变电站站用不停电改造技术

郭 威，陈晓芳，李 晔，周成龙，郑剑斌，鄢 园

（国网厦门供电公司，福建 厦门 361000）

0 引 言

变电站交流系统是全站设备用电的来源，与变电站直流蓄电池组形成站内电源系统。当交流电源消失时，蓄电池组的任一蓄电池异常都将导致全站设备用电丢失，造成不可估量的后果。目前，变电站交流站用电柜均采用双电源切换（ATS）方式，也可采用备自投方式。长期以来，改造站用交直流系统均采用停电的方法，存在极大的安全隐患。一旦全站交流电源消失，蓄电池带载能力不足时，将可能造成全站二次设备失电。当电网发生故障时，继电保护将无法快速切除故障，可能造成大面积停电。为营造更安全的站用电改造环境，亟需研究出新型的站用电改造方式，降低站用变停电改造时间，同时保障重要负荷改造期间的可靠转移。

本文提出的变电站交流系统改造新方法，是优化传统400 V站用交流电改造方案，搭建400 V站内用电负荷转移的专用配电箱。交流系统改造时，直接转移重要负荷和停电段的电源、负荷至专用配电箱，从而有效防止交流电源失电，极大地提升了交流负载和站用电改造期间系统的运行安全性和稳定性[1]。

1 新型站用电停电改造方案

根据站用变停电改造时所需转移的重要负荷和负荷容量，在负荷转移的专用配电箱空开级配满足电力行业要求的前提下，分别对采用备自投方式和ATS方式下的站用电改造方案设计。

1.1 备自投方式下的新型站用电停电改造方案

采用备自投方式的站用电改造，如图1所示。以400 V Ⅰ母改造为例，400备自投退出，401、400、402各占一个屏柜，401、402进线柜无相互关联的母排与二次接线。改造401进线柜时，可先申请停电951高压开关和401低压开关，将#1站用工作变压器低压侧进线电缆转移至专用配电箱。配电箱应可转接低压侧150～185 mm2电缆，同时配有至少4个空开，供直流充电交流电源1、主变冷却器交流电源1、消防系统电源1以及通信电源1负荷引接。空开级配应满足四路负荷级配要求。四路重要负荷引接后，可对951和专用配电箱内的重要负荷送电，保证两路负荷在改造过程中正常供电。另外，可将次级重要单电源负荷直接转移至运行中的#2站用电备用空气开关，将原本至少需要停电951、401开关3 d的时间缩短至2 h，极大地提高了安全可靠性。同理，改造402进线柜时，可申请停电952、402开关，将#2站用工作变压器低压侧进线电缆转移至专用配电箱。配电箱应可转接低压侧150～185 mm2电缆，同时配有至少4个空开，供直流充电交流电源2、主变冷却器交流电源2、消防系统电源2以及通信电源2负荷引接，且空开级配应满足四路负荷级配要求。四路重要负荷引接后，可对952及专用配电箱内重要负荷送电。另外，可将次级重要单电源负荷直接转移至运行中的#1站用电备用空气开关。

站用变改造前的具体操作流程如下：

（1）退出400 V备自投装置；

（2）断开400开关；

图1 备自投方式下的站用变接线图

（3）断开951、401开关；

（4）负荷转移至专用配电箱（负荷转移过程约1 h）；

（5）合上951、配电箱内进线总开关实现送电；

（6）400 V Ⅰ母相关屏柜改造。

站用变改造后具体操作流程如下：

（1）断开951；

（2）断开配电箱内进线总开关；

（3）配电箱内负荷转移至新的400 V Ⅰ母相关屏柜；

（4）合上951开关送电；

（5）投入400 V备自投功能。

1.2 ATS方式下的新型站用电停电改造方案

采用ATS切换方式的站用变改造，如图2所示。以400 V Ⅰ母改造为例，两进线柜分别包含了另一进线母排，如12DL13DL开关上端母排或者22DL23DL开关上端母排。无论单独停951还是952高压开关，两进线柜内均有一侧带电，无法保证站用电改造时的人身安全。因此，改造前分别停951和952高压开关，将#1站用工作变压器低压侧进线电缆转移至一专用配电箱，将直流充电交流电源1、主变冷却器交流电源1、消防系统电源1以及通信电源1引入该专用配电箱；将#2站用工作变压器低压侧进线电缆转移至另一专用配电箱，将直流充电交流电源2、主变冷却器交流电源2、消防系统电源2以及通信电源2引入该专用配电箱。两个配电箱可转接低压侧150 mm2电缆，同时配有至少4个空开，供直流充电交流电源2、主变冷却器交流电源2、消防系统电源2以及通信电源2负荷引接，且空开级配应满足四路负荷级配要求。以上重要负荷转移后，可以对951、952开关及专用配电箱内的重要负荷开关送电。将需要从站外引入一临时电源的改造前安全措施的时间和停用站用电951、952开关改造工程的时间，缩短为951、952共只需停电6 h（改造前3 h负荷转移至专用配电箱，改造后3 h将负荷转移回站用电低压侧负荷母线），极大地缩短了停电时间和施工工期，且无人身触电风险，保证了电网的安全运行。

图2 ATS方式下的站用变接线图

站用变改造前具体操作流程如下：

（1）将ATS1、ATS2装置电压切换由自动打至手动；

（2）断开951开关；

（3）断开4011、4022刀闸；

（4）负荷转移至专用配电箱1；

（5）合上951、配电箱1内进线总开关实现送电；

（6）断开952开关；

（7）断开4012、4021刀闸；

（8）负荷转移至专用配电箱2；

（9）合上952、配电箱2内进线总开关实现送电；

（10）400 V Ⅰ母相关屏柜改造。

站用变改造后具体操作流程如下：

（1）断开951开关；

（2）断开配电箱1内进线总开关；

（3）将配电箱1内负荷转移至新的400 V Ⅰ母相关屏柜；

（4）合上951开关送电；

（5）合上新的400 V Ⅰ母相关屏柜内4011、4022开关；

（6）将新的400 V Ⅰ母相关屏柜内ATS装置由手动打至自动投入运行；

（7）断开952开关；

（8）断开配电箱2内进线总开关；

（9）将配电箱1内负荷转移至新的400 V Ⅱ母相关屏柜；

（10）合上952开关送电；

（11）合上新的400 V Ⅰ母相关屏柜内4012、4021开关。

通过上述技术可实现400 V站用电改造期间的不停电工作。

2 负荷转移平台搭建

根据前述原理，本文提出的新型站用电停电改造方案主要通过搭建负荷转移平台即专用配电箱来实现，而普通配电箱难以满足站用电改造的要求。因此，在考虑设备和人身安全的前提下，设计了一种专用配电箱。

专用配电箱满足以下技术性能及指标：

（1）配电箱进线空开应适应站用电改造时进线电缆接头的转接；

（2）配电箱进线空开容量应满足所有转接负荷运行而不跳闸，并与各级负荷满足级配要求；

（3）配电箱内负荷空开容量应满足转接负荷运行而不跳闸，并与进线空开满足级配要求；

（4）配电箱内用铜排连接，铜排截面积应满足空开运行的最大载流量的要求，同时应能与各元器件可靠连接；

（5）箱体尺寸及重量应趋向于便携式，满足两个成年人轻松搬运的要求；

（6）箱体应有防止人身触电伤害的设计。

针对要求（1），本文提出采用“外八式方块接头”设计，以有效防止因进线空开尺寸限制导致电缆接头间距不足而发生的短路。方块样截面满足各种交流电源进线电缆接头铜鼻子截面，通过加装垫片实现各种接头的连接，同时为承受进线电缆重力及扭力，其厚度不小于5 mm。

针对要求（2）～要求（4），分别对四个重要负荷进行容量校核。

主变冷却器电源空开容量计算式为：

其中，K为可靠系数，一般取1.35；n1为主变满载时运行的冷却器组数；n2为每组冷却器风扇电机数；Ib为每组冷却器中油泵电动机的额定电流；If为每组冷却器单台风扇电动机的额定电流。

直流充电交流电源和通信电源空开容量计算式为：

消防电源空开容量计算式为：

其中，n为消防水泵电动机数量，Ic为电动机额定电流。

由式（1）～式（3）可得，220 kV变电站站用电主变风机电源、消防控制电源、直流充电交流电源及通信电源空开，分别选取为75 A、75 A、40 A和40 A。根据级配要求，进线空开选择200 A，铜排选择截面积分别为2 cm×0.3 cm和1 cm×0.3 cm。

针对要求（5），箱体总体尺寸应控制在50 cm×50 cm×50 cm以内，重量控制在60 kg以内。不锈钢304密度为7.93 g/m3，根据50 cm×50 cm×50 cm，厚度5 mm的空壳箱体重量为39.6 kg；箱体骨架选择空心铝管，50 cm×50 cm×50 cm的箱体所需材料估算重量小于1 kg；空开布置于绝缘性能良好的环氧树脂绝缘挡板上，50 cm×50 cm的1 cm厚环氧树脂板密度为0.98 g/cm3，重量为2.45 kg；铜排（密度约8.9 g/m3）计算用量约5 m的2 cm×0.3 cm和7 m的1 cm×0.3 cm，总用量约重量4.5 kg；所选空开总重量应不超过12 kg。

综上，满足各项技术性能指标的专用配电箱设计图，如图3所示。

3 无线数据采集和信号传输装置

为在改造期间实现无线采集现场工况，设计了集成数据采集和数据显示功能的专用配线箱，可在技改过程中推送相关信息至手机客户端。

图4为无线数据采集和信号传输装置的系统结构图。该无线装置通过采集器采集现场温度、电压等工况，经由路由器（需插入4G通信卡，通过在路由器内进行二次开发实现MQTT协议的消息推送）发送到用户手机，同时将此类220 V/380 V交流信号经过互感器转换成模拟量直接接入PLC，以实现即时采集、越限报警等功能，从而支撑技改项目的全过程控制。

4 结 论

本文提出的新型站用电停电改造方案克服了现有技术的不足，通过提供更安全、稳定的变电站交流电源改造方式，极大地提升了站内用电的安全性和可靠性，推广价值极大，目前已在厦门供电公司多项技改工程中成功应用。本方案不仅适用于站用电改造，还适用于电力系统的其他技术改造项目，如变电站主变冷却器控制箱的改造，可使技改项目由停电作业转为不停电作业，从而有效提高电网的经济效益。

图3 配电箱设计图

图4 无线数据采集及信号传输装置结构图