10kV变电所设计

2015-06-13缪波波徐雅兰四川七化建化工工程有限公司成都610100

化工设计 2015年4期

关键词：变电所短路电缆

缪波波徐雅兰四川七化建化工工程有限公司成都 610100

10kV变电所在化工项目配电中最具典型，因而，在化工配电设计工作中，10kV变电所设计是最基本，也是最重要工作之一。

本文以近期完成的几个具有代表性项目的10kV变电所电气设计为例，结合化工项目配电设计的经验，就10kV变电所设计的相关内容、步骤和方法进行全面的介绍，以期对新从事化工配电设计的同行提供有益的参考或借鉴。

1 供电方案制定及负荷计算

1.1 原始资料及电源进线方式确定

此阶段需要的原始资料:①供电区域的总平面图;②供电区域逐年及最终规模的最大负荷、年耗电量、功率因数值及项目投产日期;③ 每回出线的名称、负荷值、各负荷的性质及对供电可靠性或其它方面的特殊要求;④供电部门对电源电压、供电方式、电源路数及继电保护、自动装置等方面的相关意见;⑤用户对变电所设置方面的数量、容量、位置等的设想及资金准备情况等。

以云南某项目为例，工艺提出的负荷等级为二级;对于二级负荷，一般需要2个独立的电源供电。经与业主商定，电源来自厂区原有的110kV变电所，由该变电所10kV母线I，II段分别引出两路电源至新建10kV变电所。

1.2 变电所位置的确定

变电所位置应避开大气污秽、盐雾、与邻近设施有相互影响的地区 (如军事设施、通信电台、飞机场等)，滑坡、明暗河塘等。靠近负荷中心出线条件好，交通运输方便。最后两条作为重要依据，并同业主和总图专业确定变电所位置。

1.3 负荷计算

1.3.1 负荷计算的目的和方法

计算负荷是确定供电系统、选择变压器容量、电气设备、导线截面和仪表量程的依据，也是整定继电器保护的重要数据。计算负荷确定得是否合理，直接影响到电器和导线选择是否合理。如计算负荷确定过大，将使电器和导线截面选择过大，造成投资和有色金属的浪费;如果计算负荷过小，又将使电器和导线运行时增加电能消耗，并产生过热，引起绝缘层过早老化，甚至烧毁，以致发生事故。为此，正确进行负荷计算是供配电设计的前提，也是实现供电系统安全、经济运行的必要手段。负荷计算常用需要系数法。

需要系数法与用电设备的类别和工作状态有极大的关系，因此计算时要正确判明用电设备的类别和工作状态，否则将造成错误。需要系数法，用设备功率乘以需要系数和同时系数 (一般取0.8)，直接求出计算负荷。这种方法比较简单，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。

1.3.2 无功补偿

根据国家供用电规则规定:无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率的基础上设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送，目前广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。

电容器具备一定的抗谐波能力，但谐波含量过大时会对电容器的寿命产生影响，甚至造成电容器的过早损坏;电容器对谐波有放大作用，使系统的谐波干扰更严重，动态无功补偿的控制容易受谐波干扰的影响造成控制失灵，因而在有较大谐波干扰的地方补偿无功，还应考虑添加滤波装置。另外，无功倒送会增加线路及变压器的损耗，加重线路的负担，这是电力系统所不允许的。

2 短路电流计算及设备选择

2.1 短路电流产生的原因、危害和计算方法

造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误动作、雷击或过电压击穿等。短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。当它通过电气设备时，设备的载流部分易变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。

短路电流高压部分一般采用标幺值法计算，关于此方法，有很多文章和设计手册做专门的介绍，这里不做赘述。低压部分，特别是低压母线的短路电流，一般根据设计手册查表或是直接由变压器容量和短路阻抗值进行估算，计算公式:

式中，Ik为短路电流;Sn为变压器额定容量;Un为额定电压;Uk为变压器短路阻抗。

由此计算值来选择低压断路器的短路分断能力。

2.2 主要设备选择及校验

在电气设备选择时，应根据实际情况，在保证安全、可靠的前提下积极而稳妥地采用新技术，尽量节约投资。

2.2.1 主变压器

在10kV变电所中，要选用性能优越、节能低损耗和环保型的变压器。变压器的台数及容量要根据负荷计算和负荷分级的结果并结合经济运行进行选择。当有大量的一、二级负荷，或季节负荷变化较大，或集中负荷较大时，宜装设两台及以上的变压器。其中任何一台变压器断开时，其余变压器应满足一级负荷及大部分二级负荷的用电需要。为了使变压器容量在三相不平衡负荷下得以充分利用并有利于抑制3n次谐波影响，宜选用的变压器接线组别为Dyn11。Dyn11接线的变压器低压侧单相接地短路时的短路电流大，也有利于低压侧单相接地故障的切除。

设在高层建筑内主变采用干式变的变电所，应选用密闭型或防腐型变压器。为了不降低配电运行的电压，10kV变电所的主变分接头宜放在10.5kV上，分接范围油浸变为±2×2.5% ，干式变为±2×2.5%。

内蒙某LNG项目和山西某LNG项目，就选用的是SCB-10型干变;云南某项目多为二级负荷，其低压负荷计算值约为1800kVA，因此选择了2台S-13M-10/0.4-2000kVA的变压器。当一台故障时，另一台能承担全部的用电负荷。

2.2.2 开关柜

容量为500kVA及以上的变压器一般均配有10kV开关柜。目前10kV开关柜的主流产品分为SF6气体绝缘和真空绝缘。SF6气体绝缘的开关柜体积小，一般20年内免维护，但价格高，其气体的泄漏还会造成环境污染;真空绝缘的开关柜体积适中，相对同等档次的SF6气体绝缘的开关柜来说价格略低，使用过程中不会造成环境污染，但每二年就需做一次试验，增大了运行维护的工作量。因此开关柜的选择要根据实际情况而定。

2.2.3 电缆

(1)根据用途、敷设方式和使用条件来选择电力电缆。YJV型交联聚乙烯电缆和VV型聚氯乙烯电缆是普遍选用的电缆。YJV型电缆与VV型电缆相比，YJV型电缆虽然价格略高但具有外径小、重量轻、载流量大、寿命长的特点，因此，工程设计中应尽量选用YJV型电缆。

(2)电缆的额定电压UN≥所在电网的额定电压。

(3)按长期发热允许电流选择电缆的截面。但当电缆的最大负荷利用小时数Tmax＞5000h，且长度超过20m时，则应按经济电流密度来选择。

(4)允许电压降的校验。对供电距离较远、容量较大的电缆线路，应满足:

式中，Un、L分别为线路工作电压 (线电压)和长度;cos¢为功率因数;r、x分别为电缆单位长度的电阻和电抗。

(5)热稳定的校验应满足电缆截面应满足:

式中，Qd为短路电流的热效应;C为热稳定系数。

3 电气主接线

变电所的主接线对变电所内电气设备的选择、配电装置的布置及运行的可靠性与经济性等都有密切的关系，也是设计中的重要环节。主接线的形式多种多样，在10kV变电所的设计中常用的有单母接线、单母分段接线、线路—变压器组接线、桥式接线等。根据负荷用电要求选择出最合理的方案。

技术指标包括:① 供电的可靠性与灵活性;②供电电能质量;③ 运行管理、维护检修条件;④交通运输及施工条件;⑤分期建设的可能性与灵活性;⑥可发展性。经济指标包括:① 基建投资费用;②年运行费。

4 继电保护配置

当变压器发生故障时，保护的配置一般有两种途径:当选用断路器或开关来开断短路电流时，则配以各类的微机保护。如一次设备选用的是负荷开关，则选用熔断器来保护。两者比较如下:①断路器或开关具备所有的保护功能与操作功能，价格较昂贵。负荷开关只能分合额定负荷电流，不能开断短路电流，需配合高遮断容量后备式限流熔断器作为保护元件来开断短路电流，价格较便宜;②在切空载变压器时，断路器或开关会产生截流过电压，负荷开关则没有此种现象;③断路器或开关的全开断时间为继保动作时间、自身动作时间、熄弧时间之和，一般会大于油浸变发生短路故障时要求切除的时间。限流熔断器具有速断功能，但必须防止熔断器单相熔断时设备的非全相运行，应在熔断器撞击器的作用下让负荷开关脱扣，完成三相电路的开断;④由于高遮断容量后备式限流熔断器的保护范围在最小熔断电流到最大开断容量之间，且限流熔断器的时间特性曲线为反时限曲线，短路发生后，可在短时内熔断来切除故障，所以可对其后所接设备如CT、电缆等提供保护。使用断路器或开关则要提高其它设备的热稳定要求。但就限制线性谐振过电压方面来说，在变压器的高压侧应避免使用熔断器。

设计中，对变压器的保护，采用第一种方式较多，即选用断路器来开断短路电流，配以微机保护。当配电室远离中央变电所时，也会在配电室的干变前加负荷开关熔断器组来保护，但中央变电所仍有断路器配以微机保护。

当有大量高压电动机负荷时，除变压器的保护外，还有其他的继电保护配置。以山西某LNG项目为例，继电保护和自动装置设置原则如下:

(1)10kV系统继电保护采用微机综合保护系统及分层分布式综合自动化装置。按功能分为变电所层和间隔层，变电所层负责全所数据处理和管理，间隔层按一次设备分别配置，负责对相应开关的保护、遥测、遥信、遥控功能。各微机监控保护装置分散安装于各台高压柜上。各种线路保护及自动装置设置有:① 进线保护设置时限速断及方向过流保护，失压保护;② 母联保护设置电流速断保护 (合闸后自动解除)，过电流保护，母联备自投;③变压器保护设置电流速断及过电流保护，过负荷保护，温度保护;④10kV异步电动机保护设置电流速断保护 (≥2000kW装设纵联差动保护)，过负荷保护，单相接地保护，低电压保护;⑤10kV同步电动机保护设置电流速断保护(≥2000kW装设纵联差动保护)，过负荷保护，失步保护，单相接地保护，低电压保护。

(2)低压母联备自投采用母联控制器实现。

(3)380V低压电气设备保护及控制也采用微机综合自动化系统，所有电机采用智能型电动机保护器，其运行参数可远传至上位机显示。所有大于100A配电回路采用数显电测表，进线柜采用多功能综合电力监控表。以上智能表均配置通讯接口，所有参数引入低压综合自动化监控系统进行显示和电量统计。

(4)10kV高压开关柜真空断路器采用直流储能型弹簧操作机构;高压开关柜操作、保护和信号电源采用直流电源DC220V，由一套100AH直流电源装置供电。

5 平面布置

变电所布置应遵循以下原则:

(1)布置紧凑合理，便于设备的操作、搬运、检修、试验和巡视，还要考虑发展的可能性。

(2)适当安排建筑物内各房间的相对位置，使配电室的位置便于进出线。低压配电室应靠近变压器室，电容器宜与变压器室及相应电压等级的配电室相毗连，控制室、值班室和辅助房间的位置应便于运行人员工作和管理等。

(3)尽量利用自然采光和自然通风，变压器室和电容器室尽量避免西晒，控制室尽可能朝南。

6 土建任务书

10kV变电所的土建任务书包括:变电所平剖面布置及建筑物净高要求、变压器基础、高低压柜基础、电缆沟条件、建筑墙上开孔等内容。

6.1 布置及建筑物

电气专业将变电所的平面布置图完成后，与总图及建筑专业共商可行后，发与建筑专业。确定门的设置位置、高度、宽度和净高。门的高度设置，低压配电室一般为3.5m;高压配电室为4m;油浸变压器室一般不低压4.5m。

6.2 变压器基础

油浸变压器基础通常采用低式布置，具体可参看《工业与民用配电设计手册》相关内容和标准图集的做法。如果选用的是干式变压器，其基础就大幅简化，只需预埋2根扁钢即可，并且可以与低压柜并排放置，取消变压器室，只是在其前端加一台六氟化硫环网柜。干变和油变的选择遵从业主的意见，如由设计方选择，现在一般选用干变，基础简单，建筑造价大幅降低，且干变在维护使用上有诸多优点。

6.3 高低压柜基础

高低压柜一般位于电缆沟上方，通常做法:电缆沟宽度为柜体深度减去200，在沟的两边顶部(低于地坪100)处预埋100×10的扁钢，电气在扁钢上焊接10#槽钢作为高低压柜基础。计算荷重:高压柜、高压电容器柜为4900N/m;低压柜为2000N/m。

6.4 电缆沟条件

电缆沟依据沟内电缆数量的多少，确定沟的宽度和深度，以及支架单侧布置还是双侧布置。除柜底开沟外，一般在柜后布置电缆沟，与柜底电缆沟设通道连接，变电所内电缆沟设连接通道，互相连接。沟底坡度不小于0.5%，并依具体情况设置积水坑。相关条件与结构专业商量，共同确定。

6.5 建筑墙上开孔

主要包括油浸变压器室到低压配电室的墙上母排开孔，或是配电室内的高低压电缆出线桥架，以及去往DCS控制室的控制电缆桥架开孔等。通过实践，现在也有桥架出线不在墙上开孔，而直接通过电缆沟延伸到室外，在室外管廊桥架下方上到桥架，只需做好防水工作即可。

7 防雷与接地

(1)10kV变电所在建设过程中，可利用钢筋混凝土结构的屋顶，将其钢筋焊接成网并接地来防护直击雷。或是在屋顶用¢10圆钢做避雷带。只有干变，按三类防雷考虑;若是油变，按二类防雷考虑。

(2)在变电所内的高压侧、低压侧及进线段安装避雷器，以防护侵入雷电波、操作过电压及暂时过电压。

(3)10kV变电所中的接地网一般由扁钢及角钢组成，也可利用建筑物钢筋混凝土内的钢筋体作接地网，但各钢筋体之间必须连成电气通路并保证其电气连续性符合要求。接地电阻值要求不大于4Ω。变压器、高低压配电装置、墙上的设备预埋件等都需用扁钢等与接地网作可靠焊接进行接地。发电机的接地系统需另行设置，不得与变电所的接地网连接。

(4)低压配电系统按接地方式的不同可分为三类:即TT、TN和IT系统。TT方式供电系统是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统，称作保护接地系统。TN方式供电系统是将电气设备的金属外壳与工作零线相接的保护系统称作接零保护系统。在TN方式供电系统中，根据其保护零线是否与工作零线分开又可分为:TN-C和TN-S方式供电系统。TN-C方式供电系统是用工作零线兼作接零保护线，适用于三相负载基本平衡的情况。TN-S方式供电系统是把工作零线N和专用保护线PE严格分开，系统安全可靠，适用于工业与民用建筑等低压供电系统。此外，在一些由用户提供的图纸中，还可看到TN-C-S方式的供电系统，此系统的前部分是TN-C方式供电，系统的后部分出PE线，且与N线不再合并。

现在工程上一般都采用TN-S系统。

8 照明

10kV变电所内的照明电源从低压开关柜内引出，管线选用BV500铜芯塑料线穿管后沿墙或顶暗敷，电线的管径按规定配置，所配灯具应具有足够的照度，在安装位置上不应装设在变压器和高、低压配电装置上，应安装在墙上设备的上方或周围，留有一定的距离以保证人身及设备的安全，同时应避免造成照明死区。灯具安装高度应高于视平线以避免耀眼，还要避免与电气设备或运行人员的碰撞。