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                    寒冷区域模块化变电站电气设计分析

                    时间:2019-03-19 来源:哈尔滨理工大学 作者:张锶媛 本文字数:6614字
                      摘 要
                      
                      随着我国城镇化程度的逐步提高,居民对电力供应稳定性的需求也在不断提高。然而传统电网系统运行存在的电力资源损耗大浪费多、占地面积广布局不合理等负面问题,严重制约着我国电力系统的发展进程,因此具有“资源节约型、环境友好型、工业化”等优点的模块化变电站必将成为未来变电站的建设趋势。

                    寒冷区域模块化变电站电气设计分析
                      
                      本文采用的新型模块化变电站利用装配式建筑、一次设备智能集成,不仅从建筑结构上解决了传统变电站占地面积大的问题,而且通过模块化,智能化,使电气设备体积大幅度减小,设备运行更加智能,达到了功能优化、节能环保的目的。
                      
                      本课题通过对佳木斯地区电力分布和气候特点分析,进行了短路电流计算、设备选择、模块化电气设备一次二次布置、光缆电缆走向分布、智能控制系统等问题的研究,从而设计了模块化变电站--东风变电站。并以此为依托,对其进行安装调试,从检修效率、安全稳定性、操作复杂程度等方面进行分析,实际运行表明该变电站不仅大大减少了工程量,缩小了占地面积,造价较低,能够很好的适应东北地区的严寒特点。
                      
                      最后通过对东风变电站的电气设备能效分析和环保节能分析,对比传统变电站的资源利用率低,能源损耗大的缺点,分别设计了主变及站用变的节能方案,采用新的照明采暖节能措施,以及防火排水系统,形成了东风 220kV 变电站模块化建设的实施方案,该方案资源分配合理、能源利用率高,环保耐低温,能够满足东北地区的气候特点及电网结构,具有良好的可靠性和可行性,为今后的工程建设提供理论依据和数据支持。
                      
                      关键词 :  寒冷地区;变电站;能效。
                      
                      Abstract
                      
                      With the gradual improvement of urbanization in China, the demand for stability of power supply is also increasing. However, the negative problems existing in the operation of traditional power grid system, such as large wastage of power resources, large area and unreasonable layout, seriously restrict the development process of China's power system. Therefore, modular substations with the advantages of "resource-saving, environment-friendly, industrialization" will become the construction of future substations. Set trends.
                      
                      The new modular substation adopted in this dissertation not only solves the problem of large area occupied by traditional substation from the building structure,but also reduces the volume of electrical equipment by a large margin through modularization and intellectualization, makes the operation of equipment more intelligent, and achieves the purpose of function optimization, energy saving andenvironmental protection.
                      
                      Through the analysis of power distribution and climatic characteristics in Jiamusi area, this dissertation studies the problems of short-circuit current calculation,equipment selection, primary and secondary layout of modular electrical equipment,distribution of cable orientation and intelligent control system, and designs a modular substation-Dongfeng substation. On this basis, the installation and commissioning of the substation are carried out, and the analysis is made from the aspects of maintenance efficiency, safety and stability, and operation complexity. The actual operation shows that the substation not only greatly reduces the amount of work,reduces the area occupied, and has low cost, but also can well adapt to the severe cold characteristics of Northeast China.
                      
                      Finally, through the analysis of energy efficiency and environmental protection and energy saving of electrical equipment in Dongfeng substation, compared with the shortcomings of traditional substation, such as low utilization rate of resources and large energy loss, energy saving schemes of main transformer and station transformer are designed respectively, new energy saving measures of lighting heating and fireprevention and drainage system are adopted, and the implementation scheme of modular construction of Dongfeng 220 kV substation is formed. Reasonable allocation, high energy utilization, environmental protection and low temperature resistance can meet the climate characteristics and grid structure of Northeast China,with good reliability and feasibility, and provide theoretical basis and data supportfor future engineering construction.
                      
                      Keywords:    cold area; transformer substation; energy efficiency.
                      
                      第1章 绪 论。
                      
                      1.1 课题背景及研究的目的和意义。

                      
                      目前我国城镇化水平不断提高,伴随着居民电力设备的增长,对供电可靠性和用电量的需求也越来越高。用户对供电量和供电稳定可靠性需要求的提高与传统的电网络运行管理模式、土地征用难度的加大和人民日益增长的自我保护意识之间,产生了很大的矛盾,其主要矛盾表现为如下内容:
                      
                      (1)城市化进程速度的加快,导致城区内商业的繁荣和居民用户的增多,大大增加了电力需求量,针对黑龙江省,尤其以对新增 220kV 变电站需求最为迫切。然而周边居民对变电站噪音干扰、电磁辐射的担忧使城市中心变电站面临落地难的问题[1]
                      
                      (2)传统变电站的建设模式,结构复杂,一般需 3-5 亩地。随着土地成本的不断提高,城市中心位置空间的限制,使传统模式变电站占地面积较大是城市中心变电站落地难的主要原因之一。
                      
                      (3)传统的变电站,建设在城市中心,周围多为居民住宅小区,不仅在景观规划上难以做到美观和谐,而且变电站产生的噪声和电磁干扰都严重影响了周边居民的生活质量。而且传统变电站的建设周期较长,一般为 1-2 年,对周边环境影响较大,更难以满足经济快速发展需要;为解决上述矛盾,提升电网设计建设能力,电网提出了模块化变电站的概念。模块化变电站摒弃了传统的现场建筑物施工,通过工厂生产预制、现场装配安装两个阶段建设,大大缩短建站周期。这两大变化大大提高了整体工程的建设水平、安全供电等级和环保节能的程度[2]。“标准化设计、工厂化加工、装配式建设、占地面积小、节能环保”的模块化变电站,是解决上述矛盾的最优选择。但模块化变电站的设计与传统变电站存在着一定的差异,在不同地区、不同的电网结构中,很难制定出全国通用的统一设计标准,这种情况也一定程度的限制了模块化变电站的快速发展。因此,模块化变电站关键技术及设计方案的深入研究对模块化变电站的发展有着十分重要的意义[3]。
                      
                      1.2 模块化变电站的发展和现状。
                      
                      随着经济社会发展,负荷密度增长迅速,传统变电站建站模式因周期长、占地大等因素造成了电网建设难度大、工程建设效率和效益低等问题。为提高工程建设效率、提高变电站安全运行水平、降低建站费用[4],2012 年国网公司提出了模块化变电站的概念,其具有“标准化设计、工厂化生产、装配式建设”的显着特点。
                      
                      近年来国家加大对农配网建设的投资力度,2016 年以来,随着国家电网公司农配网建设投资规模不断增加,35kV-220kV 电网工程占新建 35kV 及以上工程数量的 70%以上。在这种形势下,国网积极研究对策,不断创新突破,有序组织推进 35kV-220kV 变电站模块化建设[5]。
                      
                      模块化智能变电站是基于现有户外箱式变电站产品的成熟制造技术,结合“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的特点,将变电站电气一次、二次部分中的高压配电装置模块、主变压器模块、低压配电装置模块、无功补偿模块、二次组合设备模块等在工厂内安装调试完成后,装入可移动、密封、防潮、防锈的三层预制舱体内,最终达到变电站建设中一、二次设计集成化、模块化、建设过程工厂化、施工简单化的“四化”户外装置,满足了城市中心建站需求的新一代模块化变电站。
                      
                      模块化变电站研究发展的起步较晚,直到上个世纪末才出现 10kV 集装箱[6]式变电站,成为了模块化变电站的雏形。随着其投入市场后优良的性能和建设过程中带来的施工便捷,这种现场组装式变电站迅速受到电网系统经营者和用户的青睐。在世界发达国家,早已开始进行模块化变电站的研发和投入,在各国专家的努力下,模块化变电站的电压等级也在随着电网规模的快速发展不断提升。美国于上世纪 80 年代研发投产了世界上第一个模块化变电站,开启了模块化变电站的序幕,随后日本等国也在 90 年代末开始了模块化变电站的应用,2006 年,在达拉斯举办的 IEEE 电力展览会上随着模块化变电站的展出使得越来越多的国家及相关科研人员了解并开始学习研究模块化变电站[7]。
                      
                      对于我国来说,模块化变电站技术的研究相对起步较晚, 2008 年才出现了第一座 110kV 模块化变电站在国内地区试运行投产。在江苏 110kV 齐梁变电站的设计过程中,模块化变电站的设计思路已经得到了充分的应用,在变电站总平面布置设计中,取消了很多建、构筑物,同时缩小二次设备室的布置。建筑物结构采用工厂化制造、现场拼接,很大程度上缩短了变电站的建设周期。随后,模块化技术也很快应用到了 220kV 电压等级, 2010 年全国首座 220kV 模块化变电站—张家港三兴 220kV 变电站投运[8]。预示着我国变电站模块化技术上升到了一个新的高度。但在部分寒冷地区,由于独特的低温气候特点,目前模块化变电站还无法广泛应用。
                      
                      通过模块化变电站的应用实施,工程建设周期减少约 55-65%,很大程度上减少了供电不足带来的危害。在建筑用地方面由于围墙占地面积、建筑面积的减少,使得征地面积也减少了约 30%,同时,由于屏柜数量以及光、电缆长度的减少,模块化变电站也具有了相当显着的经济效益。在第一批建设投产的几个模块化变电站施工工程中,由于总体工程建设面积相对于传统变电站工程可以减少约20%,围墙可以节约建筑面积14.33%,二次屏柜数量只需要原来的75%左右,光缆的价格可以节省约 38%[9]。伴随着上述建设工程量的减少,以及施工工人的费用,建设过程中的水电费用,设备安装保存所需要的费用等都相应的减少,实现了变电站建设的经济性[10-11]。
                      
                      所以,随着模块化变电站的设计和建设技术的日趋完善,模块化变电站已经成为未来电力行业发展的普遍趋势,必然在未来的电力系统中占据一席之地。
                      
                      1.3 寒冷地区模块化变电站研究现状和特点。
                      
                      现在寒冷地区运行的户外组合电器设备在-30℃以下容易产生液化问题,导致报警或闭锁,户外布置冬季还可能有覆冰等问题,不利于后期运行维护。而且户外布置情况下不但设备本体需要加热,主母线和分支母线也需要加热,加热负荷很大。当采用户内 GIS 布置时,GIS 组合电器内集成了断路器、电流互感器、隔离开关等设备,由于室内采用保温措施更为方便,因此户内 GIS 布置能满足任何地区最低环境温度的技术要求。预制舱式模块化方案通过采用预装式变电站结构简化了现场的建筑工作量,工厂化生产将现场大部分安装工作量转移到工厂内,以工业化、产业化的专业生产水平实现各模块的高效快速生产,通过配送式运输和现场装配式的建站,实现整站快速的建成投运,将变电站的建设周期缩短至 3-4 个月,极大的压缩了时间成本[12]。
                      
                      由于模块化变电站产生时间不长,建筑物基础等设计体系安全措施还不健全,许多现场施工中的问题还有待进一步发现和解决[13]。而在模块化设备选择过程中,针对模块化变电站设备通用设计还没有一个系统的标准,许多非标准件的使用使得建设过程中施工安全、运行过程中的操作安全等问题需要逐步解决。与传统建设方式相比,模块化变电站虽然减少了施工的工作周期[14],但是同样也使得监理检测部门难以找到合适的节点进行施工现场监检,由此可能产生一定安全隐患。
                      
                      模块化变电站的设计与传统变电站存在着一定的差异,在不同地区、不同的电网结构中,很难制定出全国通用的统一标准,这种情况也一定程度的限制了模块化变电站的快速发展。
                      
                      在黑龙江等寒冷地区,由于独特的低温气候特点,目前模块化变电站部分关键技术无法良好的应用,影响了模块化变电站在寒冷地区的大范围普及。受气候影响变电站运行损耗也较其它地区要大,因而要探索出建设节能环保 “资源节约型、环境友好型”变电站显得尤为重要[15]。
                      
                      1.4 本文的主要研究内容。
                      
                      本文的研究内容主要有以下几个方面:
                      
                      (1)通过研究传统模式的变电站的建设运行方式,得出传统变电站出现的占地面积大,运行维护困难、耐低温能力欠缺的劣势,而新型模块化变电站可以有效的克服这些缺点,达到高效环保节能的目的。
                      
                      (2)对佳木斯地区电力分布和气候特点分析,进行了短路电流计算、设备选择、模块化电气设备一次二次布置、光缆电缆走向分布、智能控制系统的分析等问题的研究,从而设计了模块化变电站--东风变电站。
                      
                      (3)以东风站为依托,对其进行安装调试改造,从检修效率、安全稳定性、操作复杂程度等方面进行分析,说明该变电站不仅大大减少了工程量,缩小了占地面积,造价较低,能够很好的适应东北地区的严寒特点。
                      
                      (4)对东风变电站的电气设备能效分析和环保节能分析,对比传统变电站的资源利用率低,能源损耗大的缺点,分别设计了主变及站用变的节能方案,采用新的照明采暖节能措施,以及防火排水系统,形成了东风220kV变电站模块化建设的实施方案。
                      
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                      第 2 章 寒冷地区变电站设计

                      
                      2.1 电力系统.
                      2.2 短路电流计算
                      2.3 设备选择
                      2.4 一次设备设计
                      2.5 二次设备设计
                      2.5.1 二次设备设计原则
                      2.5.2 二次设备模块化
                      2.5.3 预制式光、电缆应用方案
                      2.6 智能控制系统
                      2.7 其他辅助工程设计
                      2.7.1 站区总平面布置
                      2.7.2 站内构支架
                      2.8 本章小结
                      
                      第 3 章 寒冷地区模块化变电站安装与调试
                      
                      3.1 施工运行检修改进
                      3.2 一次设备安装与调试
                      3.3 二次设备安装与调试
                      3.4 变电站运行分析
                      3.5 本章小结
                      
                      第 4 章 能效分析
                      
                      4.1 电气设备能效分析
                      4.1.1 主变压器能效分析
                      4.1.2 站用变压器能效分析
                      4.2环保节能分析
                      4.2.1 节能金具
                      4.2.2 照明节能措施
                      4.2.3 暖通空调的节能措施
                      4.2.4 站内生产废水排水系统节能方案
                      4.2.5 主变压器灭火系统节能方案
                      4.3 本章小结

                      结 论

                      BENWENTONGGUODUIXINXINGMOKUAIHUABIANDIANZHANDEDEJISHUTEDIANJINXINGLILUNFENXI,JIEHEDONGBEIDIQUYANHANTEDIAN,SHEJILEYIZHONGXINXINGZHINENGMOKUAIHUABIANDIANZHAN,GAIFANGANBUJINNENGYUANLIYONGLVGAO,JIENENGHUANBAO,DUIBICHUANTONGXINGBIANDIANZHANYOUZHEGENGGAODEKEXINGXING,YINCIDECHUYIXIAJIGEJIELUN:

                      (1)XINXINGZHINENGMOKUAIHUABIANDIANZHANLIYONGZHUANGPEISHIJIANZHUJIEGOUSUOXIAOLEBIANDIANZHANZHANDIMIANJI,LIYONGYICISHEBEIJICHENGHUAJIANGDIANQISHEBEITONGYONGHUA,BIANYUGENGHUANJIANXIU。ERCISHEBEIYUZHICANGSHIBUZHIZHINENGHUA,YOUXIAODITIGAOLEGONGZUORENYUANDEGONGZUOXIAOLVHEJIANGDILEGONGZUOFUZADU,TONGSHIJIANGDIZAOSHENGWURAN,DADAOLEGONGNENGYOUHUA、HUANJINGYOUHAO、JINGJIXIAOYIZUIGAODEMUDE。

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                      从设计作为智能电网的重要组成部分,既满足了城市中心区域日益增长的负荷需求,又提升了电网的建设效率和供电可靠性,对于缓解城市中心区域的紧张供电局面将起到重要作用,对推动电网技术革新也有着深远的意义。在施工中由于二次设备为分散招标,施工配合时需要大量的协调工作,建议针对模块化变电站采用二次设备整站招标,避免过多的中间分散环节,真正实现模块化变电站“二次设备实现工厂内规模生产、集中调试、模块化配送、即插即用”的宗旨,再次缩短调试周期。

                      参考文献.

                      张锶媛. 寒冷地区变电站电气设计及能效研究[D].哈尔滨理工大学,2019.
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