变电站20 kV接线方式的最优选择

梁振升

(广州电力设计院，广州市，510610)

0 引言

简化电压层级、提升中压配电电压是突破电网发展瓶颈的有效方式。根据广州中新知识城高负荷密度地区供电的特点，中压配电网络采用20 kV电压等级。区域内变电站采用110/20/0.4 kV和220/20/0.4 kV 电压层级供电［1］。

目前，广州地区中压配电网电压等级均采用10 kV，暂无20 kV电压等级的运行及设计经验，有必要对20 kV电压等级的相关技术作进一步的研究。本文以110/20 kV和220/20 kV变电站的20 kV接线方式作为研究对象，提出20 kV侧的最优接线方式，为合理选择工程接线提供依据。

1 变电站20 kV接线方式

单母线分段是变电站35 kV以下配电装置常用的接线方式，110/20 kV和220/20 kV变电站20 kV侧可考虑采用单母线分段接线的方式［2］。

对于20 kV侧，开关设备的结构和可靠性与10 kV的类似，其接线方式可参考10 kV的接线方式配置。110 kV及以上变电站通常配置3～4台主变压器［2-3］，以达到最佳经济运行，相应地站内20 kV侧一般采用单母线分段、单母线分段环形接线等接线方式。

(1)方式Ⅰ:单母线三分段接线，适用于3台变压器，其原理如图1所示。

图1 单母线三分段接线Fig.1 Single bus with triple section

(2)方式Ⅱ:单母线四分段接线，适用于3～4台变压器的变电站，用于3台变压器时，中间的变压器联接2段母线，其原理如图2所示。

图2 单母线四分段接线Fig.2 Single bus with fourfold section

(3)方式Ⅲ:单母线六分段环形接线，适用于3台变压器的变电站，每台变压器都联接2段母线，其原理如图3所示。

图3 单母线六分段环形接线Fig.3 Single bus with sextuple sections in circle

图4 双母线三分段接线Fig.4 Double bus with triple section

2 20 kV接线方式的最优选择

2.1 可靠性

目前，变电站低压侧母线均装设备自投功能装置，当1台主变故障停运时，全站负荷平均分配至正常运行母线上。根据GB 50613—2010《城市配电网规划设计规范》［4］，高压配电网中任一元件(母线除外)故障或检修停运时应不影响电网的正常供电。考虑主变压器N-1故障运行，定性分析20 kV侧几种接线方式。

接线方式Ⅰ受主变过载能力限制，必须损失故障段母线上的大部分负荷，可靠性最低。接线方式Ⅱ可通过倒闸操作转移负荷以降低负荷损失，使对主变过载能力要求降低，但倒闸过程中需要短时停运正常段母线，可靠性一般。接线方式Ⅲ、Ⅳ，故障段母线可直接接入正常段母线，不需要短时停电倒闸;虽然其过载能力与接线方式Ⅱ相当，由于减少停电时间，可靠性最高。

目前，对变电站主接线的定量分析方法已比较成熟，常用的有频率和持续时间法［5］、状态空间法和最小割集法等［6］。然而，由于可靠性分析原始数据的不确定性，可靠性指标也仅作为参考的依据。当然，可通过关键灵敏度分析［7］，确定变电站内各元件对系统可靠性影响最大的设备，以做出有针对性的计划安排。

2.2 超稳定极限运行能力

超稳定极限运行能力主要限制变压器在额定负荷下运行，避免主变长期过负荷(超稳定极限)运行而造成电网可靠性降低和设备寿命降低。

110 kV主变压器即时负荷系数不超过1.40时，应在1 h内执行转负荷，限制该主变在额定负荷以下运行;220 kV主变压器即时过负荷系数未超过1.15时，在1 h内采取有关转负荷措施［8］。

对应110/20 kV、容量为80或100 MVA的主变压器和220/20 kV、容量为100、120或150 MVA的主变压器，各种接线方式对主变压器即时过负荷能力的满足情况如表1所示。

2.3 主变压器的过载裕度

1台主变故障时，正常运行主变应保证全站70%的负荷正常运行。当1台主变故障时，要求负荷转移到其他主变上［9］。

采用接线方式Ⅰ时，每台变压器下仅装设1台变低开关，任一台主变停电时，若要求不损失全站负荷，必须要求将停运主变的负荷完全转移至其他主变供电，负荷要求增加100%，这使得主变严重过载运行。由于开关设备不具备过载能力，根据表1的计算数据，主变过载率最大仅约10%(110 kV变电站)，裕度较小。

?

采用接线方式Ⅱ时，由于中间1台主变低压侧装设了双变低开关，增加了主变过载裕度，但也仅局限于对中间1台主变的考验。

采用接线方式Ⅲ和Ⅳ时，每台变压器均装设双变低开关。当变压器额定负载运行时，每台变压器20 kV侧开关设备的正常负载电流只有仅装设1台变低开关时的1/2。根据表1的计算数据，这2种接线方式的主变过载率达50%。虽然开关设备不具备过载能力，但其不会成为限制主变过载的瓶颈，过载裕度较大。变压器的安全运行率、储备系数和容量裕度［10］都比前2种接线方式要高。

2.4 扩建和调度灵活性

从变电站规模扩建角度考虑。根据表1的统计显示，后2种接线方式能根据负荷的发展情况增加主变压器额定容量，而低压侧开关设备不需要作更换调整，节省前期投资;前2种方式仅能通过新建变电站来满足负荷增长的需求。采用接线方式Ⅲ或接线方式Ⅳ，扩建的灵活性将大大提高。

从调度灵活性考虑。接线方式Ⅲ在任一台主变故障停运时，负荷均可转移至其余2台主变上。接线方式Ⅳ可采用多种运行接入方式，通过短时切换和负荷转移，每台主变各带3段母线，即全带1条母线或各带每条母线中部分母线，根据每段母线的负荷情况作选择，灵活性最高。例如，1号主变故障停运，2号、3号主变可分别带I母和II母，或分别带Ia、Ib、IIa和IIb、IIIa、IIIb。接线方式Ⅰ和Ⅱ都仅有一种故障运行方式，灵活性较低。

2.5 经济性

参考国内某优质20 kV中置式开关柜设备生产厂家提供的设备购置费，20 kV、3 150 A进线断路器柜、母联分段柜和母联隔离柜的购置费，以及各种接线方式的设备配置数量如表2所示。

?

由表2可知:方式Ⅰ的投资是方式Ⅳ的50%，投资最少。然而，如前所述，其可靠性或灵活性等指标是最低的。

方式Ⅱ的投资比方式Ⅰ增加了约15%。在同等的条件下，应优先选择方式Ⅱ，因为该方式投资增加相比整个项目投资是微不足道的，而可靠性比方式Ⅰ显著增加。

方式Ⅱ的投资虽然是方式Ⅲ的66.7%，但其可靠性和灵活性都较后者要低。

方式Ⅲ和方式Ⅳ的可靠性和灵活性相当，前者投资可节省约10%，推荐采用前者。

综合以上分析，由于该部分的设备购置费用对整个项目的投资增加影响不大，从可靠性、灵活性和经济性三方面考虑，方式Ⅲ最优。

当然，随着设备制造水平的提高，变低开关的额定电流将达4 kA。此时，前2种方式超稳定极限运行能力和主变过载裕度都将提高，但其可靠性及灵活性仍相对较低。若从节省投资角度考虑或不考虑远期扩建，这2种方式仍是可选择的。

3 结语

变电站电气主接线是电力系统的重要组成部分，是发电、输电和配电系统的重要发电能量传输点，其能否正常运行关系着电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。单母线分段环形接线为20 kV侧的最优接线方案，该接线方案也可推广至6～35 kV配电装置中。

［1］广州电力设计院，华南理工大学.中新知识城电压层级优化研究［R］.广州:广州供电局，2010.

［2］戈东方.电力工程设计手册电气一次部分［M］.北京:中国电力出版社，1999:45-50.

［3］曾增功.变电所主变压器规划台数的选择［J］.电力建设，1998，20(4):34-36.

［4］GB 50613—2010城市配电网规划设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［5］张劲松，任震，何建军.基于FD法的变电站主接线可靠性评估［J］.广东电力，2000，13(2):1-5.

［6］聂杰良.变电站电气主接线可靠性与经济性评估［D］.河北:华北电力大学，2008.

［7］任震，梁振升，黄雯莹.交直流混合输电系统可靠性指标的灵敏度分析［J］.电力系统自动化，2004，28(14):33-36.

［8］广州供电局.关于防止主网设备超稳定极限运行的通知［Z］.广州:广州供电局，2010.

［9］DL/T 5429—2009电力系统设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2009.

［10］赵俊光，王主丁.电网规划中对变电容载比的探讨［J］.电力建设，2008，29(6):12-12.