建筑供配電第5章

第5章變電站及主接線

5.1供電電壓的選擇

供電系統(tǒng)一般有110kV、35kV、10kV及6kV等不同的電源電壓等級，其選擇需要考慮以下因素：<1>用電設(shè)備額定電壓<2>供電系統(tǒng)負(fù)荷規(guī)模決定供電電壓的重要因素是供電系統(tǒng)的負(fù)荷規(guī)模，特定的負(fù)荷密度及負(fù)荷規(guī)模對應(yīng)著特定的電壓等級。<3>與可能電源的距離應(yīng)充分考慮不同供電電壓及不同供電距離的線損差異。表5-1示出各電壓等級線路的合理輸送功率與輸送距離。表5-1

各電壓等級線路合理的輸送功率及輸送距離線路電壓（kV）線路形式輸送功率（kW）輸送距離（km）0.4架空線≤100≤0.250.4電纜線≤175≤0.356架空線≤1000≤106電纜線≤3000≤810架空線≤2000≤2010電纜線≤5000≤1035架空線2000～1000020～5035電纜線5000～2500010～25<4>不同電壓的電價差高壓供電電價低于低壓供電電價。因此，選擇供電電源電壓時需考慮不同接入電壓的電價差異。<5>電網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)有條件電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與運行是一個動態(tài)過程，新的供電負(fù)荷接入系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮電網(wǎng)現(xiàn)狀。<6>常用與備用的電源當(dāng)采用雙電源供電時，如為一用一備運行方式。5.2變配電站的設(shè)置

5.2.1變配電站的類型<1>變電站與配電站供電系統(tǒng)中的各電站分為變電站與配電站（也稱開閉站）；變電站除具有變壓器執(zhí)行電壓變換之外，還兼有多路出線的配電功能；配電站則無變壓器，僅執(zhí)行多路出線的配電功能。<2>高壓站與低壓站根據(jù)變電站電壓等級即進線線纜的電壓等級，變（配）電站分為35～110kV的較高電壓變電站及6～10kV電壓等級的較低電壓變電站。<3>封閉站與開放站根據(jù)站內(nèi)建筑形式，變（配）電站可分為封閉式站、半封閉式站與開放式站。<4>獨立站、附屬站、箱式站與桿上站根據(jù)與相關(guān)建筑物的關(guān)系，變電站分為獨立站、附屬站、箱式站與桿上站。5.2.2變配電站的位置1.位置選擇原則<1>盡可能接近供電負(fù)荷中心，以有效減少低壓線路長度，降低供電線路損耗。<2>偏于高壓電源的進線方向，以減少高低壓線纜的重設(shè)及低壓電流的回送。<3>充分考慮進出線纜的走廊寬度，并為系統(tǒng)擴展留有適當(dāng)余地。<4>要為變壓器等主要設(shè)備的運輸與安裝留出通道。<5>變電站戶外供電裝置與其它建筑物、構(gòu)筑物之間的防火距離應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。<6>變電站戶外供電裝置與冷卻塔或噴水池之間的距離應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。<7>站址標(biāo)高宜在50年一遇高水位之上，否則站區(qū)應(yīng)有可靠的防洪措施。2.確定負(fù)荷中心供電負(fù)荷中心的確定可用負(fù)荷指示圖、負(fù)荷功率矩或負(fù)荷電能矩法等近似計算方法。<1>負(fù)荷指示圖法負(fù)荷指示圖系用與局部負(fù)荷大小成比例的負(fù)荷圓標(biāo)示的供電負(fù)荷分布圖。各負(fù)荷圓的圓心位于局部負(fù)荷的“重心”。負(fù)荷圓的半徑r為：

K為負(fù)荷圓的繪圖比例（kW/mm2）。<2>負(fù)荷功率矩法設(shè)有個負(fù)荷，其位置分布如圖5-2所示。在任選的直角坐標(biāo)系中，各負(fù)荷的位置坐標(biāo)為總負(fù)荷的位置坐標(biāo)為：<3>負(fù)荷電能矩法為得到供電平均線路損耗最低的負(fù)荷中心，應(yīng)采用平均負(fù)荷功率矩即負(fù)荷電能矩，其負(fù)荷中心的位置坐標(biāo)為：5.3變配電站主接線5.3.1供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

放射網(wǎng)高壓變電站的每一條低壓出線對應(yīng)一個低壓變電站環(huán)聯(lián)網(wǎng)高壓變電站的每一條低壓出線上串聯(lián)多個低壓變電站枝干網(wǎng)高壓變電站的每一條低壓出線上并聯(lián)多個低壓變電站。

環(huán)聯(lián)網(wǎng)中的低壓變電站稱為“環(huán)網(wǎng)站”，枝干網(wǎng)中的低壓變電站稱為“支線站”。

每個低壓變電站只有一條電源線路，故統(tǒng)稱為單電源供電系統(tǒng)。

每個低壓變電站均有兩條電源線路，故稱為雙電源供電系統(tǒng)。5.3.2變電站系統(tǒng)接入方式

供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，單電源接入方式的變電站負(fù)荷均為三級，根據(jù)可靠性水平的高低依次為放射式、環(huán)聯(lián)式與枝干式。雙電源接入方式的變電站負(fù)荷可為二級或一級，其可靠性水平高低也依次為放射式、環(huán)聯(lián)式與枝干式。高壓輸電網(wǎng)絡(luò)（如220kV網(wǎng)絡(luò)）均為典型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，輸電網(wǎng)絡(luò)樞紐站輸出的供電網(wǎng)（如35kV網(wǎng)絡(luò)）不得“閉環(huán)運行”防止電磁環(huán)網(wǎng)的基本措施就是不允許變電站的雙電源系統(tǒng)“閉環(huán)運行”在圖5-4所示的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中實行的開環(huán)運行模式被稱為“閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運行”，它既可提高系統(tǒng)的供電可靠性，又可避免電磁環(huán)網(wǎng)的形成，是城市供電系統(tǒng)的常見形式。5.3.3變電站高壓側(cè)主接線

變電站高壓側(cè)主接線系指站內(nèi)傳輸電能的通路，是由變壓器、斷路器、隔離開關(guān)及母線等一次設(shè)備組成。1．單回線路的變壓器組結(jié)構(gòu)

當(dāng)變電站只有一條電源線路和一臺變壓器時，最簡單且可靠性最低。單線路變壓器組是供電系統(tǒng)中可靠性最低的結(jié)構(gòu)形式，僅適用于單電源的三級負(fù)荷供電系統(tǒng)。

線路變壓器組結(jié)構(gòu)多出現(xiàn)于10kV變電站，變壓器的容量在采用隔離開關(guān)或跌落開關(guān)時不大于630kVA，采用負(fù)荷開關(guān)時不大于1250kVA，采用斷路器時可以更大一些。

隔離開關(guān)進線結(jié)構(gòu)中小型變壓器的空載電流必須低于隔離開關(guān)的開斷電流。該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的高壓系統(tǒng)主要是放射式結(jié)構(gòu)。跌落式熔斷器進線結(jié)構(gòu)中的跌落式熔斷器，可切合小型變壓器的空載電流，也可以自動斷開變壓器短路電流。負(fù)荷開關(guān)與熔斷器結(jié)構(gòu)中，負(fù)荷開關(guān)負(fù)責(zé)切合空載變壓器與帶載變壓器。變壓器短路時由熔斷器熔斷實現(xiàn)短路故障切除。隔離開關(guān)與斷路器結(jié)構(gòu)中，變壓器短路時由斷路器的分閘切除故障，或分合變壓器的負(fù)荷電流。

2．雙回線路或雙變壓器結(jié)構(gòu)

在變電站主接線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中將“接入三條及以上承載負(fù)荷電流（不包括母聯(lián)或橋聯(lián)）支路的電氣節(jié)點”稱為母線。變壓器高壓側(cè)（或低壓側(cè)）主接線結(jié)構(gòu)中：只有一條母線時，該主接線稱為單母線（不分段）結(jié)構(gòu)；具有兩條母線時，又分為單母線分段與雙母線結(jié)構(gòu)。單回線路雙變壓器結(jié)構(gòu)適于接入放射式或枝干式短線路單電源系統(tǒng)。雙回線路單變壓器結(jié)構(gòu)適于接入放射式或枝干式雙電源系統(tǒng)，而兩者的可靠性水平均較低，只能供應(yīng)三級負(fù)荷。雙線路變壓器組結(jié)構(gòu)投資成本與可靠性水平高于前兩者，適于接入放射式或枝干式雙電源系統(tǒng)，可以供應(yīng)一、二級負(fù)荷，但不適于接入環(huán)聯(lián)式雙電源系統(tǒng)。3．內(nèi)、外、全橋式主接線結(jié)構(gòu)

變電站的進線線路（包括電源線路與聯(lián)絡(luò)線路）與變壓器數(shù)量相等時可采用橋式結(jié)構(gòu)。<1>全橋式主接線結(jié)構(gòu)對于雙電源的變電站而言，為了有效提高供電可靠性與變壓器的利用率，其高壓部分的典型主接線可為圖5-7（a）所示的全橋式結(jié)構(gòu)。斷路器QF5稱為“橋聯(lián)斷路器”。橋式結(jié)構(gòu)中的兩臺主變壓器可以有單電源供電與雙電源供電兩種方式。供電可靠性與運行靈活性高，可以供應(yīng)一、二級負(fù)荷。該結(jié)構(gòu)適應(yīng)于雙電源供電系統(tǒng)中的放射式、枝干式及環(huán)聯(lián)各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也可以作環(huán)聯(lián)網(wǎng)的“終端站”或“聯(lián)絡(luò)站”，對外網(wǎng)的適應(yīng)性很高。橋壁橋聯(lián)<2>內(nèi)橋式主接線結(jié)構(gòu)為減少全橋結(jié)構(gòu)的設(shè)備數(shù)量與投資費用，可采用圖5-7（b）所示內(nèi)橋式結(jié)構(gòu)。因橋聯(lián)QF5位于QF1與QF2兩個橋臂斷路器內(nèi)側(cè)，故稱為內(nèi)橋式結(jié)構(gòu)。內(nèi)橋式結(jié)構(gòu)在某臺變壓器（如T1變壓器）停運時需要先行斷開相鄰的兩臺高壓斷路器（如斷路器QF1與QF5），再分?jǐn)嘞噜彽母綦x開關(guān)（如隔離開關(guān)QS3），最后在閉合相鄰的兩臺高壓斷路器（如斷路器QF1與QF5），使特定操作較為繁瑣。由于內(nèi)橋式結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)故障操作，而不便于站內(nèi)故障操作，該結(jié)構(gòu)更適合于供電線路長、線路故障多或者負(fù)荷較為平穩(wěn)、變壓器無需頻繁投切操作的變電站環(huán)境，運行可靠性也較全橋式結(jié)構(gòu)有所下降。<3>外橋式主接線結(jié)構(gòu)為減少全橋結(jié)構(gòu)的設(shè)備數(shù)量與投資費用，還可采用圖5-7（c）所示外橋式結(jié)構(gòu)。因橋聯(lián)QF5位于QF3與QF4兩個橋臂斷路器外側(cè)，故稱為外橋式結(jié)構(gòu)。外橋式結(jié)構(gòu)中，如需某條電源線路（如線路L1）停運，需要先行斷開相鄰的兩臺高壓斷路器（如斷路器QF3與QF5），再分?jǐn)嘞鄳?yīng)的隔離開關(guān)（如隔離開關(guān)QS1），最后在閉合相應(yīng)的兩臺高壓斷路器（如斷路器QF3與QF5）。由于外橋式結(jié)構(gòu)便于站內(nèi)故障操作，而不便于系統(tǒng)故障操作，該結(jié)構(gòu)更適合于供電線路短、線路故障少或者負(fù)荷變化較大、變壓器需要頻繁投切操作的變電站環(huán)境，運行可靠性也較全橋式結(jié)構(gòu)有所下降。此外，外橋結(jié)構(gòu)適合于有功率穿越本站高壓主接線向其它變電站供電的模式。4．單母線分段式結(jié)構(gòu)當(dāng)變電站需要配置多臺變壓器或需要設(shè)置其它高壓進出線時，全橋結(jié)構(gòu)多擴展為圖5-8所示單母線分段結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中兩段母線之間的斷路器稱為“分段斷路器”（也稱母聯(lián)斷路器）。高壓單母線分段結(jié)構(gòu)較全橋式結(jié)構(gòu)具有更強的分配電能的能力，變電站的總?cè)萘恳话愀?，在全系統(tǒng)中的地位也更為重要。在高壓進線側(cè)配置電壓互感器或站用變壓器等非承載設(shè)備，而無更多進出線路或更多主變壓器時，仍只能稱為全橋而不能成為單母線分段。5．雙母線的接線結(jié)構(gòu)

單母線結(jié)構(gòu)的稱謂是相對于雙母線結(jié)構(gòu)而言。重要110kV變電站可以采用雙母線形式的主接線結(jié)構(gòu)。雙母線結(jié)構(gòu)正常運行時，母聯(lián)斷路器斷開，兩路電源分別接于兩條母線，并按照負(fù)荷配平原則將全站負(fù)荷均分于兩條母線。供電系統(tǒng)的雙母線結(jié)構(gòu)中，母聯(lián)斷路器的閉合狀態(tài)只針對單電源供電方式，即雙母線并聯(lián)運行且各帶部分負(fù)荷線路。6．三電源主接線結(jié)構(gòu)

供電可靠性要求高于單母線分段系統(tǒng)時，還有如圖5-10所示A、B、C三電源的單母線分段主接線結(jié)構(gòu)。正常運行時可由左右兩側(cè)電源分列供電，而中間電源“熱”備用。當(dāng)兩側(cè)電源均故障時，應(yīng)斷開斷路器QF1與QF2，并閉合斷路器QF3與QF4，即改由中路電源供電。該結(jié)構(gòu)中，斷路器QF3與QF4既作電源斷路器又作分段斷路器。5.3.4變電站低壓側(cè)主接線

變電站低壓側(cè)母線多為單母線分段或不分段結(jié)構(gòu)。單母線的分段數(shù)量一般與變壓器數(shù)量一致，分段的目的是提高系統(tǒng)可靠性。1．低壓單母線不分段結(jié)構(gòu)為在一定程度上提高單電源變電站的供電可靠性，可以在臨近變電站中引入一條低壓側(cè)聯(lián)絡(luò)線。2．低壓側(cè)單母線兩分段結(jié)構(gòu)

對于一、二級負(fù)荷變電站，一般需要與兩臺變壓器相配合的低壓分段單母線。圖5-12所示變電站的分段母線存在分列與并聯(lián)兩種運行方式。3．低壓單母線四分段結(jié)構(gòu)

圖5-14示出的四臺變壓器系統(tǒng)中低壓四分段母線結(jié)構(gòu)的主要特征有：高壓雙電源供電，高壓側(cè)兩條獨立母線，四臺主變壓器，低壓側(cè)單母線四分段交叉聯(lián)絡(luò)。該變電站低壓主接線結(jié)構(gòu)緣于四臺變壓器，任何兩臺變壓器同時退出運行的小概率情況下，仍可保證全站負(fù)荷供電。5.3.5配電站的主接線結(jié)構(gòu)

配電站（也稱開閉站）是僅有進線、出線及母線結(jié)構(gòu)，而無主變壓器的同電壓等級電站，其系統(tǒng)功能是負(fù)荷電流的集散與控制。配電站往往與變電站相配合形成合理的負(fù)荷分配。配電站一般也分為單回路進線的單母線不分段結(jié)構(gòu)與雙回路進線的單母線分段與不分段結(jié)構(gòu)，其主接線形式與相應(yīng)的變電站低壓主接線結(jié)構(gòu)基本一致。不配設(shè)站用變壓器時,由電壓互感器為斷路器的合閘儲能電機供電，并由電流互感器為斷路器的分閘脫扣器動作提供電源。5.3.6變配電站的站用電源

站用變壓器可以接于高壓進線、高壓母線或低壓母線。雙電源變電站中的站用變數(shù)量一般為兩臺，分設(shè)于分段斷路器兩側(cè)，每側(cè)站用變可配置于上述三位置之一，即在A、B、C三位置中任選其一，且在a、b、c三位置中任選其一。站用變壓器低壓側(cè)的額定電壓均為0.4kV，額定容量為50～100kVA。5.3.7供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實例

一個典型35kV獨立供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實例。一個35kV獨立供電系統(tǒng)，一般包括一座35kV變電站、多條10kV線路、多座10kV變電站及相應(yīng)的0.4kV線路。標(biāo)準(zhǔn)的35kV變電站應(yīng)為雙電源供電。一般的10kV站也為雙電源供電。專用的35kV供電系統(tǒng)一般與其它35kV供電系統(tǒng)沒有35kV高壓聯(lián)絡(luò)線，而公用的35kV供電系統(tǒng)一般具有此類高壓聯(lián)絡(luò)線。5.4互感器設(shè)備配置

電壓互感器與電流互感器輸出的電壓與電流是對一次系統(tǒng)執(zhí)行計量、測量、保護、控制等二次系統(tǒng)功能所需要的基本數(shù)據(jù)，也是執(zhí)行遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等“系統(tǒng)遠動”功能所需要的基本信息。根據(jù)各項所需數(shù)據(jù)的性質(zhì)、形式、精度及位置等不同要求，系統(tǒng)不同位置上需要配置不同的互感器。5.5高低電壓開關(guān)柜城市電網(wǎng)中的10kV～110kV變電站主要為戶內(nèi)封閉形式。全部變電站設(shè)備均置于室內(nèi)。一般的35～110kV干式變壓器與10kV濕式變壓器需要獨立設(shè)置變壓器室。其它一次設(shè)備及部分二次設(shè)備均置于配電室的開關(guān)柜體中，其它二次設(shè)備置于控制室的直流屏中。5.5.1高壓開關(guān)柜

高壓開關(guān)柜是按照特定電壓等級與特定功能而安裝一、二次設(shè)備的獨立金屬柜體。安裝計量用電流及電壓互感器的也稱計量柜，安裝補償電容及相應(yīng)設(shè)備的也稱補償柜或電容器柜，專門安裝干式變壓器的也稱為變壓器柜，而安裝斷路器及相關(guān)設(shè)備的也稱為開關(guān)柜。高壓開關(guān)柜按照斷路器等主設(shè)備的安裝方式分為固定式與移出式。

35kV開關(guān)柜內(nèi)安裝設(shè)備較少，配置模式是以設(shè)備組合為主，例如：斷路器與電流互感器、熔斷器與電壓互感器、避雷器、站用變壓器與熔斷器等。10kV開關(guān)柜的安裝設(shè)備較多，配置模式是以功能組合為主，例如：受電柜、饋電柜、聯(lián)絡(luò)柜、計量柜、測量柜、隔離柜、站用變壓器柜、高壓電容器柜等

由于絕緣間距的要求，10～110kV的母聯(lián)（或橋聯(lián)）結(jié)構(gòu)需由配置斷路器的母聯(lián)柜與配置隔離開關(guān)的隔離柜成組實現(xiàn)。

10kV及以上電壓等級的高壓集中補償電容器及配套設(shè)備的體積較大，不宜獨立成柜并置于高壓配電室內(nèi)，而是配置于獨立的高壓電容器室內(nèi)，但控制高壓電容器所用斷路器及其獨立開關(guān)柜需要置于高壓配電室內(nèi)。5.5.2低壓開關(guān)柜0.4kV低壓開關(guān)柜的功能與高壓開關(guān)柜基本相同，但因絕緣間距小、設(shè)備規(guī)格小，開關(guān)柜的規(guī)格也小。

低壓開關(guān)柜中的主要設(shè)備為低壓配電出線斷路器，其安裝主要分為抽出式、插入式與固定式三種形式，圖5-29分別給出低壓斷路器不同安裝形式的接線圖。5.5.3補償電容柜10～35kV高壓電容器柜一般設(shè)置獨立電容器室，且多為開放形式。高電壓等級電容器一般為單相式星形接線結(jié)構(gòu)。因合閘涌流較大，單相電容器一般串接限流電抗器，電容放電也常采用專用放電線圈。低壓的0.4kV電容器柜，一般置于低壓配電室內(nèi)，且與其它開關(guān)柜平行排列，電容器一般為三相式角形結(jié)構(gòu)。低壓電容器一般無需限流，并多以放電電阻進行放電。5.6變電站結(jié)構(gòu)布置1．變壓器室的結(jié)構(gòu)2．高壓配電室的結(jié)構(gòu)3．低壓配電室的結(jié)構(gòu)變電站配電室內(nèi)的35kV開關(guān)柜數(shù)量有限，可采用單排布置，而10kV與0.4kV開關(guān)柜數(shù)量較多，常采用雙排布置。為實現(xiàn)雙排開關(guān)柜之間的母線連接，普遍采用母線橋結(jié)構(gòu)。圖5-30示出低壓配電室中兩列開關(guān)柜之間的母線橋結(jié)構(gòu)。4．高壓電容器室結(jié)構(gòu)5．主控制室或值班室5.6.3變電站立體布置

35kV變電站平面布置圖5.7環(huán)網(wǎng)站與環(huán)聯(lián)網(wǎng)

5.7.1箱式變電站

所謂箱式變電站是將10kV變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備、低壓開關(guān)設(shè)備、電容補償裝置、記錄儀表、保護裝置等一、二次電氣設(shè)備緊湊地安裝于特定箱體之中。

實現(xiàn)高低壓電氣隔離，箱式變電站內(nèi)部一般分為相互隔離的高壓區(qū)、變壓器區(qū)與低壓區(qū)，站內(nèi)的變壓器可以是干式變也可以是濕式變。5.7.2環(huán)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

供電系統(tǒng)中大量的10kV用戶站可以采用類似于箱式變電站的一進一出一變結(jié)構(gòu)，以配合10kV環(huán)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖5-35所示環(huán)網(wǎng)變電站中，10kV高壓開關(guān)柜只有進線柜、出線柜與變電柜，構(gòu)成了10kV環(huán)聯(lián)網(wǎng)的典型節(jié)點。

由多個環(huán)網(wǎng)站或箱式站相互串聯(lián)，可得到圖5-36所示的10kV環(huán)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為防止形成電磁環(huán)網(wǎng)，