预装式智能变电站设计

1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目： 110kV预装式智能变电站设计 学习中心： 山东济南明仁学习中心 年级专业： 函授13级 电气工程及其自动化 学生姓名： 大都督 学 号： 007 指导教师： 王老五 职 称： 副教授 导师单位： 中国石油大学（华东） 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2014 年 12月 30 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 赵洪胜 1设计(论文)题目： 110kV预装式智能变电站设计 2学生完成设计(论文)期限： 2014 年 9 月 1 日至 2014 年 12 月 30 日3设计(论文)课题

2、要求： 传统变电站施工的工期、质量、智能化已经难以满足社会经济发展对于电力供应的要求。预装式智能变电站采取模块化、标准化、工厂化生产，现场组装的建设模式，可以大幅缩短变电站的建设工期、减少土地的占用，有力的提高工程质量和施工工艺。可广泛用于电网建设、用户工程、野外作业、抗震救灾等各种场合。本文在查阅大量文献的基础上，分析了现行预装式变电站的类型和特点，提出了110kV预装式智能变电站的设计思路，并对预装式建筑物、装配式构筑物、一二次设备选型进行了深入的分析，提出了合理的技术设计方案。 4实验（上机、调研）部分要求内容： 5文献查阅要求： 论文在正式撰写之前，广泛阅读电气工程方面的著名论著，在条

3、件允许的情况下，通过查阅变电站综合自动化技术发展区属、预装式变电站技术改进与创新、预装式变电站手册、智能紧凑型风力发电用预装式升压变电站的研究、关于智能化预装式变电站、浅谈高压/低压预装式变电站的现状及发展趋势等国家相关规范及期刊，阅读其中与选题有关的文章。 6发 出 日 期： 2014 年 9 月 1 日7学员完成日期： 2014 年 12 月 30 日指导教师签名： 王老五 学 生 签 名： 007 摘 要随着经济的快速发展，电力供应的重要性日益提高。电网建设过程中人力、时间、土地等资源环境的消耗与社会对于电力需求的矛盾变得更加突出。传统变电站施工的工期、质量、智能化已经难以满足社会经济发

4、展对于电力供应的要求。预装式智能变电站采取模块化、标准化、工厂化生产，现场组装的建设模式，可以大幅缩短变电站的建设工期、减少土地的占用，有力的提高工程质量和施工工艺。可广泛用于电网建设、用户工程、野外作业、抗震救灾等各种场合。本文在查阅大量文献的基础上，分析了现行预装式变电站的类型和特点，提出了110kV预装式智能变电站的设计思路，并对预装式建筑物、装配式构筑物、一二次设备选型进行了深入的分析，提出了合理的技术设计方案。关键词：110kV，预装式，智能，变电站目 录第1章 前言1第2章 预装式智能变电站概述22.1设计基本理论22.1.1 预装式变电站22.1.2 智能变电站22.1.3 预装

5、式智能变电站22.2 设计注意事项22.2.1 散热问题22.2.2 防火问题32.2.3 接地问题32.2.3 检修问题3第3章 电气设备的选择就及智能方案的实现43.1总体结构设计43.1.1电气主接线设计43.1.2 短路电流计算43.2 变电站一次设备的设计53.2.1 电气设备的选择原则53.2.2 变压器容量及台数选择原则53.2.3 110kV高压配电装置的选型53.2.4 10kV高压配电装置的选型53.3 变电站二次系统及综合自动化设计63.3.1 综合自动化系统选择63.3.2 继保和自动装置配置63.3.3 直流系统设计63.4 绝缘配合及过电压保护73.4.1 过电压保

6、护73.4.2 接地系统设计73.4.3 爬电距离确定713.5 智能方案实现73.5.1 集成智能组件73.5.2 110kVGIS智能化83.5.3 主变智能化83.5.4 传感器83.5.5 集成智能组件的安装位置8第4章 建构筑物方案104.1 预制式建筑物选型104.2 预制式标准集装箱104.2.1 结构型式104.2.2 材料选择104.2.3 箱内布置114.2.4 辅助设备114.3 装配式构筑物114.3.1 站区围墙114.3.2 沟管设计114.3.3 构架组装12第5章 结论13参考文献14致 谢152第1章 前言20世纪60年代，预装式变电站在国外兴起，多在配电领域

7、使用并逐步发展成欧式箱变和美式箱变。20世纪90年代，预装式变电站开始应用在我国的配电网中。其中，施耐德公司于20世纪80年代引入了欧式箱变，科锐公司在1995年引入了Coopr的美式箱变。因过载能力、散热条件、遥控操作等原因，在配电网中欧式箱变使用较多。配网中的预装式变电站的设备成本、人力成本、空间成本、损耗成本、维护成本、管理成本等均较传统的配电装置低；其运行的连续性、安全性、可靠性、先进性、智能性较传统配电装置也具有明显的优势。基于在经济性和安全性方面的优点，预装式变电站在国内外使用和发展很快，但碍于电工装备发展水平不高，主要是在10kV、20kV电压等级使用，功能和外形是也是以箱变、箱

8、式开关站、环网柜为主。随着资源环境的稀缺，电能配送需求的增加，更高电压等级预装式变电站的设计和使用，可以大大减少资源的占用，缩短施工送电的周期，同时还可以满足野外勘探作业、石油平台、海陆风电等偏远地区的电力供应和配送。从全寿命周期成本的角度考虑，预装式变电站的退出成本、改造便捷性、再利用成本都较传统变电站有明显的优势。但是常规的箱变等预装式变电站也存在容量有限、散热效果差、变压器装卸不方便、未充分考虑漏油防火、易出现低温凝露、防尘能力差、继电保护装置工作环境差等缺点，因而限制了它的使用范围。本文旨在提出一种新型的110kV预装式智能变电站的设计原则，以满足大容量电力用户以及常规电网建设的需要。

9、它具有施工时间短、全寿命周期成本低的优点，同时能克服传统低压箱变容量低、保护装置不够完善等弱点，具有较好的理论及现实意义。全文共分为五个部分。第一部分主要介绍了预装式智能变电站国内外的发展历程，以及本设计的背景、意义。第二部分主要介绍了预装式智能变电站设计中的基本理论和注意事项。第三部分就电气设备的选择及智能方案的实现进行了阐述。第四部分分析了建构筑物的设计方案。第五部分对全文进行了总结，并对预装式智能变电站的下一步发展做了展望。第2章 预装式智能变电站概述2.1设计基本理论2.1.1 预装式变电站预装式变电站是将高压开关设备和二次设备集中组合成一个可移动、隔热、防凝露、防潮、防雨的新型材料密

10、封户外式箱体内，具有电能配送、检测、保护、控制、通讯功能的预制式成套配电设备。采用“标准化设计、工厂化加工、机械化施工、装配式建设”的模式，只需要很少的基建施工，便可快速完成变电站的施工建设，达到送电要求。2.1.2 智能变电站智能变电站是采用先进、可靠、集成和环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，同时具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和系统互动等高级功能的变电站。2.1.3 预装式智能变电站预装式智能变电站是在预装式变电站的基础上大量采用了智能化的设备和智能化的设计理念。通过采用分布

11、式结构的信息采集和智能控制，采用标准化智能插头式接线，在原有预装式变电站缩减一次设备装配工作量的基础上，有效减少二次施工的内容，进一步缩短了施工周期，降低了维护成本。2.2设计注意事项2.2.1 散热问题预装式变电站的空间比较狭窄，散热、通风和防尘等都是现有箱变存在的主要问题。由于预装式变电站采用的材料较常规墙体较薄，外界的热辐射对于预制式箱体的温度影响较大。在炎热天气，外界的热传递和箱内一二次设备运行过程中产生的热量，会导致箱内温度升高，以致影响到高压设备和保护装置的正常运行。从降低温度的角度考虑，必须加强预装式箱体的通风和散热，同时又要考虑安全防护、防潮防尘的问题，因而在设计时要综合考虑当

12、地的气候条件来因地制宜的采取不同方式。2.2.2 防火问题35-110kV变电站设计规范中规定：耐火等级为二级的建筑物与油浸变压器之间最小的防火净距为10米。其面对变压器、可燃介质电容器等电器设备的防火外墙，在设备总高加3m及两侧各3m的范围内不设门窗、孔洞时，防火净距可不受限制；如在上述范围内虽不开一般门窗，但设有防火门时，则该防火墙与设备之间的防火净距应等于或大于5m。2.2.3 接地问题预装式变电站虽可减少土地占用、基建施工、防雷设置，但是由于设备布置紧凑，需要接地的设备较多，各种设备的接地形式和要求又各不相同，在实际运行中容易引起问题，预装式变电站的接地在设计时应特别重视。保护接地、电

13、气接地、防雷接地等多种接地要仔细划分，可靠接地并根据实际情况，采取适当屏蔽、绝缘或降阻措施，确保在运行性过程中安全、可靠。2.2.4 检修问题预装式智能变电站，结构紧凑，空间较为狭窄，设计时必须考虑足够的空间用于设备检修；高低压出线应合理设计通道，便于维护检修。预装式智能变电站在运维过程中可考虑使用整体更换的工厂化检修，但应急情况下应允许进行简单的现场检修和常规维护，以保障设备运行的稳定性和可靠性。在检修、运行过程中均应在空间上考虑人员的安全操作和迅速撤离。第3章 电气设备的选择及智能方案的实现变电站的总体结构设计和电气设备选择是变电站设计的核心。电气主接线的可靠性、安全性及灵活性，对电气一、

14、二次设备的选型、继电保护、配电装置的布置及控制方式有非常大的影响。技术先进、运行可靠的一、二次设备、运维控制方式及智能化组件的使用，也可以简化主接线的设计。3.1总体结构设计3.1.1 电气主接线设计电气主接线的设计应以国家经济建设的方针、政策、技术规定、标准为准绳，结合工程的实际情况，在保证供电可靠性、调度灵活、满足各项技术要求的前提下，兼顾运行、维护的方便，尽可能的节省投资，就近取材，力争电气元件与设计的先进性和可靠性，坚持可靠、适用、先进、美观、经济的原则。同时，设计的主接线方式应该留有扩建发展的余地。在具体设计上要充分考虑变电站在电力系统中的位置，变电站近期与远期发展规模，负荷的重要性

15、分级及出线回数，主变压器台数、备用容量等因素。3.1.2 短路电流计算在发电厂、变电站的电气设计中，电气主接线方式的比选、限制短路电流措施的设计、电气设备的选择、软导线相对相及相对地安全距离的确定、继电保护整定、接地装置的设计等都必须进行短路电流计算。短路电流计算按照系统中所有电源点都在额定负荷下运行、同步电机具有自动励磁调整装置、短路发生在短路电流最大值的瞬间、所有电源电动势相位角相同、正常工作时系统三相负荷对称运行等情况考虑。计算短路电流时所采用的接线方式，应该是可能发生最大短路电流时的正常接线方式。计算时应按设计容量，考虑到电力系统远景发展规划。短路种类一般是按三相短路计算，特殊情况，则

16、应按照严重情况进行校验。3.2变电站一次设备的设计3.2.1 电气设备的选择原则电气设备必须按照正常运行条件进行选择，并按短路状态来校验电气设备的热稳定性和动稳定性。一般可按照电气设备的额定电压不低于装设地点电网额定电压；在周围环境温度下，电气设备长期允许通过的电流，应该不小于该回路在各个合理运行方式下的最大持续工作电流；电气设备安装地点的气温、污秽等级、风速、地震烈度、海拔高度和覆冰等环境条件满足一般要求或采取相应措施等原则进行选择。电气设备还应进行相应的短路电流热稳定性和动稳定性校验。3.2.2 变压器容量及台数选择原则主变压器容量、台数应根据传递容量需求、电力系统5-10年的发展规划、馈

17、线回路数、输送功率大小、电压等级及接入系统的紧密程度等因素，进行合理选择和综合分析。选择时还应考虑变压器正常运行及事故时的过负荷能力。具体型号还要结合绕组数、绕组接线形式，调压方式，冷却方式等确定。110kV变电站的所变一般采用10kV干式变压器在10kV开关柜中布置的形式。3.2.3 110kV高压配电装置的选型110kV高压配电装置有屋内布置和屋外布置两大类：屋内布置又分为普通电器安装在屋内布置、110kV断路器小车屋内布置、SF6全封闭组合电器（GIS）屋内布置三种形式；屋外布置分为屋外半高型布置、屋外高型布置、屋外中型布置三种形式。本设计中110kV高压设备采用预装式GIS智能间隔设备

18、，可在屋外或屋内布置。3.2.4 10kV高压配电装置的选型10kV断路器、隔离开关、熔断器、电抗器、电流互感器、电压互感器、支柱绝缘子、套管绝缘子、母线、电缆、补偿装置等设备按照电气设备选择的一般原则进行选型。本设计中采取结构紧凑的金属铠装中置式开关柜安装。由于这种中置式开关柜只需要少量的电缆即可实现连接，设置智能组件并不能减少或简化该部分接线，反而带来投资的增加。根据国家电网公司110（66）kV-220kV智能变电站设计规范，“35kV及以下配电装置若采用户内开关柜布置，宜不配置智能组件”，本工程10kV不设置智能设备，适当采用航空插头和预制线缆，增加组装效率。3.3 变电站二次系统及综

19、合自动化设计3.3.1 综合自动化系统选择综合自动化系统应具有高的可靠性、灵活性、可扩展性、系统构成和维护简易性的特点，能够满足电力系统可靠性、实用性、实时性的要求。本设计应选择组成方案灵活、响应快速、通用性强、可操作性强、抗干扰能力强、装置过载能力强的分层分布式系统。3.3.2 继保和自动装置配置继电保护和安全自动装置是保障电力、安全稳定运行不可或缺的重要设备。应根据电力网结构、变电站主接线要求，并考虑电网和变电站运行方式的灵活性，优先选用具有成熟运行经验的继电保护和安全自动装置。线路、母线、断路器、电容器、电抗器等保护装置；自动重合闸、备用电源自动投入等综合自动化装置；二次回路、互感器、直

20、流电源、保护通道等设计应符合国家标准GB/T14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程规定。3.3.3 直流系统设计变电站应设置满足相应符合要求的直流系统。直流系统的蓄电池、充电装置、接线方式、保护和监控装置、直流回路设备、蓄电池组及蓄电池室布置应满足行业标准DL/T5044-2004电力工程直流系统设计技术规程要求。3.4绝缘配合及过电压保护3.4.1 过电压保护电气设备的绝缘配合参照国家标准GB11032-2010交流无间隙金属氧化物避雷器、行业标准DL/T620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合确定的原则进行选择。为防止线路侵入的雷电波过电压，在110kV线路侧及10k

21、V配电装置母线侧装设氧化锌避雷器，在主变中性点装设间隙保护，并联氧化锌避雷器。3.4.2 接地系统设计预装式智能变电站的占地面积小，施工工期短，接地系统的设计非常重要。变电站的接地网、架空和电缆线路接地、配电装置接地、接地体及接地极、接地电阻等均应符合国家标准GB50065-2011交流电气装置的接地设计规范原则要求。3.4.3 爬电距离确定根据国家电网公司企业标准电力系统污区分级及外绝缘选择标准、变电站所在地污区分布图，合理确实站址区域污秽等级和爬电比距。按相应电压等级最高电压计算爬电距离，选择相应外绝缘的设备和绝缘子串。3.5智能方案实现3.5.1 集成智能组件集成智能组件通过电缆与一次设

22、备连接，通过光纤以太网口与二次设备连接，是一次设备和二次设备之间的数字化接口，利用通信报文的方式实现一次设备的远方操控和状态监测等功能。对于一次设备的连接，可采用航空插头、插座等标准的电缆插接件。多芯航空插头及插座具有每个插头都有定义，能够减少接线错误率；适应现场复杂恶劣的环境，抗干扰能力强、屏蔽性能好；现场易操作，施工方便，节省空间的特点。对于二次设备的连接，可采用光缆连接器、预制光缆等连接技术。光纤连接器及预制光缆，通过纤芯面的精密对接，使得光能力最大限度的通过，减低其介入对光路的影响。在设备选型时，应从拔插次数、插损、回损、工作温度、拉伸力等方面综合考虑。3.5.2 110kVGIS智能

23、化110kVGIS设备采用智能组件集成间隔内所有断路器、刀闸机构传统控制执行回路功能，取消传统控制执行回路，直接驱动断路器的脱扣器/合闸线圈、刀闸的电动机、弹簧或液压泵的电动机等。这种设计将系统化的减少传统的机电控制设备以及变电站控制系统之间的并行连接线，使得因传统控制回路原因造成开关设备故障的概率大大降低，现场接线工作大大减少，运行维护和检修工作变得简单。厂家可在设备出厂前进行连接、调试，故障可直接更换智能元件插件或整体设备更换后实行工厂化检修。3.5.3 主变智能化主变智能化通过在主变本体增设智能组件的方式实现。智能组件采集主变本体档位、风扇运行状态、重瓦斯、轻瓦斯、油温、绕组温度、压力等

24、非电量信号。主变智能组件还应集成主变风冷控制、档位调节控制功能、绝缘油在线监测、变压器档位调节等功能。除保留重瓦斯保护通过控制电缆直接跳闸的控制方式外，取消非电量保护和由电气接点、继电器控制的风冷及调压回路。3.5.4 传感器随着在线监测技术的发展和全寿命周期管理的需要，预装式智能变电站在设备选型上要关注主设备在线监测传感器的设置和功能。如主变绝缘油溶解气体，GIS设备SF6气体泄漏、密度、微水，避雷器泄露电流、动作次数，带电设备局放检测等均应设置可靠、易维护的传感器。3.5.5 集成智能组件的安装位置智能设备可采用“一次设备机构本体嵌入智能集成组件”、“外装智能集成组件”两种方式实现。具体设

25、备选型时，应尽可能选用适用、成熟的产品。智能集成组件应能实时采集开关设备输出的位置状态、状态监测信息，并用硬接线控制开关设备。若采用“外装智能集成组件”应尽可能靠近相关的一次设备，但应充分考虑设备所处电磁环境状况。“智能集成组件”的安装除满足测控保护功能外，还应尽可能考虑状态监测的要求。第4章 建构筑物方案4.1预制建筑物选型一、二次设备安放及临时工具间、休息室可采用装配式建筑物或预制式标准集装箱。装配式建筑物一般为单层单跨建筑，采用轻型门式钢结构、轻型屋面、轻型墙体材料。梁、柱采用H型钢，内外墙采用压型钢板夹芯板，工厂化加工、现场组装，既节约工期，又有利于回收。预制式标准集装箱可在原有集装箱

26、上改造或重新设计制造，相比装配式建筑物具有体积小、运输拆装方便、便于移位、连接快速等特点。装配式建筑物布局设计同传统变电站相似，本设计考虑探索使用预制式标准集装箱。4.2预制式标准集装箱4.2.1 结构型式预制式标准集装箱应尽量保持集装箱原结构。箱体应设置两扇门用于设备安装和逃生。在箱体侧面成对角方向开两个通风窗并安装换气扇，换气扇应设置为一进一出，保持空气流通。通风窗应设置防雨、防尘、防小动物的窗罩。箱体顶部应增设便于运输的可拆卸斜顶，预防积水、积雪，同时可减少阳光照射。斜顶与箱顶应连接牢固。4.2.2 材料选择可根据环境特点和运输情况可采用钢结构、铝合金、不锈钢、金邦板、预制混凝土等材质。

27、设计寿命10年的普通箱体，可采用优质冷轧钢板焊接成型，箱体表面进行预处理后喷涂户外油漆；设计寿命20年的高等级箱体，可采用不锈钢材料进一步提高抗腐蚀能力。冷轧钢箱体也可通过阴极保护，定期检查与修补，增加使用寿命。由于箱体置于户外，为节约能量，隔热保温，箱壁夹层应附着具有防火性能的保温材料。4.2.3 箱内布置箱内设备应尽可能采用传统屏柜，在布置上可根据一、二次设备的不同采用单排或双排布置，在两端开门的同时加设侧面柜门或观察窗等布局方式。二次电缆连接线均可采用上部或底部进线方式，但应充分预留空间，同时满足防尘、防风、防水、防小动物等要求。光缆桥架应专门考虑，以对光缆进行充分的保护。箱体底部应采用

28、架空防静电地板，预留屏柜安装槽。架空层内应装设线缆支架。防静电地板应可随时打开，便于生产维护。4.2.4 辅助设备箱体应预设空调、照明等交直流走线槽。照明应能覆盖箱内所有部分，并符合照度要求。箱内应配置折叠式桌椅，文件柜，工具台等办公设备。同时采取内部环境温湿度控制措施，配备空调、加热器、换气扇、环境监测装置等设施。箱内应设置消防报警及视频监控系统，放置灭火器并考虑紧急情况下的逃生。4.3装配式构筑物4.3.1 站区围墙站区围墙采用装配式实体围墙。围墙板采用水泥基轻质围墙板，现场装配施工；围墙柱采用预制混凝土柱，预制柱留有槽口，用于围墙板卡入安装；围墙板与槽口的缝隙采用建筑密封胶密封处理。围墙

29、基础采用统一尺数现浇混凝土独立杯口基础，基础间不设连梁。4.3.2 沟管设计站区电缆沟、管布置在满足安全及使用要求下，力求最短线路、最少转弯，适当集中布置，减少交叉，全站采用复合材料成本电缆沟体，成品盖板，复合材料成品支架，现场全装配施工。4.3.3 构架组装进线构架采用钢管结构，人字形钢管柱、三角形钢管桁架梁，梁柱连接采用铰接，架构柱与基础之间采用地脚螺栓连接。设备支架采用钢管结构，支架与基础之间采用地脚螺栓连接。第5章 结论随着建设资源节约型、环境友好型社会的逐步推进，变电站建设模式必须走向减少土地占用、施工绿色环保、降低造价、缩短建设周期、延长寿命周期、提高运行可靠性和减少设备维护的方向

30、发展前进。预装式变电站建设时遵循“安全性、适用性、通用性、经济性”协调统一的原则，实现智能变电站“标准化设计、工厂化加工、机械化施工、装配式建设”的最终目标。本文提出预装式智能变电站的设计思路和方案，并在设计理念、设备选型、箱体设计等方面做了深入的探讨，对于促进预装式智能变电站的开发使用，具有重要意义。预装式智能变电站的推广应用，将创造出新的市场需求，对变电站的建设方案、运维检修、试验改造等工作带来深远的影响，同时对于经济发展、生产建设、环境保护带来有益的改进，增加资本的运作效率并带动科技和社会的进步。由于篇幅原因，在预装式智能变电站的很多方面还没有涉及，也有很多内容没有做深入的细化，尚需继续

31、改进。文章以110kV预装式智能变电站为例，对于新型变电站的设计进行了初步的探讨，提出了试探性的方案，该方案在用于过程中还有许多问题需要考虑，如基建施工方案的设计、变电站接地的具体要求等等。由于本人学识水平有限，文章还有许多不足之处，恳请各位专家评委和学者批评指正。参考文献1杨奇逊.变电站综合自动化技术发展区属J.电力系统自动化，1995，19(10)：50-52.2蔡燕.预装式变电站技术改进与创新J.机电信息，2014，(18)：84-85.3廖光余.预装式变电站手册M.北京:机械工业出版社，2001,10:53.4金炎.智能紧凑型风力发电用预装式升压变电站的研究.华北电力大学硕士学位论文，2012，(4-13).5刘国斌.关于智能化预装式变电站J.科技视界，2012，(26)：280-281.6顾峰.浅谈高压/低压预装式变电站的现状及发展趋势J.电气应用，2006，(7)：17-18.7侯昌明，黄世立.新