1、石油天然氣管道站場110kV變電所設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析（一）彭艮鵬 徐福才 孫竟(中國石油天然氣管道工程有限公司電力室) (西氣東輸管道分公司甘肅管理處) (中國石油天然氣管道工程有限公司電力室)摘 要 本文較為詳盡地介紹石油天然氣管道行業(yè)中110kV變電站電氣一次部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對今后大型石油天然氣輸送站場設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。一、前言110kV變電所設(shè)計(jì)是石油、天然氣管道特別是大型輸油氣站場建設(shè)中的一項(xiàng)重要工作，其規(guī)范性和技術(shù)性都很強(qiáng)，許多方面涉及到國家強(qiáng)制性條文的貫徹落實(shí)。要做好變電所設(shè)計(jì)既要執(zhí)行國家現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范和規(guī)程，又要滿足當(dāng)?shù)毓╇姴块T的具體要求，否則會出現(xiàn)種種問題，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和工程進(jìn)度

2、。本文結(jié)合大型石油及天然氣輸送管道工程建設(shè)實(shí)際，對110kV變電所一次部分設(shè)計(jì)的有關(guān)問題進(jìn)行了較為詳盡的介紹，并進(jìn)行了簡要的分析。二、電氣主接線設(shè)計(jì)變電所電氣主接線設(shè)計(jì)作為電氣專業(yè)初步設(shè)計(jì)的一項(xiàng)最重要的內(nèi)容，是電氣設(shè)備布置、選擇、自動化水平和二次回路設(shè)計(jì)的原則和基礎(chǔ)，是保證輸油、氣站場終端110kV變電所安全可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)輸油或輸氣工藝要求，對于大型泵站或壓氣站一般設(shè)置有13臺高可靠性的電力驅(qū)動的大功率輸油主泵或天然氣壓縮機(jī)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，其用電負(fù)荷確定為一級，應(yīng)由兩個獨(dú)立電源供電，且每一電源應(yīng)滿足站場全部計(jì)算負(fù)荷。因此適合于我國石油天然氣管道行業(yè)110kV終端變電所的幾種電

3、氣主接線有：內(nèi)橋接線、雙內(nèi)橋接線及單母分段接線等幾種方式。具體采用何種主接線方式應(yīng)根據(jù)輸油氣管道工藝要求、當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)際情況、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果等綜合考慮確定。變電所電氣主接線設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及內(nèi)容比較廣泛，綜合性較強(qiáng)的工作。它是整個變電所設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，對變電所內(nèi)電氣設(shè)備的選擇及布置、繼電保護(hù)及自動裝置的設(shè)計(jì)、變電所總平面布置的設(shè)計(jì)等都起著決定性的作用。因此，做好該項(xiàng)設(shè)計(jì)工作需要設(shè)計(jì)者考慮一系列相關(guān)問題，主要有：系統(tǒng)接入方案、主接線方案的比較與確定、各級電壓負(fù)荷、主變壓器的選擇（含電壓、容量、阻抗、接線組別、分接頭及冷卻方式等）、各級電壓中性點(diǎn)接地方式、補(bǔ)償裝置的設(shè)置、短路電流計(jì)算、有關(guān)設(shè)備配置

4、與選擇、所用電系統(tǒng)、主設(shè)備保護(hù)及安全自動裝置、系統(tǒng)繼電保護(hù)等。三、設(shè)備選型問題1、 GIS組合電器對于石油天然氣輸送站場變電所110kV 部分一般選用GIS成套設(shè)備。所謂GIS是指氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulation Switchgear）。它將一座變電所中除變壓器以外的所有一次設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)成一個有機(jī)組合的整體，一般為積木式結(jié)構(gòu)?？傮w而言，它由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線和套管等八大部件組成。由于GIS占地面積小、可靠性高、安全性好、安裝周期短、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在石油天然氣輸送站場110kV的變電所中得到廣泛應(yīng)用，特別適合目前整個輸油氣

5、管道站場管理人員素質(zhì)和電氣業(yè)務(wù)水平參差不齊的現(xiàn)狀。2、 COMPASS組合電器目前國內(nèi)一些高壓開關(guān)廠開始生產(chǎn)一種名為緊湊型（COMPASS）高壓組合電器。該設(shè)備在新建的110kV變電所中得到應(yīng)用1，反應(yīng)良好。與GIS不同的是，這種組合電氣是基于間隔的模塊化的高壓配電裝置。它將常規(guī)的一個間隔三個元件合理的組合在一起，采用小車式斷路器的結(jié)構(gòu)形式。開關(guān)、互感器等設(shè)備為一體式，安裝時不需要另行拆裝。母線可采用管母線，間隔至母線考慮了自支撐力使其可以直接連接而不需要任何構(gòu)架和支撐絕緣子，使變電所接線布置整齊美觀。同時它采用隔離插頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的隔離開關(guān)，減少了大量地隔離開關(guān)對地絕緣支柱，壓縮了設(shè)備的占地。3

6、、 GIS與COMPASS組合電器比較表1 GIS組合電器與COMPASS組合電器的比較比較項(xiàng)目GIS組合電器COMPASS組合電器基本特點(diǎn)將變電所中除變壓器以外的所有一次設(shè)備組合成一個有機(jī)組合的整體；集成度高基于間隔的模塊化的配電裝置；集成度較高停電檢修1個斷路器故障，可能造成整個變電站停電有明顯的斷開點(diǎn)，停電檢修或處理方便故障查找GIS 漏氣問題，很難查出故障點(diǎn)，增加了停電檢修的難度、延長了停電的時間COMPASS每一相有獨(dú)立的外殼，如果某一相有問題就更換那一相，縮小了故障查找范圍和檢修時間?，F(xiàn)場安裝調(diào)試簡單現(xiàn)場安裝調(diào)試時間約為COMPASS組合電器的5倍COMPASS所有模塊可以在工廠完

7、成調(diào)試，以完整單元運(yùn)輸至現(xiàn)場，不需要抽真空設(shè)；現(xiàn)場只需把整個間隔安裝在6 個立柱上，極大縮短了安裝周期并簡化了調(diào)試工作量。 SF6用量用氣量大開關(guān)氣室小，用氣量小對環(huán)境、氣候的要求GIS 對現(xiàn)場環(huán)境有較高的要求。特別是空氣濕度、灰塵等直接影響安裝質(zhì)量。由于整個安裝調(diào)試過程中，不需要打開設(shè)備，因此無論戶內(nèi)、戶外，即使雨天、灰塵較大等時候也可正常安裝。綜合造價高（約為常規(guī)變電站的2倍）較高（約為常規(guī)變電站的1.4倍）在條件允許的情況下，可以適當(dāng)考慮在輸油氣站場110kV變電所采用COMPASS組合電器。四、變壓器中性點(diǎn)問題電壓變壓器中性點(diǎn)電壓絕緣水平60kV44kV35kVUln325250185

8、Ugn1409585表2 110kV變壓器中性點(diǎn)電壓耐壓水平110kV電力系統(tǒng)屬于中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，為限制系統(tǒng)接地故障的短路容量和零序電流水平，目前地方電網(wǎng)中部分110kV變壓器的中性點(diǎn)采取不接地的運(yùn)行方式。不接地變壓器的中性點(diǎn)在運(yùn)行中可受到雷電、操作及工頻等各種過電壓的作用。由于110kV變壓器通常為分級絕緣（絕緣等級見表1；其中Uln及Ugn分別為變壓器各絕緣水平中性點(diǎn)的雷電耐受電壓值和工頻耐受電壓值），中性點(diǎn)的絕緣水平較薄弱，因此在實(shí)際運(yùn)行中必須采取各種方式對不接地變壓器的中性點(diǎn)進(jìn)行過電壓保護(hù)。目前電力行業(yè)關(guān)于變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)方式存在眾多的討論，一般認(rèn)為110kV變壓器采用避雷器并聯(lián)

9、間隙的過電壓保護(hù)方式，其配合原則是2：雷電過電壓時避雷器動作；工頻過電壓時間隙動作。其目的是：工頻過電壓時，間隙動作保護(hù)避雷器，雷電過電壓時，避雷器動作避免間隙頻繁擊穿，零序電流保護(hù)不必要動作。根據(jù)參考文獻(xiàn)3的分析，建議對110kV主變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)方式的選擇及裝置的配置如下：對于60 kV級絕緣水平的中性點(diǎn)保護(hù)，可直接用Y1W-73/200型避雷器，也可用Y1W-73/200型避雷器并聯(lián)170mm的間隙；對于44kV級絕緣水平的中性點(diǎn)保護(hù)，可用距離在130140mm的間隙，也可用Y1W-60/144型避雷器并聯(lián)140mm的間隙；對于中性點(diǎn)絕緣水平是35kV的變壓器，由于絕緣設(shè)計(jì)上存在弱

10、點(diǎn)，為防止變壓器事故，可盡量考慮讓此類變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，或用100130mm的間隙。五、變電所接地設(shè)計(jì)1、 滿足對地電位要求的接地電阻值根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定4，接地裝置的接地電阻應(yīng)符合下式要求： （1）其中I表示計(jì)算用的接地故障電流。一般而言，隨著電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，變電所占地面積日益減小和短路電流日益增大的情況下，滿足上式是比較困難的5。該規(guī)范又規(guī)定，當(dāng)接地裝置的接地電阻不符合上式的要求時，可以通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較增大接地電阻，但不得大于5，且應(yīng)通過要求采取防止轉(zhuǎn)移電位引起的危害，防止站內(nèi)310 kV避雷器受到反擊并驗(yàn)算接觸電位差和跨步電位差，從而改善站內(nèi)電位的分布，形成一個均衡電位接地

11、系統(tǒng)，所以降低接地電位并不是保證設(shè)備和人身安全的唯一手段，均衡電位和限流是保證設(shè)備和人身安全比較經(jīng)濟(jì)的方法。2、 驗(yàn)算接觸電勢、跨步電勢要求的接地電阻值根據(jù)參考文獻(xiàn)4，系統(tǒng)發(fā)生單相接地或同點(diǎn)兩相接地時，接地裝置的接觸電位差和跨步電位差不應(yīng)超過下列值： （2）。 （3）其中Ut表示接觸電位差，V；Us表示接觸電位差，V；表示人腳站立處地表面的土壤電阻率；t表示接地短路電流的持續(xù)時間，一般取0.080.15s。3、 滿足暫態(tài)電壓要求的接地電阻值5考慮接地短路時電流非周期分量的影響，要求310 kV避雷器不應(yīng)動作。工頻暫態(tài)電壓反擊要求的接地電阻為：。 （4）其中Ugf表示310kV避雷器工頻放電電壓

12、下限值，kV；Uxge表示電力系統(tǒng)標(biāo)稱相電壓，kV；I表示計(jì)算用的入地短路電流值，kA。當(dāng)選用無間隙金屬氧化物避雷器時，對3kV、6kV及10kV系統(tǒng)標(biāo)稱電壓可分別按上式計(jì)算接地電阻允許值的80%、85%及90%確定。4、 相關(guān)具體做法總結(jié)筆者對有關(guān)文獻(xiàn)567做法的總結(jié)如下：1) 獨(dú)立避雷針不應(yīng)設(shè)置在人經(jīng)常通行的地方，避雷針及其接地裝置與道路或出入口等的距離不宜小于3m，否則應(yīng)采取均壓措施，或鋪設(shè)礫石或?yàn)r青地面。2) 獨(dú)立避雷針的接地裝置與接地網(wǎng)的地中距離要求不小于3m；配電裝置構(gòu)架上的避雷針應(yīng)與接地網(wǎng)相連，并在其附近裝設(shè)集中接地裝置。3) 對避雷針、避雷器等防雷設(shè)備的接地處應(yīng)設(shè)置35根水平射

13、線，設(shè)置35根垂直接地體做集中接地，以加強(qiáng)散泄雷電流的作用。4) 配電裝置構(gòu)架上的避雷針（含懸掛避雷線的架構(gòu)）的集中接地裝置，應(yīng)與主接地網(wǎng)連接；電氣設(shè)備和電纜溝內(nèi)的接地線與接地網(wǎng)連接點(diǎn)至該接地點(diǎn)的電氣距離沿接地體長度不得小于15m。5) 由于雷電流經(jīng)構(gòu)架避雷針、避雷線或避雷器的接地引下線進(jìn)入變電所的接地網(wǎng)，在經(jīng)接地網(wǎng)流入大地時，會造成接地網(wǎng)的局部電位升高，地網(wǎng)附近的電纜溝內(nèi)的二次保護(hù)、計(jì)量、通信、控制等低壓電纜，如因地網(wǎng)的局部電位升高超過一定數(shù)值，接地體的高電位就會向二次電纜反擊。因此，在防雷設(shè)備接地處應(yīng)加強(qiáng)集中接地，同時對電纜溝要另敷均壓接地帶，并每隔5m與電纜溝內(nèi)的接地扁鋼相連一次；對二次

14、電纜（特別是屏蔽電纜），其一點(diǎn)接地要選在低壓控制儀表處，而在被控制的一次設(shè)備處應(yīng)懸空。6) 接地網(wǎng)埋深一般取0.60.8m。7) 接地網(wǎng)的四角做成rD2弧型，能比較顯著地減小接地網(wǎng)外直角處的跨步電壓 。在變電所的進(jìn)、出口處，埋設(shè)帽檐形輔助均壓帶，可使跨步電壓下降20%40%，改善這些地面上的電位分布；也可結(jié)合道路的施工，采用高電阻率的路面結(jié)構(gòu)層作為安全措施。8) 采用過小的均壓帶間距或過多的增加均壓帶的根數(shù)是不適宜的。一般可采用均壓帶平均間距為5 m至10 m。當(dāng)總的均壓帶根數(shù)(縱 、橫兩個方向之和，包括四周圍)小于17根時，長孔的接觸電勢小于方孔的接觸電勢,宜用長孔接地網(wǎng)；總的均壓帶根數(shù)大于

15、等于18根時，長孔的接觸電勢大于方孔的接觸電勢，宜用方孔接地網(wǎng)。9) 由于接地網(wǎng)絕大部分部位的接觸電勢都要比邊角網(wǎng)孔電勢小，如果在邊角網(wǎng)孔地區(qū)適當(dāng)加強(qiáng)均壓，補(bǔ)增接地帶，或在這些部位采用高電阻率的路面結(jié)構(gòu)層等安全措施后，就可以采用次邊角網(wǎng)孔電勢來設(shè)計(jì)均壓網(wǎng)，次邊角網(wǎng)孔電勢比邊角網(wǎng)孔電勢小20%30%。10) 設(shè)備的接地都要以單獨(dú)的接地線接入埋在地中的地網(wǎng)，不能只接到電纜溝的接地帶；電力設(shè)備每個接地部分應(yīng)以單獨(dú)的接地線與接地干線相連；設(shè)備接地點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離避雷針接地引下線的入地點(diǎn)。11) 裝設(shè)靜態(tài)保護(hù)的保護(hù)屏間應(yīng)用專用接地銅排直接聯(lián)通，各行專用接地銅排首末端同時聯(lián)接，然后在該接地網(wǎng)的一點(diǎn)經(jīng)銅排與控制

16、室接地網(wǎng)聯(lián)通。專用接地銅排的截面不得小于100mm2。另外，還應(yīng)考慮自動化裝置就地安裝在開關(guān)室內(nèi)開關(guān)柜上，開關(guān)柜間用專用接地銅排直接聯(lián)通，各列專用接地銅排首末端同時聯(lián)接，然后在該接地網(wǎng)的一點(diǎn)經(jīng)銅排與開關(guān)室接地網(wǎng)聯(lián)通，且截面大于100mm2。六、直流系統(tǒng)1、 直流系統(tǒng)選型直流系統(tǒng)是一種在變電所故障失電時為控制保護(hù)裝置、自動化裝置、高中壓斷路器合分閘機(jī)構(gòu)、事故照明等提供可靠的操作電源和控制電源的重要設(shè)備。其選型要考慮安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、合理經(jīng)濟(jì)的要求。鑒于目前輸油氣站場110kV變電所一般按無人值守設(shè)計(jì)，對直流系統(tǒng)安全可靠性方面的要求很高，因此應(yīng)該選用智能型直流電源系統(tǒng)。同時由于閥控式密封鉛酸蓄電

17、池具有密封良好、無酸無腐蝕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，已成為無人值班變電站首選蓄電池，因此蓄電池系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用閥控式密封鉛酸蓄電池。2、 有關(guān)方法介紹參考文獻(xiàn)8規(guī)定，110kV及以下變電所宜裝設(shè)1組蓄電池，對于重要的110kV變電所也可裝設(shè)2組需蓄電池。選擇蓄電池容量的方法有電壓控制法和階梯負(fù)荷法。首先應(yīng)進(jìn)行變電所事故狀態(tài)下直流負(fù)荷計(jì)算，然后按照滿足事故全停電狀態(tài)下的持續(xù)放電容量和事故全停電狀態(tài)下的沖擊電流值來選擇蓄電池容量。參考文獻(xiàn)8還規(guī)定，對有人值班變電所，全所交流電源事故停電時間按1小時考慮，對無人值班變電所，全所交流電源事故停電時間按2小時考慮。雖然輸油氣站場110kV變電所按無人值班設(shè)

18、計(jì)，鑒于目前站場本身自動化還遠(yuǎn)未達(dá)到無人值守的程度，因此全站事故所用電停電時間按1h考慮。一般而言，直流系統(tǒng)額定電壓選用220V，蓄電池選擇一組，蓄電池容量大約為100150Ah。高頻開關(guān)模塊數(shù)量按下面的公式9： （1）進(jìn)行選擇。同時，對于1組蓄電池配1套高頻開關(guān)電源充電裝置，整流模塊按N+1配置；對于1組蓄電池配2套高頻開關(guān)電源充電裝置，整流模塊則按N配置。七、結(jié)束語以上就是筆者在參與國家大型輸油氣管道工程建設(shè)過程中，針對110kV變電所一次部分設(shè)計(jì)，參考大量技術(shù)資料所收獲的一點(diǎn)體會?？捶ù譁\，僅供參考。參 考 文 獻(xiàn)1 陸金洪. 110kV 戶外高壓組合電氣的應(yīng)用. 廣東電力 2006（1） 第34卷 第1期2 董梅. 110kV分級絕緣變壓器中性點(diǎn)的過電壓保護(hù). 江蘇電機(jī)工程 2005（7）3