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乌兰敖都66kV输变电工程建设方案整体设计

来源:长春工业大学 作者:刘晓冬
发布于:2020-08-10 共9531字
    摘 要
   
    随着现代社会的经济快速发展,电力市场需求的日益增长,变电站作为整个电力系统的基本单元,发挥着举足轻重的作用。如何建立结构更加合理、功能更为智能、的变电站,成为当前电气领域研究的热点课题。
   
    本文结合兴安科右前旗地区情况,从宏观角度,围绕新建乌兰敖都 66kV 输变电工程展开论述,以加快变电站建设和智能化运行为原则,完成了此工程的设计。新建乌兰敖都 66kV 输变电工程设计符合电网规划和系统设计要求,鉴于科右前旗西部地区负荷需求,只有尽快投入工程建设,才能够有效解决供用电矛盾,本文的主要工作和成果如下:
   
    (1)针对地区电网的实际情况,采用高效率、低能耗、重环保的理念开展新型变电站建设模式,通过负荷分析和预测,对新建变电站一次设备进行了选择,提出系统接入方案,进行潮流计算验证。并且对线路型号、无功补偿装置、中性点接地方式等进行计算分析,完成设备的选择和电气接线的规划和布置。
   
    (2)对新建变电站的继电保护系统、调度自动化系统、通信系统提出建设方案,促使通信信息的共享,优化采集方式,使工程得到优化处理。为推进新建输变电工程的落实,对接入系统方案、新站建设、接入站的改造进行了细致的研究分析,充分运用环保、节能的方法,完成规划,通过不同设计方案的计算对比、数据论证,最终筛选出了最优方案。
   
    本文完成输变电工程方案整体设计,具有实用、经济、稳定、智能的特点,该站的规划建设,能够强化了地区电网结构,大幅度提升供电可靠性,为当地经济发展提供先决条件。
   
    关键词:变电站,一次系统,优化设计,方案
  
    Abstract
   
    With the rapid economic development of modern society, the power market demand isincreasing day by day. As the basic unit of the whole power system, substation plays animportant role. How to build a more reasonable structure, more intelligent function of thesubstation, the current electrical field has become a hot topic of research.
   
    In this paper, based on the situation of xingan ke youqian banner area, from a macroperspective, the new ulan aodu 66kV power transmission and transformation project isdiscussed. Based on the principle of accelerating substation construction and intelligentoperation, the design of this project is completed. The new ulanaodu 66kV powertransmission and transformation project is designed in accordance with the requirements ofpower grid planning and system design, in view of the load demand in the western regionof keyouqian banner. Only by putting the project into construction as soon as possible, canthe contradiction between power supply and electricity be effectively solved. The mainwork and results of this paper are as follows:
   
    (1) According to the actual situation of regional power grid, a new substationconstruction mode is carried out based on the concept of high efficiency, low energyconsumption and environmental protection. Through load analysis and prediction, theprimary equipment of the newly built substation is selected, the system access scheme isproposed, and the power flow calculation is verified. The circuit model, reactive powercompensation device and neutral grounding method are analyzed. Complete equipmentselection and electrical wiring planning and layout.
   
    (2) Put forward the construction plan for the relay protection system, dispatchingautomation system and communication system of the newly built substation, so as topromote the sharing of communication information, optimize the collection method andoptimize the project. In order to promote the implementation of the new powertransmission and transformation project, the access system scheme and the construction ofnew stations are introduced. The transformation of access station was studied and analyzedin detail, and the planning was completed by making full use of the methods ofenvironmental protection and energy saving. Through calculation comparison and datademonstration of different design schemes, the optimal scheme was finally selected.
   
    This paper completes the overall design of power transmission and transformationproject, which is practical, economical, stable and intelligent. The planning andconstruction of the station can strengthen the regional power grid structure, greatlyimprove the reliability of power supply, and provide a prerequisite for local economicdevelopment.
   
    Key words: Substation,Primary system,Optimization design Plan
   

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。

新增负荷分布情况

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。

智能变电站的优势

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。

智能变电站三层两网结构

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

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。

66kV 满族屯变电站站内状况

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。

66kV 勿布林变电站站内状况

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。

乌兰敖都变电站接网方案一

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。

乌兰敖都变电站接网方案二

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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作者单位:长春工业大学
原文出处:刘晓冬. 新建乌兰敖都66kV输变电工程设计[D].长春工业大学,2019.
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