大功率车载式移动变电站设计应用系统研究

2020-03-03蔡晶冉旺韩丹刘石林清如刘志刚许成昊

广东电力 2020年1期

蔡晶，冉旺，韩丹，刘石，林清如，刘志刚，许成昊

(1.广东电网发展研究院有限责任公司，广东广州510080；2.广东电科院能源技术有限责任公司，广东广州 510080；3.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广东广州 510080)

“十三五”期间，随着我国国民经济的发展和电网建设发展的不断推进，对变电站供电可靠性的要求越来越高，电力供应需求进一步扩大。中国南方电网有限责任公司(以下简称“南网”)近年来积极推广新设备、新材料、新技术、新工艺的应用，同时将应对自然灾害、事故抢修、变电站改造、阶段性负荷高峰等情况，以及如何保障供电不间断、缩短失电时间作为重要研究课题。移动变电站是在有限空间下的低成本、高效益、智能化的供电解决方案，是将传统变电站的电气一次设备、电气二次系统安装在平板拖车或集装箱中的变电站，可在电网的规划、运行等阶段实现分布式能源集成，为用户提供高质量和高可靠性的供电服务[1-2]。移动变电站具有集成化程度高、体积小、占地少、选址灵活、投资小、见效快等优点，在使用上具有便于运输、组合灵活、安装快捷等特点，尤其是达到城市电网常规容量及电压等级的移动变电站，具有广阔的应用前景。

移动变电站的应用始于欧洲及北美地区，加拿大安大略水电公司自20世纪70年代起就已经开始使用移动变电站，主要用于设备检修和设备故障临时供电。目前国内外科研机构及生产商均在加速该领域的研究应用工作，如意大利西门子公司能够设计并制造出最高电压等级为245 kV的移动变电站，其最大容量可达63 MVA[3]；国内首台66 kV/20 MVA移动变电站，110 kV/20 MVA、110 kV/40 MVA移动变电站均由西门子变压器(武汉)有限公司设计制造，并已成功运行，效益良好。据行业相关资料的不完全统计，近5 年以来国内共配置建设35 kV/110 kV/220 kV不同电压等级变电站100台(套)，在南方电网和国家电网取得了一定程度的推广。

南网十分重视新一代移动式变电站的研发，移动式变电站正朝着高电压、大容量和智能化的方向发展。2016年贵州电网有限责任公司首座110 kV移动式变电站(容量为40 MVA)正式投入使用；2017年广东电网有限责任公司(以下简称“广东电网”)首座35 kV/20MVA移动式变电站正式投入使用，同时开展110 kV移动变电站最大容量为40 MVA、50 MVA及63 MVA以上大容量、高等级的研发工作。全面开展关键设备技术攻关，进行相关技术特性改进与技术标准制订，进一步规范相关设计和建造全过程，各级规划建设、生产运行、科技等部门在可研、设计、采购、施工、验收阶段需紧密合作，以确保移动变电站的技术经济性最优，同时在新材料、新工艺、新技术方面不断实现技术突破。

1 移动变电站研究的必要性及设计难点

1.1 研究必要性

研发新型大型车载移动变电站成套电力设备是复杂的系统工程，涉及设计理念和基本理论、使用范围及条件、设计方法、制造工艺、安全技术与组织措施、整体设备的出厂检验、运输与固定安装方法、运行前的检查验收与技术措施、设备运行后期维护、故障诊断与防范措施以及现场实施相关过程中配套附属设施安装等方面。车载移动变电站采用全封闭紧凑结构，投运灵活，可快速接入电网，运行维护技术简易，在紧急情况下可全部或部分替代某一常规变电站并恢复供电，已成为电网企业的重要应急设备。目前对移动变电站的建造规范尚未形成统一的行业标准，对大功率车载移动变电站的设计、运维、推广使用进行研究十分有必要，将进一步推动车载移动变电站的研发，并且对类似领域变电站的整体制造技术发展起到积极的促进作用。表1从5个层面列举了移动变电站可解决的需求问题。

为进一步提升电网可靠性及保供电应急能力，广东电网计划于2018—2020年投资约2亿元，用于研发新型大型车载移动变电站成套电力设备，采用分区域部署11座移动变电站，包括5座35 kV/10 MVA移动变电站，2座110 kV/40 MVA移动变电站，4座110 kV/50 MVA移动变电站。

1.2 设计难点

结合国内已投运的110 kV车载变电站有20 MVA和31.5 MVA这2种等级，该类车载变电站的整体结构布局通常使用“单车两模块”或“两车三模块”的设计方案[4]，主变压器高度满足道路运输标准，防雷接地结构相较不复杂。而110 kV/50 MVA大功率移动变电站由于集成程度更高，需进行体积控制并重新分配载重，对抗震及防雷接地的要求更严苛，将整套变电站设备集成在移动变电站往往面临以下设计难点：

a)兼顾设备小型化和机动性。车载变电站的应用场景对设备的模块化集成度要求高，整体结构需满足设备体量轻、小型化、安全高效性、移动方便具备较强机动性等要求，投运条件便捷，具有快速接入和短期运行维护简易化等特点。通常变压器的变电容量与体积成正比，为满足道路运输标准，需优化车载变压器设计，减少主变压器的高度和体积。

表1 移动变电站应用场景Tab.1 Application scenarios of mobile substation

b)高压设备及配电装置的紧凑布置。移动变电站具备常规变电站的主要功能，因此模块间布置方案的紧凑性将直接影响电缆布线、检修难度及道路运输。

c)防雷接地。相较常规变电站固定布置的避雷器，大功率车载移动变电站因不满足保护距离的要求，不宜设置车上固定避雷器，因此车载变电站避雷器的设计需适用于多种场景并具有便携性。

d)通信技术。根据移动变电站的布点情况，设置可靠的通信系统，布置于变电站内时可使用站内设备通信，布置于站外时借助于公网无线通信，数据传输稳定性及保密性受到挑战。

2 移动变电站总体设计及优化方案

受国内道路交通法规的4个限制——限高度、限长度、限宽度、限重量，目前国内研发的车载移动变电站一般采用35 kV及110 kV电压等级，结合变电站站址道路运输条件的实际情况，容量最多可做到50 MVA[5]。结合南方电网的用电情况和广东地区的地貌特点，广东电网发展研究院有限责任公司和广东电科院能源技术有限责任公司从2017年起，联合组建项目研发团队，探索研究国内首台110 kV/50 MVA车载移动式变电站。项目采用模块化设计方案，最大限度减少线缆，方便组合使用。该变电站主要有车载系统、高压模块、中压模块、控制及保护模块和防雷与接地5大模块[6-9]。

2.1 车载移动变电站总体框架设计

110 kV车载移动变电站的变电车模块部分应包括：110 kV避雷器、110 kV电压互感器、110 kV高压开关、110 kV主变压器、车载平台及附属设备；10 kV配电车模块应包括：10 kV开关柜及其集装箱、直流电源、综合自动化及保护部分、车载平台及附属设备。

2.1.1 车载系统设计

车载系统是移动变电站的设备平台和动力系统，主要由车头和拖车组成。根据公路运输条件要求，使其总高度不超过4.5 m，总宽度不超过3 m，坡度不超过30°，加速度不超过3g。常见的20 MVA和31.5 MVA车载模块设计多采用“两车”方案，即GIS/HGIS与变压器车加10 kV配电车组合。考虑50 MVA容量等级的移动变电站总长度较长，重量较大，设计使用“三车”方案，即HGIS车(1号车)加变压器车(2号车)加10 kV配电车(3号车)，具体如图1所示(单位mm)。

图1 移动变电站“三车”布置示意图Fig.1 Layout schematic diagram of three vehicles mode of mobile substation

“三车”方案可根据需要单独使用或组合使用HGIS模块、变压器模块、10 kV开关柜3个模块，应用更灵活，而且车辆相对较轻，长度较短，运输更方便，更适于应急抢修使用。其中1号车装载HGIS组合电气设备，2号车装载主变压器及所属设备，3号车装载10 kV 母线及母线所属设备。

2.1.2 高压模块

高压模块主要由HGIS与变压器组成，分别置于1号车和2号车上。GIS是指SF6封闭式组合电器，多用于5 ～20 MVA容量等级的移动变电站。HGIS的结构与GIS基本相同，但它不包括母线设备，该母线外露，并不装于SF6气室，因而结线清晰、简洁、紧凑，安装及维护检修更加方便。综合比较以上2种高压电器结构[10-11]，根据我国交通运输的实际情况采用占地面积更小、重量较轻的HGIS设备。移动变电站的运输总高度要求不超过4 m，20 MVA和31.5 MV容量的主变压器高度符合该要求。50 MVA容量的主变压器高度超过限高，为了满足变压器整体运输，将高压出线套管从变压器腰部引出，同时将储油柜设计成扁平型，位置紧贴变压器本体，可有效降低变压器高度。

2.1.3 中压模块

中压模块主要由进线模块和10 kV箱式开关站组成，置于3号车上。设计进线模块要考虑以下2点：①高压侧、主变压器、低压侧组合在1辆拖车上，方便实现主变压器保护，使得拖车之间的连接电缆最少，能够在最短时间内投入运行。②若高压车分为高压开关车和主变压器车，在路况允许的前提下可整体由1个车头牵引运输；道路较窄或转弯半径较小时，可分别牵引，整车模块可以独立使用。

2.1.4 控制及保护模块

控制及保护模块设置于3号车上，主要由变电站综合自动化系统和一体化电源系统组成。设计按无人值班的要求，由微机监控系统作为主要的控制手段，控制方式包括远方操作、变电站自动化系统后台操作、测控屏操作和就地操作。各级控制操作遵守唯一性原则，一级操作闭锁其他级操作，各级操作切换通过软件和转换开关实现。智能远动机作为全站统一的出口系统，负责厂站与各级主站之间的通信和协调，每台远动装置将监控后台采集的数据通过远动通道分别传送至各调度中心调度自动化系统。一体化电源系统由站用交流电源、直流电源、交流不间断电源、直流变换电源等装置组成，通过一体化电源系统监控装置进行统一监视控制，实现变电站交直流二次监视控制的统一管理。采用IEC 61850标准统一与站控层交换信息，实现对全站站用电源的全参数统一管理。

2.1.5 防雷与接地设计

50 MVA容量等级移动变电站设备体积较大，导致车辆空间小，避雷针与电气设备的距离较近，如果避雷针设计效果不佳(比如接地不良)，会因为其对雷电的吸引作用而给车辆上的电气设备带来雷电冲击，损坏电气设备。因此，本设计在车辆上不设置固定避雷针，实际应用时，在110 kV进线、10 kV出线、母线段设置避雷器，可在应用现场设置车载伸缩式避雷针，也可利用线路的避雷线，或设置移动避雷针[12-13]，防止雷电波侵入。同时，在移动变电车上设置接地端子，在变电站使用时可接到变电站预留接地端子，在郊区使用时可临时铺设小型接地网。所有设备集装箱四角及每间隔5 m左右直接与主接地网相连，所有构架、支架的基础以及设备基础敷设专用接地扁铜引至主接地网，且重要设备必须有2根接地引下线，接于不同的接地母线上，从而满足双接地的要求。

2.2 接线设计

1、2号车通过110 kV导线连接，2、3号车通过10 kV电缆连接，3号车通过10 kV电缆可送出5回出线，3台车经电气连接后形成110 kV线-变组接线、10 kV形成单母线接线。110 kV移动变电站电气接线如图2所示。1号车可通过电缆或架空导线接入110 kV电网系统，HGIS通信协议遵循IEC 61850；2号车的变压器高压侧进出线采用架空导线或工厂预制的整体式电缆终端接头与复合式气体绝缘封闭式组合电器模块连接；低压侧进出线采用架空导线与低压侧的中压开关进出线连接。3台车保护就地配置，110 kV移动变电站综合自动化、防误、通信、监控为独立系统，3台车之间经二次电缆连接并将信息及数据通过无线方式上传至监控机，实现自动化变电站的运行模式。

2.3 通信设计

移动变电站接入系统后，通信部分按以下2种情况考虑：①若原变电站通信可用，考虑采用原站内的通信系统传输；移动变电站接入后，为远动、计量、保信和遥视提供调度数据网通道，利用原变电站至地调调度数据网通道。②若原变电站通信不可用，考虑增加租用无线公网的通信方式。无线安全隔离与加密装置是1套基于无线网络的紧凑型自动化装置，该装置将遥信和遥测的数据采集、安全隔离、无线通信集成在1台设备中，具有安全隔离、链路备份、网络攻击预防与处理等特点。移动变电站接入系统后，通过租用无线公网4G网络，为本移动站至调度端提供通信通道。

3 移动变电站运行方案

3.1 运维标准

根据目前正在制订的车载移动变电站运行和维护标准的相关规定，在运维方面应注意以下几点：

a)运输注意事项。移动式变电站变电车采用带油运输，整机发运。由于主体和储油柜正常注油且吸湿器处于工作状态，变压器倾斜度不得超过10%。运输前，对整车进行固定情况检查，启动并记录冲撞记录仪。HGIS气压在运输前须解压回收降至0.03～0.05 MPa。移动变电站运输参数[14-16]包括：1号车、2号车、3号车的最大运输时速分别为30 km/h、30 km/h和60 km/h；转弯速度30 km/h；最小转弯半径8 m；长轴、短轴和竖直方向的运输冲击加速度分别为3g、2g和2g。

图2 110 kV移动变电站电气接线示意图Fig.2 Schematic diagram of electrical wiring of 110 kV mobile substation

b)现场就位注意事项。移动车就位时，应根据基础硬度首先在电动支撑腿下方放置枕木，以减少基础沉降；再参照车底板长轴方向的水平仪，将机械支撑腿撑起，至轮胎不受力，使整套设备调整至水平[17-18]；建议1号车HGIS出线和2号车主变压器高压进线端子距离不超过7 m。

c)运行准备工作。在接通高压电源之前，核对移动变电站铭牌技术数据与运行电力线路要求的技术数据一致性；确保原件如断路器、隔离开关分合闸位置正常，3台车可靠接地；检查接地网连接，变压器外观、油位，呼吸器硅胶颜色、漏油情况，主体开关和电器有无残存气体；主变压器车和HGIS车之间的钢芯铝绞线连接满足三相之间以及对地的安全距离要求。

d)投运时应拆除危险工作区域的接地线和短接线；带电后，确保出线相序和供用户相序一致，如果采用2条及以上出线供单一用户，出线之间的用户端还需核相，确保出线间相位一致，同时确保与用户相序一致；在变压器空载运行的1 h内，注意观察温升和气体继电器的情况；检查有无异常、有无明显振动、有无漏油。如各项检测结果均显示良好，才能给变压器加负荷。

e)移动变电站的检修和保养。首次带电1 a内，应进行首检，首检的试验项目和标准按照要求[19]进行；连续运行期间，应按照规定的周期、项目及标准进行检修[20]。

3.2 投运试验事项

移动变电站抵达现场就位后，为确保移动变电车的安全运行，需按运维标准完成项目，安装流程如图3所示。其中接地网和防雷装置安装完成后需测试接地电阻；对HGIS充气时速度不应过快，人员应站在上风口并佩戴防毒面具；安装电缆前应检查受潮情况和弯曲半径，安装完成后做好封堵工作。

图3 110 kV移动变电站安装流程图Fig.3 Flow chart of 110 kV mobile substation installation

安装完成后，在非应急情况下应按照交接规程进行检测和试验；在应急抢险情况下，应对移动变电站进行检测试验，检测内容见表2。

4 结束语

车载式移动变电站作为一种新型变电站建设模式，具有良好的设备组合灵活性和整体移动快速性，可满足应急供电、抗灾抢险、改扩建等多种场景下的需求，极大提升电网公司的供电可靠性。南网大力实施创新驱动发展战略，为加快推进安全、可靠、绿色、高效的智能电网建设，已将大功率车载移动变电站纳入新技术新设备推广应用范畴。本文针对所研发的全国首台110 kV/50 MVA大功率车载式移动变电站，经过大量的前沿创新研究工作，提出了批量采购、分区配置等模式；并针对车载式移动变电站的制造标准和运维标准制订提出建议，填补了国内相关方面的空白，对推进移动变电站的建设及深化研究具有十分重要的意义，社会经济效益明显，具有很好的推广应用价值，对加快打造安全、可靠、绿色、高效的现代化电网具有积极现实意义。