是保障地方负荷增长，二是确保供电的高度可靠，三是改善当地用电质量。口岸地区电源为 10kV 单电源接入，供电半径达 50公里，供电可靠性及电能质量偏低，配电网极其薄弱，口岸 66kV 口岸变电站建成，此状况将得以改善。阿尔山地区矿产丰富，目前已探明该地区锌矿储量约 6.7 万吨，口岸矿正在筹建中，预计负荷 5000kW.随着阿尔山经济和社会的迅速发展，电力需求也随之快速增长，以阿尔山地区经济发展形势，以及当前用电总量来就结果进行预测，综合考虑以往电负荷增长率，本工程竣工投产后，能实现 6MW 的最大负荷。口岸 66kV 变电站的建成投运，能有效实现对地方电网结构的升级与优化，确保电网供电足够的可靠，电能质量的提升以及经济运行水平的强化。地方目前伊尔施镇只有 1座 66kV 变电站，即便是“N-1”供电原则都难以满足，要想确保 10kV 配电网络中所有变电站的交互，以及确保备用电源更是难上加难。而且由于受负荷分配不均和网络结构的限制，口岸 66kV 变电站建成投运后，将使电源布局更为合理，通过 10kV 配电网络的优化接线，可使其电网结构更加合理，部分 10 kV 线路可实现负荷转带，大大提高地方电网的供电可靠性。口岸 66kV 变电站的建设为地方招商引资力度的强化奠定基础，有利于后期经济的飞速发展。当前来看，政府越发看重招商引资，且不断强化其力度，再加上其得天独厚的地理与资源优势，对其青睐有加的厂商数量也在不断扩大，此变电站一旦建成，将成为当地经济发展最坚实的基础。

　　就本变电站的建设而言，其具备多种功能，一是确保当地用电负荷需求的完全满足，二是实现当地电网结构的升级与优化，对电网损耗进行控制，三是强化电网供电性能，使其可靠性、稳定性与灵活性三大性能得到显着提升，四是为当地国民经济的发展奠定基础，因此本变电站的建设不仅是必要的，且意义重大。

　　1.2 国内外研究现状及发展趋势

　　1.2.1 国内外研究现状

　　当前社会，经济发展之迅速令人难以想象，随之持续增长的还有人们的生活水平，由此，电能需求的持续增长也成为人类社会持续发展产生的必然现象。人们从生活煮饭的电饭煲、微波炉，到日常办公娱乐的电脑、手机，到日常出行所乘坐的电动车、高铁，都离不开电能，工厂的各种重型机械的运行也离不开电能，农业生产中的灌溉更离不开电能。电网建设关系着社会经济发展，变电站作为电力系统中对电压和电流进行交换，接受电能及分配电能的场所，变电站的设计对电网建设显得尤为重要。国内外学者对变电站设计也做了诸多的研究，目前变电站的设计具备以下特点：

　　（1）变电站建筑设计趋于节能化

　　城市不同，变电站的建设也就有着不同的差异，如建设城市的经济较为发达，且该城市的发展已经有了足够的成熟度，则其土地资源必然是十分紧缺的。这一问题在城市变电站选址工作中体现最为突出。不难发现的是：城市变电站选址工作的开展越发困难，毕竟土地资源对建设电位的选择有着极大的限制[1].为此，国家电网公司组织开展了多轮的调研和论证，推出多套变电站的典型设计工作，合理节约土地资源。

　　（2）新技术、新设备得到广泛应用

　　PVP 技术、全分散式变电站自动化系统等新技术都被用到了变电站中。PVP 技术指的便是即插即用技术，随着该技术的应用，变电站的综合自动化功能得以实现，此外，变电站内用到的所有设备都能得到升级，使其运行操作得到简化，后期维护工作的开展也更加便利[2].全分散式变电站自动化系统简化了变电站二次部分的配置，其所考虑的重点不在局限于某一个量，而是整套设备装置，确保特定功能的有效实现。

　　在变电站的建设中，新设备逐渐拥有更高的自动化水平，即便是配电装置，也在不断进化[3].与此同时，随着新型高压组合电器以及光学电压电流互感器等新设备的应用提高了电力系统运行的安全性，降低了企业投入成本。

　　（3）变电站接线方式趋于简单化

　　变电站主接线是将电网送来的电压用母线、变压器、断路器、隔离开关等电气设备用一定的形式连接后送往各电力用户。电气主接线的选择要充分考虑安全性、可靠性、灵活性、经济性。随着变压器、断路器、隔离开关等电气设备制造技术的不断提高，电气设备质量得到显着提升，设备故障率、检修率明显下降，进而增加了电网的安全性、可靠性，为变电站接线简化提供的先决条件。从经济学性考虑，若能大量采用简化之后变电站接线，成本能得到显着控制，经济效益增长显着，目前，国内仅有部分变电站设计已逐渐采用一些新的更为简单的接线方案。我国 500kV 及以上电压等级的接线较多采用 3/2 断路器接线，但现在有部分变电站采用 3/2 断路器变压-母线组接线，在可靠性基本相同的情况下降低了工程投资。

　　（4）无人值班变电站

　　无人值班变电站是借助微机远动技术，由集控中心值班人员取代变电站现场值班人员对无人值守变电站进行信号监视、电容器投切及负荷监测，并对无人值班变电站进行远方遥控。我国虽然也提出了无人值守变电站，但目前国内变电站很难实现真正的“无人”值守，国内变电站主要实现断路器、变压器有载调节开关等一次设备的远方操作，但无法完成保护方式、保护运行状态的远方设置，如保护压板的投退，保护定值的调整等[4].

　　1.2.2 变电站发展趋势

　　随着各项新技术的成熟和先进设备的应用，国内外变电站的发展方向趋于以下几个方面：

　　（1）数字化变电站

　　数字化变电站是将变电站的一、二次设备数字化，以高速以太网为实现数据采集与传输的系统，确保信息建模是以 IEC61850 为标准的，并就物理设备进行虚拟化处理，以及对智能控制技术进行采用，从而实现信息共享和互操作。数字化变电站技术在不断升级进化的过程里，能就常规变电站技术进行兼容，并基于当前技术水平进行突破，实现新技术的应用与电网发展的有效融合[5].

　　（2）智能化变电站

　　智能化变电站所选用设备都是智能化的，兼具多种优势，如先进、可靠以及环保的，其满足三大基本要求：1）全站信息数字化；2）通信平台网络化；3）信息共享标准化；能实现对信息的自动化采集、控制以及检测等。此外，还能以实际需求来实现实时自动控制以及各种自能调节等，是一种功能高级的变电站[6].就全站而言，其完全能实现“四化”:1）信息数字化；2）通信平台网络化；3）信息共享标准化；4）高级应用互动化[7].目前我国有较多典型的智能变电站在运行，如湖南金南 110kV 变电站、江苏西泾 220kV 变电站、吉林长春南 500kV 变电站、陕西延安 750kV 变电站。

　　（3）预制装配式变电站

　　预制装配式变电站的施工都是以遵从实际为出发点的，这与传统的固化施工模式有着本质区别，毕竟，传统变电站不论哪一种类型，其都是现场建设的，而此类型的变电站则是由厂家进行生产与调试，现场仅需安装即可，安装完成后再进行二次调试，这样便能有效缩短建设工期，后期维护的次数也大大降低。此外，此种变电站不需要大量占用土地资源，对紧缺的土地资源能起到一定的缓解之效。其对国家当前提倡的“两型一化”变电站土建设计要求是完全满足的，即未来变电站势必将以此类型的变电站为模板[8].

　　（4）绿色变电站

　　绿色变电站是指在变电站的建设中采用成熟适用的技术，节约土地、降低能源损耗，减少环境污染，并提供安全、舒适、稳定的工作环境，做到人与自然的和谐发展[9].绿色主要体现在节约用地，合理选址，少占地，不占用耕地和道路；节约用水，做到合理使用水资源，水资源要充分和循环使用，避免浪费，严控废水、生活污水的排放；节约能源，利用光伏技术提供辅助性用电，利用节能技术节约能耗；采用环保材料，使用无汞无铅印刷电路板，使用免烧砖、水性漆等绿色建材[10].

　　1.3 本论文研究内容

　　口岸 66kV 输变电新建工程主要内容为在口岸矿区建设 66kV 变电站 1 座，主变压器容量本期 1×10MVA、终期 2×10MVA;扩建阿尔山 220kV 变电站 66kV 口岸间隔，口岸 66kV 变电站 66kV 电源接入阿尔山 220kV 变电站，66kV 线路本期进线 1回、终期进线 2 回；10kV 本期出线 4 回、终期出线 8 回。新建线路采用单回架空线路，线路长度为 6.602km,导线按可行性研究设计论证，导线采用 LGJ-150/25 型钢芯铝绞线，避雷线采用 OPGW-24B1-40 光缆，全线采用杆塔混合设计，线路终端采用架空进线方式。本论文研究内容是对口岸 66kV 变电站开展初步设计，设计的主要内容如下：

　　（1）电力系统一次设计，结合阿尔山地区电网现状及口岸供电区内情况，确定系统接入方案，并进行变压器的选择，本设计 SZ11-10000/66 双绕组变压器一台，加装无功补偿装置 2Mvar;根据主接线选择保证系统的供电可靠性，具有一定灵活性，满足经济型需求的特点，通过比较 66kV 母线选用单母线接线，10kV 母线选用单母线分段接线；通过系统短路电流计算，根据计算结果对断路器、隔离开关、电压互感器、避雷器、10kV 配电开关柜等进行选择。

　　（2）电力系统二次设计，在变电站二次系统设计中涵盖了调度自动化、系统及站内通信、变电站自动化等内容，主要阐述了主变主保护、非电量保护和后备保护的选择。

　　（3）阿尔山 220kV 变电站 66kV 口岸线出口扩建，对电源出口间隔一次、二次部分进行设计。

　　（4）输电线路设计，依据路径选择原则进行路径选择，根据送电容量及机械强度要求进行导线和地线的选择。

第 2 章 变电站一次系统设计

　　2.1 系统接入方案

　　阿尔山市 66kV 电网主网架为 1 条 66kV 输电线路，属察-伊线末端，南北走向贯穿阿尔山市全境，线路进入阿尔山市区（明水）后，分别以“π”接和“T”接方式引入 5 座变电站。设计时期，全市共有 66kV 输电线路 120.071 km,66 kV 变电站5 座，主变 6 台总容量为 16.95MVA,10kV 配电线路 12 回共计 360.4 公里，配电变压器 195 台，总容量 18530kVA,0.4kV 及以下低压配电线路 187.1 公里。阿尔山地区电网现状示意图见图 2-1.

图 2-1 地区电网现状图

　　500kV 兴安变投运于 2011 年，位于乌兰浩特市乌兰哈达镇，地理位置优越，东与东北电网相连，可将兴安地区可以汇集兴安盟的盈余电力，通过 500kV 线路使兴安变与东北电网相连盈余电力通过 500kV 线路向东北电网送出，有效解决兴安地区盈余电力的消纳问题。同时，增强了兴安电网与东北电网的电气联系，坚强了地区电网结构，加强了电网供电可靠性，为兴安盟国民经济的快速发展提供了强有力的保障。

　　2017 年，兴安电网将形成比较坚强的 500kV 网架结构。通过 2 回兴安盟~呼伦贝尔500kV 线路与呼伦贝尔电网相连，通过 2 回乌兴安~白城 500kV 线路与吉林电网相连，通过 2 回乌兰浩特~科尔沁 500kV 线路与通辽电网相接。阿尔山地区 66kV 电网以阿尔山 220kV 变电站为中心，形成独立的、明确的 66kV 供电系统。配电网得到了进一步完善，提高了配电线路联络率，增强了配电网供电能力，降低了网络的损耗。阿尔山地区电网规划图见图 2-2.

图 2-2 地区电网规划图

　　全面考察当地电网现状、地理区位以及最近的电网项目之后，决定新建阿尔山220kV 变电站 66kV 口岸间隔，口岸变电站 66kV 电源来自阿尔山 220kV 变电站口岸间隔，线路采用单回架空线路，线路长度为 6.602km,导线采用 LGJ-150/25 型钢芯铝绞线，避雷线采用 OPGW-24B1-40 光缆，全线采用杆塔混合设计，线路终端采用架空进线方式。具体见图 2-3.

图 2-3 系统接入方案图

　　2.2 主变压器的选择

　　主变压器是变电站中核心部件，是用来向电力系统或用户输送电能的变压器。主变压器的选择对变电站的设计至关重要，主变压器的选择需考虑主变压器的容量、变压器数量、调压方式、绕组数量、绕组接线方式、变压器阻抗电压等诸多参数。

　　（1）主变容量的选择：按照阿尔山口岸地区 5 至 10 年发展规划的需求来确定，同时可以由阿尔山电网与兴安电网间的潮流交换容量来确定。变电站内如设有 2 台及以上主变时，若 1 台变压器出现故障或计划检修，剩余变压器的容量要满足不小于60%的负荷要求及相关规范的要求，对于 A+、A、B、C 类供电区域应保证全部符合的供电，其他供电区域应能够保证二级及以上电力负荷的供电。若是在一个区域之中，电压等级一致的主变压器单台容量的规格应控制在 3 种之内，若就是一个变电站，其主变压器考虑变压器并列运行应同一规格。阿尔山口岸地区负荷较小，根据口岸地区5 年内的负荷预测，本期变电站安装 1 台 10MVA 变压器（终期 2 台10MVA 变压器），容载比为 1.95,1.28.

　　（2）变压器数量的选择：根据供电区域负荷密度、供电可靠性要求和电路电流水平，确定变压器的台数，变电站的主变压器数量不宜超过 4 台，负荷密度高的地区变压器数量可为 3~4 台，负荷密度适中的地区变压器数量可为 2~3 台，负荷密度低的地区变压器数量可为 1~2 台。由于口岸地区负荷密度较低，变压器台数宜选 1~2 台，考虑负荷情况及经济情况，本期变电站安装 1 台，终期 2 台。

　　（3）调压方式的选择：变压器的电压调整通过切换变压器的分接头改变变压器变比。形式分为有载调压和无载调压，无载调压的调压范围一般在±5%以内，有载调压的调压范围一般为±10%和±12%两种。110kV 及以下变电站的主变调压方式一般为有载调压方式，本站主变调压方式选择有载调压方式。

　　（4）绕组数量的选择：对于变电站位于负荷中心，具有从高压降为低压供电的变电站，为简化电压等级、减少重复降压容量可选用双绕组变压器。本站选用的变压器为双绕组变压器。

　　（5）绕组连接方式的选择：同系统电压相位之间不能有差异，不然并列运行便无法实现。绕组的连接方式一般为星型和三角形，我国 110kV 及以上变压器高、中绕组一般选用星型连接；35kV 如需接入小弧线圈或接地电阻时，应采用星型连接；35kV 及以下变压器绕组都采用三角形连接。本站主变绕组接线方式选用 YN,d11 接线。

　　（6）变压器阻抗电压的选择：阻抗电压百分比又称短路电压百分比，表明变压器内阻抗的大小。对于双绕组变压器来说，当副边被人为的短路，原边施加一个的电压，待原边和副边的电流都达到额定值时，这个原边电压的数值，成为阻抗电压或短路电压。本站主变阻抗电压选择 9%.

　　综上所述，本站选择的是 SZ11-10000/66 双绕组变压器，其对应的参数详见下表2-1:

表 2-1 主变压器主要技术参数

表 2-2 短路电流计算结果

表 2-3 主要电气设备选择

表 2-4 导体的选择

图 2-4 电气主接线图

图 2-5 电气总平面并布置图
   

   
    本文结合阿尔山地区电网现状，充分考虑口岸地区经济发展的电能需求，对口岸66kV 变电站进行设计。设计内容涉电力系统一次设计、变电站二次系统设计、阿尔山 220kV 变电站 66kV 出口扩建部分、输电线路设计部分。
   
    本文在研究分析的过程之中，首先对选题意义、研究背景、研究目的等进行了全方位、多层面的阐述与分析，同时又从不同层面、不同维度对目前该课题国内外的研究状况进行了详细探析。变电一次部分，结合阿尔山地区电网现状及口岸供电区内情况，确定系统接入方案，并进行变压器的选择，本设计 SZ11-10000/66 双绕组变压器一台，加装无功补偿装置 2Mvar；根据主接线选择保证系统的供电可靠性，具有一定灵活性，满足经济型需求的特点，通过比较 66kV 母线选用单母线接线，10kV 母线选用单母线分段接线；通过系统短路电流计算，根据计算结果对断路器、隔离开关、电压互感器、避雷器、10kV 配电开关柜等进行选择。在变电站二次系统设计中涵盖了调度自动化、系统及站内通信、变电站自动化等内容，主要阐述了主变主保护、非电量保护和后备保护。由于阿尔山 220kV 变电站无预留口岸 66kV 变电站出口，本设计对阿尔山 220kV 变电站 66kV 口岸出口及两站间的输电线路进行了同步设计。
   
    此次设计涵盖了口岸 66KV 输变电新建工程建设所涉及的各项领域，符合口岸变电站的建设需求，也达到了实际应用的目的。

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