建筑供配电第5章

第5章变电站及主接线

5.1供电电压的选择

供电系统一般有110kV、35kV、10kV及6kV等不同的电源电压等级，其选择需要考虑以下因素：<1>用电设备额定电压<2>供电系统负荷规模决定供电电压的重要因素是供电系统的负荷规模，特定的负荷密度及负荷规模对应着特定的电压等级。<3>与可能电源的距离应充分考虑不同供电电压及不同供电距离的线损差异。表5-1示出各电压等级线路的合理输送功率与输送距离。表5-1

各电压等级线路合理的输送功率及输送距离线路电压（kV）线路形式输送功率（kW）输送距离（km）0.4架空线≤100≤0.250.4电缆线≤175≤0.356架空线≤1000≤106电缆线≤3000≤810架空线≤2000≤2010电缆线≤5000≤1035架空线2000～1000020～5035电缆线5000～2500010～25<4>不同电压的电价差高压供电电价低于低压供电电价。因此，选择供电电源电压时需考虑不同接入电压的电价差异。<5>电网系统现有条件电力网络的设计与运行是一个动态过程，新的供电负荷接入系统时，应充分考虑电网现状。<6>常用与备用的电源当采用双电源供电时，如为一用一备运行方式。5.2变配电站的设置

5.2.1变配电站的类型<1>变电站与配电站供电系统中的各电站分为变电站与配电站（也称开闭站）；变电站除具有变压器执行电压变换之外，还兼有多路出线的配电功能；配电站则无变压器，仅执行多路出线的配电功能。<2>高压站与低压站根据变电站电压等级即进线线缆的电压等级，变（配）电站分为35～110kV的较高电压变电站及6～10kV电压等级的较低电压变电站。<3>封闭站与开放站根据站内建筑形式，变（配）电站可分为封闭式站、半封闭式站与开放式站。<4>独立站、附属站、箱式站与杆上站根据与相关建筑物的关系，变电站分为独立站、附属站、箱式站与杆上站。5.2.2变配电站的位置1.位置选择原则<1>尽可能接近供电负荷中心，以有效减少低压线路长度，降低供电线路损耗。<2>偏于高压电源的进线方向，以减少高低压线缆的重设及低压电流的回送。<3>充分考虑进出线缆的走廊宽度，并为系统扩展留有适当余地。<4>要为变压器等主要设备的运输与安装留出通道。<5>变电站户外供电装置与其它建筑物、构筑物之间的防火距离应符合相关规定。<6>变电站户外供电装置与冷却塔或喷水池之间的距离应符合相关规定。<7>站址标高宜在50年一遇高水位之上，否则站区应有可靠的防洪措施。2.确定负荷中心供电负荷中心的确定可用负荷指示图、负荷功率矩或负荷电能矩法等近似计算方法。<1>负荷指示图法负荷指示图系用与局部负荷大小成比例的负荷圆标示的供电负荷分布图。各负荷圆的圆心位于局部负荷的“重心”。负荷圆的半径r为：

K为负荷圆的绘图比例（kW/mm2）。<2>负荷功率矩法设有个负荷，其位置分布如图5-2所示。在任选的直角坐标系中，各负荷的位置坐标为总负荷的位置坐标为：<3>负荷电能矩法为得到供电平均线路损耗最低的负荷中心，应采用平均负荷功率矩即负荷电能矩，其负荷中心的位置坐标为：5.3变配电站主接线5.3.1供电系统的网络结构

放射网高压变电站的每一条低压出线对应一个低压变电站环联网高压变电站的每一条低压出线上串联多个低压变电站枝干网高压变电站的每一条低压出线上并联多个低压变电站。

环联网中的低压变电站称为“环网站”，枝干网中的低压变电站称为“支线站”。

每个低压变电站只有一条电源线路，故统称为单电源供电系统。

每个低压变电站均有两条电源线路，故称为双电源供电系统。5.3.2变电站系统接入方式

供电系统网络结构中，单电源接入方式的变电站负荷均为三级，根据可靠性水平的高低依次为放射式、环联式与枝干式。双电源接入方式的变电站负荷可为二级或一级，其可靠性水平高低也依次为放射式、环联式与枝干式。高压输电网络（如220kV网络）均为典型的闭环结构，输电网络枢纽站输出的供电网（如35kV网络）不得“闭环运行”防止电磁环网的基本措施就是不允许变电站的双电源系统“闭环运行”在图5-4所示的闭环网络结构中实行的开环运行模式被称为“闭环结构、开环运行”，它既可提高系统的供电可靠性，又可避免电磁环网的形成，是城市供电系统的常见形式。5.3.3变电站高压侧主接线

变电站高压侧主接线系指站内传输电能的通路，是由变压器、断路器、隔离开关及母线等一次设备组成。1．单回线路的变压器组结构

当变电站只有一条电源线路和一台变压器时，最简单且可靠性最低。单线路变压器组是供电系统中可靠性最低的结构形式，仅适用于单电源的三级负荷供电系统。

线路变压器组结构多出现于10kV变电站，变压器的容量在采用隔离开关或跌落开关时不大于630kVA，采用负荷开关时不大于1250kVA，采用断路器时可以更大一些。

隔离开关进线结构中小型变压器的空载电流必须低于隔离开关的开断电流。该结构对应的高压系统主要是放射式结构。跌落式熔断器进线结构中的跌落式熔断器，可切合小型变压器的空载电流，也可以自动断开变压器短路电流。负荷开关与熔断器结构中，负荷开关负责切合空载变压器与带载变压器。变压器短路时由熔断器熔断实现短路故障切除。隔离开关与断路器结构中，变压器短路时由断路器的分闸切除故障，或分合变压器的负荷电流。

2．双回线路或双变压器结构

在变电站主接线拓扑结构中将“接入三条及以上承载负荷电流（不包括母联或桥联）支路的电气节点”称为母线。变压器高压侧（或低压侧）主接线结构中：只有一条母线时，该主接线称为单母线（不分段）结构；具有两条母线时，又分为单母线分段与双母线结构。单回线路双变压器结构适于接入放射式或枝干式短线路单电源系统。双回线路单变压器结构适于接入放射式或枝干式双电源系统，而两者的可靠性水平均较低，只能供应三级负荷。双线路变压器组结构投资成本与可靠性水平高于前两者，适于接入放射式或枝干式双电源系统，可以供应一、二级负荷，但不适于接入环联式双电源系统。3．内、外、全桥式主接线结构

变电站的进线线路（包括电源线路与联络线路）与变压器数量相等时可采用桥式结构。<1>全桥式主接线结构对于双电源的变电站而言，为了有效提高供电可靠性与变压器的利用率，其高压部分的典型主接线可为图5-7（a）所示的全桥式结构。断路器QF5称为“桥联断路器”。桥式结构中的两台主变压器可以有单电源供电与双电源供电两种方式。供电可靠性与运行灵活性高，可以供应一、二级负荷。该结构适应于双电源供电系统中的放射式、枝干式及环联各种网络结构，也可以作环联网的“终端站”或“联络站”，对外网的适应性很高。桥壁桥联<2>内桥式主接线结构为减少全桥结构的设备数量与投资费用，可采用图5-7（b）所示内桥式结构。因桥联QF5位于QF1与QF2两个桥臂断路器内侧，故称为内桥式结构。内桥式结构在某台变压器（如T1变压器）停运时需要先行断开相邻的两台高压断路器（如断路器QF1与QF5），再分断相邻的隔离开关（如隔离开关QS3），最后在闭合相邻的两台高压断路器（如断路器QF1与QF5），使特定操作较为繁琐。由于内桥式结构便于系统故障操作，而不便于站内故障操作，该结构更适合于供电线路长、线路故障多或者负荷较为平稳、变压器无需频繁投切操作的变电站环境，运行可靠性也较全桥式结构有所下降。<3>外桥式主接线结构为减少全桥结构的设备数量与投资费用，还可采用图5-7（c）所示外桥式结构。因桥联QF5位于QF3与QF4两个桥臂断路器外侧，故称为外桥式结构。外桥式结构中，如需某条电源线路（如线路L1）停运，需要先行断开相邻的两台高压断路器（如断路器QF3与QF5），再分断相应的隔离开关（如隔离开关QS1），最后在闭合相应的两台高压断路器（如断路器QF3与QF5）。由于外桥式结构便于站内故障操作，而不便于系统故障操作，该结构更适合于供电线路短、线路故障少或者负荷变化较大、变压器需要频繁投切操作的变电站环境，运行可靠性也较全桥式结构有所下降。此外，外桥结构适合于有功率穿越本站高压主接线向其它变电站供电的模式。4．单母线分段式结构当变电站需要配置多台变压器或需要设置其它高压进出线时，全桥结构多扩展为图5-8所示单母线分段结构，该结构中两段母线之间的断路器称为“分段断路器”（也称母联断路器）。高压单母线分段结构较全桥式结构具有更强的分配电能的能力，变电站的总容量一般更大，在全系统中的地位也更为重要。在高压进线侧配置电压互感器或站用变压器等非承载设备，而无更多进出线路或更多主变压器时，仍只能称为全桥而不能成为单母线分段。5．双母线的接线结构

单母线结构的称谓是相对于双母线结构而言。重要110kV变电站可以采用双母线形式的主接线结构。双母线结构正常运行时，母联断路器断开，两路电源分别接于两条母线，并按照负荷配平原则将全站负荷均分于两条母线。供电系统的双母线结构中，母联断路器的闭合状态只针对单电源供电方式，即双母线并联运行且各带部分负荷线路。6．三电源主接线结构

供电可靠性要求高于单母线分段系统时，还有如图5-10所示A、B、C三电源的单母线分段主接线结构。正常运行时可由左右两侧电源分列供电，而中间电源“热”备用。当两侧电源均故障时，应断开断路器QF1与QF2，并闭合断路器QF3与QF4，即改由中路电源供电。该结构中，断路器QF3与QF4既作电源断路器又作分段断路器。5.3.4变电站低压侧主接线

变电站低压侧母线多为单母线分段或不分段结构。单母线的分段数量一般与变压器数量一致，分段的目的是提高系统可靠性。1．低压单母线不分段结构为在一定程度上提高单电源变电站的供电可靠性，可以在临近变电站中引入一条低压侧联络线。2．低压侧单母线两分段结构

对于一、二级负荷变电站，一般需要与两台变压器相配合的低压分段单母线。图5-12所示变电站的分段母线存在分列与并联两种运行方式。3．低压单母线四分段结构

图5-14示出的四台变压器系统中低压四分段母线结构的主要特征有：高压双电源供电，高压侧两条独立母线，四台主变压器，低压侧单母线四分段交叉联络。该变电站低压主接线结构缘于四台变压器，任何两台变压器同时退出运行的小概率情况下，仍可保证全站负荷供电。5.3.5配电站的主接线结构

配电站（也称开闭站）是仅有进线、出线及母线结构，而无主变压器的同电压等级电站，其系统功能是负荷电流的集散与控制。配电站往往与变电站相配合形成合理的负荷分配。配电站一般也分为单回路进线的单母线不分段结构与双回路进线的单母线分段与不分段结构，其主接线形式与相应的变电站低压主接线结构基本一致。不配设站用变压器时,由电压互感器为断路器的合闸储能电机供电，并由电流互感器为断路器的分闸脱扣器动作提供电源。5.3.6变配电站的站用电源

站用变压器可以接于高压进线、高压母线或低压母线。双电源变电站中的站用变数量一般为两台，分设于分段断路器两侧，每侧站用变可配置于上述三位置之一，即在A、B、C三位置中任选其一，且在a、b、c三位置中任选其一。站用变压器低压侧的额定电压均为0.4kV，额定容量为50～100kVA。5.3.7供配电系统结构实例

一个典型35kV独立供电系统的结构实例。一个35kV独立供电系统，一般包括一座35kV变电站、多条10kV线路、多座10kV变电站及相应的0.4kV线路。标准的35kV变电站应为双电源供电。一般的10kV站也为双电源供电。专用的35kV供电系统一般与其它35kV供电系统没有35kV高压联络线，而公用的35kV供电系统一般具有此类高压联络线。5.4互感器设备配置

电压互感器与电流互感器输出的电压与电流是对一次系统执行计量、测量、保护、控制等二次系统功能所需要的基本数据，也是执行遥测、遥信、遥控、遥调等“系统远动”功能所需要的基本信息。根据各项所需数据的性质、形式、精度及位置等不同要求，系统不同位置上需要配置不同的互感器。5.5高低电压开关柜城市电网中的10kV～110kV变电站主要为户内封闭形式。全部变电站设备均置于室内。一般的35～110kV干式变压器与10kV湿式变压器需要独立设置变压器室。其它一次设备及部分二次设备均置于配电室的开关柜体中，其它二次设备置于控制室的直流屏中。5.5.1高压开关柜

高压开关柜是按照特定电压等级与特定功能而安装一、二次设备的独立金属柜体。安装计量用电流及电压互感器的也称计量柜，安装补偿电容及相应设备的也称补偿柜或电容器柜，专门安装干式变压器的也称为变压器柜，而安装断路器及相关设备的也称为开关柜。高压开关柜按照断路器等主设备的安装方式分为固定式与移出式。

35kV开关柜内安装设备较少，配置模式是以设备组合为主，例如：断路器与电流互感器、熔断器与电压互感器、避雷器、站用变压器与熔断器等。10kV开关柜的安装设备较多，配置模式是以功能组合为主，例如：受电柜、馈电柜、联络柜、计量柜、测量柜、隔离柜、站用变压器柜、高压电容器柜等

由于绝缘间距的要求，10～110kV的母联（或桥联）结构需由配置断路器的母联柜与配置隔离开关的隔离柜成组实现。

10kV及以上电压等级的高压集中补偿电容器及配套设备的体积较大，不宜独立成柜并置于高压配电室内，而是配置于独立的高压电容器室内，但控制高压电容器所用断路器及其独立开关柜需要置于高压配电室内。5.5.2低压开关柜0.4kV低压开关柜的功能与高压开关柜基本相同，但因绝缘间距小、设备规格小，开关柜的规格也小。

低压开关柜中的主要设备为低压配电出线断路器，其安装主要分为抽出式、插入式与固定式三种形式，图5-29分别给出低压断路器不同安装形式的接线图。5.5.3补偿电容柜10～35kV高压电容器柜一般设置独立电容器室，且多为开放形式。高电压等级电容器一般为单相式星形接线结构。因合闸涌流较大，单相电容器一般串接限流电抗器，电容放电也常采用专用放电线圈。低压的0.4kV电容器柜，一般置于低压配电室内，且与其它开关柜平行排列，电容器一般为三相式角形结构。低压电容器一般无需限流，并多以放电电阻进行放电。5.6变电站结构布置1．变压器室的结构2．高压配电室的结构3．低压配电室的结构变电站配电室内的35kV开关柜数量有限，可采用单排布置，而10kV与0.4kV开关柜数量较多，常采用双排布置。为实现双排开关柜之间的母线连接，普遍采用母线桥结构。图5-30示出低压配电室中两列开关柜之间的母线桥结构。4．高压电容器室结构5．主控制室或值班室5.6.3变电站立体布置

35kV变电站平面布置图5.7环网站与环联网

5.7.1箱式变电站

所谓箱式变电站是将10kV变压器、高压开关设备、低压开关设备、电容补偿装置、记录仪表、保护装置等一、二次电气设备紧凑地安装于特定箱体之中。

实现高低压电气隔离，箱式变电站内部一般分为相互隔离的高压区、变压器区与低压区，站内的变压器可以是干式变也可以是湿式变。5.7.2环联网结构

供电系统中大量的10kV用户站可以采用类似于箱式变电站的一进一出一变结构，以配合10kV环联网络结构。图5-35所示环网变电站中，10kV高压开关柜只有进线柜、出线柜与变电柜，构成了10kV环联网的典型节点。

由多个环网站或箱式站相互串联，可得到图5-36所示的10kV环联网络结构。为防止形成电磁环网，