目 录
摘 要……I
Abstract……II
第 1 章 绪 论……1
1.1 课题研究背景……1
1.2 工程的必要性……2
1.3 国内外发展现状……3
1.4 本文主要研究内容……6
第 2 章 电力系统一次设计……7
2.1 变电站接入系统设计……7
2.2 系统潮流计算……9
2.3 主变容量计算和选择……14
2.4 无功补偿和调压计算……14
2.5 短路电流计算……16
2.6 本章小节……19
第 3 章 电力系统二次系统设计……20
3.1 系统继电保护……20
3.2 调度自动化……21
3.3 电能计量装置……21
3.4 系统通信……22
3.4.1 系统通信现状……22
3.4.2 通道需求分析……24
3.4.3 系统通信建设……25
3.4.4 站内通信建设……26
3.5 本章小节……27
第 4 章 变电站工程设计……28
4.1 变电站电气设备布置……28
4.2 母线接线方式选择……30
4.3 中性点接地方式选择……30
4.4 导体的选择……34
4.5 防雷接地措施……36
4.6 电气设备规模统计……36
4.7 本章小节……37
第 5 章 接入变电站的电气改造和输电线路设计…… 38
5.1 66kV 满族屯变电站现况……38
5.2 改建后变电站的布置……39
5.3 站内新建 66kV 设备选择……40
5.4 输电线路路径选择……40
5.5 输电线路电气设备选择……42
5.6 本章小节……44
第 6 章 结 论……45
致 谢……46
参考文献……47
作者简介……50
攻读硕士学位期间研究成果……51
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景
变电站建设一直都是电网建设中的重要一环,新的形势下对变电站的设备选择、站址规划、工程建设都提出了更高的要求。减小投资,增加效率是变电站的建设中考虑的。本文结合兴安盟地区实际要求,选择设计新型环保的 66 千伏变电站做了主要研究。
兴安盟位于内蒙古自治区东北部,地处北纬 45°05′~47°18′、东经 119°93′~122°之间,总面积 59806km?,南北长约 380km,东西宽约 320km.兴安盟交通发达、通讯便利。现人口 165 万,有蒙、汉、朝鲜、回等 22 个民族。兴安盟地处大兴安岭成矿带北段,矿产资源丰富,探明的煤矿、铁矿估算潜在经济价值约 440 亿元。
大量的煤炭资源,同时水利资源、风能、太阳能丰富,多种资源的发现,使兴安网目前拥有火电、风电、光伏、水电四种电站,为地方经济发展提供了有利的条件。
兴安电网位属于蒙东电网,位于通辽和呼伦贝尔的中间地段。2018 年兴安电网依然以500kV为主网架,220kV 为骨干网架的网架结构,10 座220kV变电站以500kV兴安变为中心散射式供电,背靠东北电网为兴安电网做出了保障,增加了可靠性。随着 500kV 伊(伊敏变)- 兴(红城变)-乌(兴安变)输变电工程的建成投运,实现了呼伦贝尔市与兴安盟 500kV 主网架互连,解决兴安地区 500kV 单电源供电问题,降低了兴安盟地区全停电的可能, 进一步保障地区可靠供电和电网安全稳定运行。
同时打开了兴安地区的外送通道,改善了兴安地区盈余电力的外送能力,缓解了新能源限电问题。
截至 2017 年底,兴安电网有 500kV 变电站 1 座,即 500kV 兴安变,变电容量为1500MVA,500kV 开关站 1 座,即红城开关站,现有 220kV 变电站 10 座,变电容量为 1446MVA;现有 66kV 变电站 94 座,变电容量为 171825MVA ;现有 35kV 变电站 1 座,变电容量为 126MVA .现有 500kV 线路 6 条,线路长为 74421km ;现有220kV 线路 40 条,线路长度为 184204km ;现有 66kV 线路 134 条,线路长度为287028km.
截至 2017 年底,该地区总的装机具有火电、水电、风电、光伏四种电厂,是东北地区为数不多的具有全部四种主要发电类型的地区,共有容量为 15774MW,其中火电和水电各为两座,分别为 700MW 和 241MW,火电还是占据了该地区的主要装机份额;风电场 11 座,总装机容量 6433MW;光伏电站 8 座,总装机容量 210MW.
1.2 工程的必要性
科右前旗位于兴安盟中部,毗邻扎赉特旗、突泉县。截止 2017 年底,科右前旗区域有 2 座 220kV 变电站,分别为德伯斯 220kV 变电站和科右前旗 220kV 变电站。
科右前旗辖区内共有 22 座 66kV 变电站,主变 24 台,变电总容量 2176MVA;共有28 条 66kV 线路,线路总长 48949km.科右前旗属于干旱半干旱大陆性季风气候,四季分明,且冬季漫长而寒冷,雨热同季,有效积温高。水土流失主要有风力侵蚀和水力侵蚀两种类型。以水力侵蚀为主的区域土壤侵蚀形式以沟蚀为主;风力侵蚀为主的区域土壤侵蚀形式以面蚀为主。本工程区域所属土壤侵蚀类型以风力侵蚀为主,区域土壤侵蚀形式以面蚀为主,侵蚀模数 3000~4500t/km2·a.根据区域“三区”划分,属于水土流失重点治理区。
为改善地区经济,服务地方发展,多年来兴安供电公司一直加大对科右前旗地区的电力建设投入,大大改善了该地区的供电问题,但由于兴安供电公司整体发展相对落后,且供电面积过大,造成对于一些偏远地区的供电存在疏漏之处,本次规划建设的科右前旗西北部地区就属于上述问题地区之一,其需要改进的提升供电水平的方向如下:
(1)增强科右前旗西北部供电区供电可靠性
现阶段,科右前期西北部的供电电源,仅有 66kV 勿布林变电站所辖的 10kV 宝格达山一条线路,且该线路的辐射方式为辐射线路,无法与其他线路手拉手完成负荷转代,切该线路投运年限较为久远,运行时间已将近 10 年,设备老化程度严重,极易发生线路事故跳闸。因没有备用电源转代负荷,该线路故障后,科右前旗西北部将全部停电,极大的影响了该地区人民群众的正常生产生活秩序,制约了该地区的经济建设发展,因此,建设新的变电站,改善该地区 10kV 电网架构,变的尤为重要,新变电站的投入,可大大提升该地区的供电可靠性。
(2)提高供电能力,满足新增负荷发展需要
目前,科右前旗西北部没有 66kV 变电站,供电电源为 66kV 勿布林变配出的 1回 10kV 宝格达山线。66kV 勿布林变现有主变压器 1 台,容量为 5MVA,新增负荷地区距离该变电站较远,最远距离可达将近 150km,无法满足新增负荷需求。其所带10kV 宝格达山线 2017 年最大负荷为 15MW,现阶段其共连接配电变压器 104 台,合计容量为 488MW.另,该线路导线型号采用 LGJ-50 导线,其最大持续极限输送容量为 38MW,无法满足区域新报装负荷。根据近年信息统计,该线路仍有将近10MW 的电机井报装已完成施工,但因线路承载能力不足而无法接入线路。此外根据负荷预测结果,2020 年科右前旗西北部区域最大负荷为 67MW,2023 年最大负荷约为 56MW,2025 年最大负荷约为 64MW,该区域现有供电能力势必无法满足新增负荷发展需要。
图 1-1 新增负荷分布情况
综上所述,为满足乌兰敖都乡区域负荷发展需要,增强地区供电能力和供电质量,推动地区经济发展,新建 66kV 乌兰敖都变电站是十分必要的。
1.3 国内外发展现状
输变电工程建设是新时代电网高速发展的必经环节,不同地域和不同的经济发展状况,决定了工程的资金投入比例,工程建设的智能化程度,体现了对工程实施的全方位分析,达到投入和汇报的最佳平衡点,也是对于工程长期运行可持续发展的要求,系统的兼容性高低决定了后期工程的扩建和改造。欧美国家在此方面研究的比较早,在 110 千伏以下电压等级的变电工程设计上,更加注重用户,为满足用户的供电需求,在标准化设计提高了电站的建设速度,二次系统的智能化应用,增加了用户的互动效果,包含设备状态的智能分析,抗冲击高稳定性的电网结构,供电质量的平衡调节等等,都是当前对电网优良与否的考验。欧州国家的电子技术和制造业水平处于世界领先地位,电气设备的集成化应用相当广泛,在变电站建设上,设备系统调试升级、站内标准化改造维护等工作的技术经验值得研习和应用。
我国在电网建设中,起步相对较晚。但是由于中国能源储备丰富,为电力发展提供了乐观的先决条件。在低电压等级的输变电工程,直接服务大企业和配电用户,由于用户的需求和经济发展状况有所差异,中国的输变电建设还是更具多样性,有以外部环境为主导选择建设材为侧重点的工程建设,有以高要求电能质量的精密设备生产企业的需求。智能站的优势愈加明显,如下图 1-2 所示。
图 1-2 智能变电站的优势
智能站的优势的影响直接明了,方便的运行管理,提高了设备的效率[8].我国各地的智能化水平不尽相同,却在智能站可以因地制宜,打破传统,以实际为出发点,在建设和应用上进行深入的探讨,使其更具被推广和应用。加大研究深度,并实际检验,朝着泛在电力物联网为终极目标不断迈进[5].《国家电网公司输变电工程通用设计 35-110kV 智能变电站模块化建设施工图设计》方案是课题设计主要参照[6],并在其基础上进行了调整。变电站的设计中,要考虑增量成本,包括购电成本、用电损耗费、人员费用、折旧费、修理费、运营成本费用、财务费用,要增强地区供电能力和供电质量,推动生产及地区经济发展。
随着智能电网建设的不断推进,新形势、新需求,国家和企业对变电站提出了更高的标准。新一代智能变电站设计是一项重大的集成创新工作,在吸收现有智能变电站试点工程设计、建设及运行等经验的基础上,以整体方案优化入手,进行新技术、新设备的研发,以求尽快得到应用,引导设备研制和功能开发,设计满足不同功能需求的变电站,智能、稳定、环保已成为新的电网发展需要。
变电站设计是一个综合性工作,通常以可行性研究、初步设计、详细设计为主要部分,每个部分又有不同侧重。初步设计也不只是简单的设备选取和计算,而是扩展到整个变电站的综合研究,使智能变电站面向多层次、多元化发展[7]-[9].它包含电气、自动化、保护、基建等多项技术,在前期规划设计中,要注重整体的研究,提升工程的研究的目的。变电站的初步设计更加注重系统的整体,从系统的角度,以稳定、经济、长远性为依据,以智能设备为主导进行全面规划。
智能变电站可综合自动控制系统一般分为三层两网。三层即站控层,间隔层及过程层。两网即为站控层网络和过程层网络,其一般的结构如图 1-3 所示。
图 1-3 智能变电站三层两网结构
智能变电站设计通常具有共同的特征:一般情况有不确定性,又有概念性标准,还包括通常的规范和经验。各地在设计中,应用的智能设备又不尽相同,在约定的条件下,既要满足社会、用户和经济发展的需求,又要对系统性进行验证,对可行性研究和初步设计中的关键性内容进行权衡。整体设计方案不仅须满足变电站工程全寿命周期成本最低要求,还要满足社会、用户与企业发展的综合要求。
1.4 本文主要研究内容
首先分析了课题背景和工程的必要性,查阅国内外发展现状,结合实际,选定研究方向。
其次,设计系统接入方案,通过潮流计算、电能质量、经济性研究,提出合理的接入方式。通过地区负荷现状分析和预测,对主变、无功补偿装置等其它一次设备的电气计算和选择优化,并对站内设备的进行合理选型。
再次,对二次继电保护系统、自动化系统等现状进行了分析,以问题为导向,开展对乌兰敖都变电站二次部分的设计,开展系统通信和站内通信工程的建设,保证变电站信息的智能传输和远方控制。开展对站址的选择工资的预想,参照可持续发展的理念,按照一二次设备电气特性,在站内配置经济、技术、材料工程设施,朝新型环保智能站方向努力。
最后,对接入的上端变电站电气改造进行规划,增加与保护、自动化相匹配的智能设备。同时,按照潮流分析,规划送电线路路径,设计合理的进行线路工程的节能分析,设计适合地区的导线、地线绝缘设备等,确保此项工程的可实施性。方案完成后进行分析总结,为变电站建设积累新的经验。
第 2 章 电力系统一次设计
2.1 变电站接入系统设计
按照兴安公司的规划,结合 66kV 变电站现场收资情况,分析考虑两个方案进行接入,相关 66kV 电网情况如下:通过实地勘测,选定两个站址用于比较,择去最适合的建设场地。站址一位于科右前旗满族屯满族乡,距离科右前旗城区约 200km,科右前旗的东北方向。站址二位于科右前旗满族屯满族乡,具体位于站址一的东北侧,距其直线距离约 50m,此地交通便利,征地比较容易,也符合网架结构,负荷分布将对均匀,都处于中间位置。站址一地势虽高,但土方挖填量基本平衡,且距离河道较远。线路引入及配出比较便利,有部分乡道路面需要修复;站址二地势相对较陡,进站道路坡度大,高差约 7%,需进行部分土方回填方可建站,站址二接引路为乡村土路,比站址一长 200 多米,在变压器大件电气设备运输前需进行修建方可满足运输,增加投资成本,现状为草地,站址区域出线不太方便,有部分乡道需要修建,路长约1000m,站址区域未发现有地面文物遗存和压矿藏现象。建综合以上主要分析的部分和实际情况,对站址方案技术条件进行综合比较,如表比较表 2-1 所示。
表 2-1 技术方案比较
由表格数据可以看到,两个方案都符合基本要求。站址一地势较高,土方挖填量基本平衡,且距离河道较远。线路引入及配出比较便利,有部分乡道路面需要修复;站址二地势相对较陡,进站道路坡度大,高差约 7%,需进行部分土方回填方可建站,站址二接引路为乡村土路,比站址一长 200 多米,在变压器大件电气设备运输前需进行修建方可满足运输,增加投资成本。综合比较,因此推荐站址一作为该变电站的推荐站址。
如何科学合理的介入新建变电站应该结合负荷情况,综合考虑运行的可靠性,长远的发展的容错性,以及工程实施的合理性和可操作性,接入电站情况如下:
(1)66kV 满族屯变电站基本情况。
满族屯变电站现有 1 台主变,主变容量为 10MVA,2017 年最大负荷为 0.3MW.满族屯变 66kV 侧采用单母线接线,1 回 66kV 线路为德满线,预留 1 回 66kV 进线间隔,10kV 侧采用单母线接线方式,3 回 10kV 出线,分别为满东线、满乌线、满西线。如图 2-1 所示,为满族屯变电站站内现状。
图 2-1 66kV 满族屯变电站站内状况
(2)66kV 勿布林变电站基本情况。
勿布林变电站现有 1 台主变,主变容量为 5MVA,2017 年最大负荷为 2.7MW.勿布林变 66kV 侧采用单母线接线,1 回 66kV 线路为海勿线,预留 1 回 66kV 进线间隔, 10kV 侧采用单母线接线方式,4 回 10kV 出线,分别为宝格达山线、勿布林线、乌兰河线、内蒙路桥线。实际情况如图 2-3 所示。
图 2-2 66kV 勿布林变电站站内状况
2.2 系统潮流计算
按照系统接入方式,进行系统搭建,模拟仿真验证可行性。提出 66kV 乌兰敖都变电站接入系统方案如下:
方案一:新建 66kV 乌兰敖都变电站~66kV 满族屯变电站 66kV 线路 1 回,新建线路导线型号为 JL/G1A-150,长度 54km.其接入方式如图 2-3 所示。
图 2-3-乌兰敖都变电站接网方案一
方案二:新建 66kV 乌兰敖都变电站~66kV 勿布林变电站 66kV 线路 1 回,新建线路导线型号为 JL/G1A-150,长度 45km.其接入方式如图 2-4 所示。
图 2-4 乌兰敖都变电站接网方案二
……由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第 6 章 结 论
本文分析课题背景,选定研究方向结合科右前旗的乌兰敖都 66kV 输变电工程进行研究分析。
通过对地区电网概况,负荷预测、地理环境等多方面因素,结合实际对新建电站进行了选址、接入方式等进行了分析和计算。电站的规划重点对一次、二次设备进行参数计算,合理经济的进行改造设计。其次,提出对站址的选择的设计,参照可持续发展的理念,按照一二次设备电气特性,在站内配电气设备布置、母线接线方式、中性点接地方式、主要电气设备型号选择上进行了计算分析,确定了整站的系统方案。
工作尽可能的把握可持续发展的原则,对经济、技术、新设备、新材料的应用上给予充分考虑,朝新型环保智能站方向努力。最后,对新建电站电源侧满族屯站的电气改造,规划后可实现近期和终期接入条件,并且对电气设备进行了优化处理,并且根据输送容量和输送距离,合理的进行输电线路的选择,为电站的投产提供了有效了理论依据,确保了此项工程的可实施性。
本文具有很强的现实意义,为变电站建设积累新的经验,主要有以下几个方面特点:
(1)系统方案规划的合理。建设 66kV 乌兰敖都输变电工程一方面提升科右前旗西北部区域电压质量,满足居民的正常生产生活需要;另一方面提升该区域供电能力,满足农业机井灌溉、桥梁建设、隧道建设等项目的新增负荷发展需要。
(2)系统的给出电气一次设计方案详细。通过系统潮流分析、负荷预测对系统主变和无功设备等主要电气设备进行选择论证。其分析方法,计算方式,具有典型效果。
(3)电气设备和工程应用技术环保措施应用得当。体现了相智能化发展的要求,对于未来变电站规划建设有一定的帮助。
致 谢
经过一年多的研究、论文编写、修改,终于完成了本篇论文。在论文的最后,要感谢我的导师王老师,在完成论文的整个过程中,给了我很多帮助与指导,感谢他毫无保留的把知识教授与我。感谢校外导师陈宏给了我很多技术上的支持。感谢同学们给予我的帮助。正是你们的帮助和鼓励,才使我顺利完成了研究生论文。
在这 3 年的学习生涯中,我不仅学到了更高层次的知识,也在他们身上学习到了很多优秀的品质,同时让我感受到了团队的力量。我会把学习到的一切应用到今后的工作生活中。
衷心地感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们!
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