(中国石油化工股份有限公司长岭分公司)
摘要：中国石化长岭炼化是1000万吨级炼油化工企业，出于对生产安全、市场需要和产品质量的考虑，要求具有较高的供电可靠性。由于长岭炼化热电作业部长炼I站35kV变电所，原来采用普通式开关柜，由于建设时间较长，设计不足；加之后期改造扩容较多，并增设了厂用发电机组，负荷无法平衡，继电保护又不完善，当上级电网波动或厂用发电机故障时，经常会导致长炼I站35kV变电所和下级配电网失电或电压波动，对装置安全生产造成很大冲击。为提高长炼I站35kV供电系统稳定可靠性，我们就对35kV供电系统进行了优化改造。本文对将对优化改造的内容及效果进行浅析。
关键词：系统优化 C-GIS柜 继电保护 经济效益
1、概述
中国石化长岭炼化现有110kV变电站2座，包括长炼Ⅰ站（MS01）和长炼Ⅱ站（MS02）。Ⅰ站（MS01）负责老装置区供电，Ⅱ站（MS02）负责新装置区供电。Ⅰ站（MS01）电源引自由湖南电网220kV峡山变电站，Ⅱ站（MS02）电源引自由湖南电网220kV依江变电站，Ⅰ站（MS01）和Ⅱ站（MS02）有110kV和35kV联络线。
长岭炼化Ⅰ站（MS01）110kV系统主接线为双母线，装设2台110kV／35kV／6kV／63MVA有载调压三绕组变压器，长岭炼化Ⅰ站（MS01）35kV系统主接线为单母线分段，采用金属铠装柜，共有19个开关柜，分别为35kV区域变电所CS05、CS06、CS08、CS09供电。供电负荷约为56000kW。
图1、改造前的35kV变电所电气系统简图
2、原长炼I站35kV变电所供电系统存在的不足。
2.1、35kV母线至主变采用老管式母线，隐患多。我厂应用管式母线时间较早，制作工艺上存在缺陷，投运几年来，发生着火事故1起，过热事件多起。
2.2、35kV变电所金属铠装开关柜操作困难大。使用的35kV开关柜笨重，操作难度大，而且开关操作不易到位，影响送配电安全。
2.3、电气负荷无法平衡。长岭分公司Ⅰ站（MS01）35kV系统现有19台开关柜，为单母线分段接线方式，配出回路CS05、CS06、CS08、CS09区域变电所，均为两个配电回路，分别布置在不同母线段，而厂用发电机组C1＃额定容量为60MW，布置在35kV Ⅰ段上，发电机所发的电能只能被35kV Ⅰ段所带负荷消耗，而35kV Ⅰ段所带负荷只有30MW，所以发电机不能满负荷运行，发电量只能达到额定的一半，影响发电机的发电效率。用电只能从湖南电网吸取，相对增加电网基本电价支出，经济效益差，能耗高。
2.4、继电保护不完善。长炼Ⅰ站（MS01）35kV系统为单母线分段，35kVⅠ段带有C1#发电机，相继为CS05、CS06、CS08、CS09供电，地位日渐重要，35kV配电装置没有设置母线差动保护装置，母线短路靠进线后备保护动作，带有一定动作时间。母线一旦发生短路，短路点靠近发电机，短路容量大，将影响整个电力系统。同时母联柜未设置快切保护装置，当系统发生晃电或故障时，不能无忧的对电力系统进行切换，影响生产装置的正常运行。而且整个35kV变电所供电系统自动化程度很低，不能满足现在智能自动化供配电的需要。
3、35kV电气系统优化改造技术方案。
3.1、总体方案
3.1.1设备更新方案
1）、 35kV母线接线方式采用双母双分段结构，便于负荷倒闸操作与负荷平衡。
2）、35kV系统开关柜采用C-GIS开关柜，进线电源柜2个，母联及分段柜4个，配出回路14个，提升柜6个，共计26个柜。
3）、完善保护配置：35kV快切装置2套；35kV母线差动保护装置2套；部分配出回路增加后备保护。
4）、35kV管母更新为新型管母。
5）、主变35kV侧出线增加隔离刀闸。主变为三卷变压器，增加隔离刀闸方便事故处理。
6）、增加微机五防系统，更新后台监控通讯系统，提高智能自动化。其中包括防误闭锁系统、遥视监控系统、压板系统等。
3.1.2施工方案
1）、项目在原变电所内进行改造，但C-GIS开关柜电缆采用插拔式，原有电缆沟高度不够，需要将电缆沟抬高800mm，由于施工时间紧，采用钢结构。
2）、 从安全或方便施工角度考虑，新建一个临时变电所，优化改造期间将原35kV配出负荷转至临时变电所，并采用单回路供电。
3.2、技术方案
3.2.1、35kV运行方式
35kV系统采用双母双分段接线方式，运行方式灵活，只有确定好正常运行方式，才能配置好电源快切装置以及相关保护配置。运行简易接线方式如下图：
图2、改造后的35kV变电所电气系统简图
正常运行方式是分段开关400C、400D运行，1#进线410开关带1#、3#母线运行，2#进线420开关带2#、4#母线运行。
电源快切装置安装在400A、400B母联开关上，事故情况下跳进线开关410（420），合母联开关400A（400B）。
母联开关400A、400B开关设置过流保护，分段开关400C、400D不设保护。
发电机大负荷发电时，将2#、4#母线上的负荷倒置2#母线上运行，顺序分别是：CS08、CS05、CS09、CS06 。
3.2.2、电源快切装置运行方式
图3、单套快切装置接线示意图（正常运行）
35kV快切装置2套，分别装在母联400A和400B上；正常运行方式为进线1（1DL=410），进线2（2DL=420）在合位，母联（3DL=400A、400B）在分位，事故情况下，进线开关跳闸，合母联开关。
事故情况下带发电机切换，只设置快速保护，事故切换采用串联切换，不允许手动切换。
两套装置同时投入，相互不设置闭锁。
母线差动保护、主变后备保护闭锁快切。
主变主保护启动快切装置。
3.2.3、母线差动保护装置保护范围
差动保护逻辑中包含大差启动元件、小差选择元件和电压闭锁元件。大差启动元件用来判别故障点在母线区内还是区外障，小差选择元件用来判别故障点在哪段母线，按照我厂双母线双分段来分，装置有2个小差选择元件：I母小差选择元件和II母小差选择元件）。大差元件与小差元件的范围如下所示：
图4、母线差动装置元件保护范围图
本变电所共有2套母线差动保护装置。正常运行方式时，1#装置保护范围为I母、II母、1#母联、分段1、分段2；2#装置保护范围为III母、IV母、2#母联、分段1、分段2。如上图。
大差电流为除母联外的所有支路电流矢量和。
I母小差电流为I母所有运行支路（包括母联、分段1）电流矢量和。
II母小差电流为II母所有运行支路（包括母联、分段2）电流矢量和。
双母线接线，支路的运行方式可以灵活的切换于I母和II母之间，所以保护装置除了配置一台主保护机箱外，还配备了一个运行方式模拟装置，用来采集并显示各支路的运行状态，同时也供小差选择元件进行故障母线的选取。
4、优化改造后的特点和优点
4.1、 35kV C-GIS开关柜的应用
4.1.1、C-GIS开关柜的特点和优点
气体绝缘开关柜与其它类型的开关设备相比，具有以下特点：
1）、小型化。是将空气绝缘的金属封闭开关设备充入 SF6替代空气绝缘， 各单元设置在柜体内， 再充入低压力 （0.03~0.16MPa）SF6等气体。气体绝缘开关柜采用的是低压力气体绝缘，实现了在制造厂整体装配、调试，整体运输到现场。 在制造厂派到现场服务人员的指导下，安装工作进展顺利。 每一面气体绝缘开关柜在现场安装时没有涉及 SF6 气体的操作，插入式单相固体绝缘母线安装方便，现场安装精度要求不高，在母线连接扩展安装时，也不涉及 SF6 气体的任何操作，明显地减少了现场安装的工作量。
2）、 提高了可靠性和安全性。主回路的导电部分密封于 SF6气体中，以及高压带电导体封闭，不受外界环境条件变化的影响，可使用在环境恶劣的场所，使设备长期安全运行，具有高可靠性并且无触电和火灾危险。 因气体压力低，密封问题已不突出，气密性好，可达 30 年不用补气。
3） 维护简单，各高压元件或用气体密封或以金属封闭，零部件无锈蚀、生锈现象，需维修的工作量很少；采用电寿命长、 性能稳定的真空断路器可实现免维护或少维护。
4）、 应用、布置方便，气体绝缘开关柜将高压元件组成若干标准模块， 通过组合可以满足各种主接线的要求， 满足各种不同使用场合的需要。 该柜在制造厂整体装配、调试，整体运输，到现场后成套吊装到位， 现场安装时可不涉及 SF6 等气体的处理；可根据需要很方便地通过预留的电缆插座来增加进出线的数量进行扩容； 三相高压元件设置在气体绝缘开关柜的充气壳体内， 易于采用电缆作为电源的引入、引出，该柜与主变压器的连接、布置方便；采用气体绝缘开关柜，外型尺寸大大缩小，便于布置和减少占地面积。
4.2、电源快切装置的应用
4.2.1电源快切装置的特点和优点
石化企业中的用电负荷大多为一级、二级负荷，要求采用双电源供电。20世纪90年代出现的微机型备用电源自动投入装置的推出和广泛应用，大大提高了石化企业供电系统的可靠性， 为石化企业的安全生产提供了有力保障。然而，随着新世纪技术水平的发展，人们对供电连续性提出了更高的要求。这时，备用电源自动投入装置的缺陷便暴露出来，而且越来越明显。
1）、母线掉电时间长备用电源自动投入装置目前大多采用低电压起动方式。但实际上，由于大量电动机挂在母线上，电动机的反电动势使得母线上存在一定的残压，其电压幅值衰减需要一定的时间。
2）、备用电源投入后， 电动机群的自起动电流非常大，不利于母线电压的恢复备用电源自动 投入装置一般都必须等到母线残压值非常低后才起动，这样避免了备用电源投入瞬间对电动机造成损害， 但另一方面又不可避免由于母线掉电时间较长， 此时电动机转速已经下降到较低 值。 来电后，电动机群同时自起动，电流相当大，不利于母线电压的及时恢复，甚至可能拖垮备用电源系统，造成再次停电。
3）、备用电源投入前对掉电母线没有充分的跟踪分析微机备用电源自动投入装置一旦起动， 经事先设定的延时后跳开工作电源开关， 确认该开关跳开后， 并确认母线电压低于允许合闸电压后，发送备用电源开关合闸命令，而对母线上残压的具体状况不予考虑。 由于允许合闸电压值往往比低电压起动值更低，此时备用电源开关投入，对设备冲击较小，确实可以不考虑，但不可避免会使母线停电时间更长。
4.2.2微机快切装置替代备用电源自动投入装置是大势所趋
由于备用电源自动投入装置存在以上的先天不足，提出了备用电源快速切换的概念 。近几年， 相关微机快切装置生产厂家又研发出适用于工业企业的产品， 并大力进行推广。一般快切装置按动作的优先级分为四种切换准则： 快速切换、 同期捕捉、 残压和长延时。工作电源失电瞬间， 由于母线电压刚开始衰减 ， 如果与备用电源的频差和相角差在允许范围内，此时完成切换对系统的冲击是最小的，母线掉 电时间一般只与断路器的固有分合闸时间有关，对生产的连续性和设备的安全都极为有利。如果 快 速切换不成功，快切装置则对两侧电压进行同期捕捉，在同相点完成切换。母线残压相对备用电源电压每运动360°就出现一次可能满足同相切换判据的合闸时刻点。理想情况下能实现首次过0°合闸，此时母线电压一般衰减30%～40%，电动机设备出力下降还不是很大，备用电源合上时冲击也不是很大，电气设备的自起动条件较好。如果前两种方式均没有动作成功，残压切换方式可以作为前两种方式的后备进行动作。这种残压切换方式实际上等同于传统的备用电源自动投入装置方式，当母线残压衰减到一定值（20%～40%）Un，经一定延时后完成切换。此时由于母线残压很低，不再对相角差和频率差进行判断分析。为防止特殊情况下，以上三种切换方式都不能成功，快切装置还设有长延时切换方式。只是一般情况下，很难用到这种方式。很显然，相对微机备用电源自动投入装置，微机快切装置具有明显的优势。
1）、由于快切装置一般都能在前两种方式下完成切换， 使得母线的掉电时间大大缩短， 采用并联方式时，甚至可以将掉电时间缩短在几十毫秒之内。而这对生产的连续性、电气设备的自起动以及母线电压的快速恢复至关重要。
2）、由于装置一直对两侧电压进行跟踪采样，避免了备用电源在危险时投入，避免对电气设备的损害。
3）、 微机快切装置不仅可以用于电源故障切换，对于正常情况下，人工切换电源同样适用。
5、优化改造实施后效果
5.1、合理平衡了负荷，提高了发电机发电效率，产生很好的经济效益。
长炼I站35kV系统通过采用双母线双分段运行后，能最大效率利用1＃发电机，合理平衡负荷，降低湖南电网用电需求，减少用电成本。厂用发电机C1#机的发电量由改造前是30MW，改造后发电量可达到45MW及以上，最少节约用电15000度/小时。通过效益计算，大大减少用电成本。操作人员还可根据需要，可以将供电负载通过隔离开关切换至35kV系统变电所的任一段母线上，确保供电连续性和稳定性。
5.2、完善了继电保护，电源实现无忧动切换，避免电网波动影响装置连续生产。
35kV系统改造后将提高其保护的可靠性，35kV设置母线差动保护，母线一旦出现短路能快速切除故障，避免故障扩大。35kV母联增加快切装置，使保护更加完善，提高系统抗晃电能力，提高了稳定性和可靠性。
5.3、提高了智能化，避免了人为误操作和触电风险。
35kV系统优化改造后，确保了电气系统的本质安全，使电气检修工作量大大降低，也减少了出事故的机率，并增设微机五防系统，更新了后台监控系统，完全实现了自动化。包括防误闭锁系统、五防遥视监控系统、压板系统、后台监控通讯系统等。每次需要停送电操作，系统倒闸，压板投退等，都必须通过“五防系统”开取操作票，计算机系统程序模拟执行正确后，才能进行现场实际操作或远程操作。后台系统与五防遥视监控系统全过程进行监测监视，避免了人为误操作和触电风险，通过智能化提高变电所供配电安全性。
6、产生的经济效益
6.1、直接经济效益计算（平均电价计算）：
以2016年为例：C1#发电机发电成本=0.5495元/度，受电成本=0.68元/度，改造前发电量最高只能发30000度/时，改造后最少可发45000度/时，降低成本（年）=（45000-30000）×24×365×（0.68-0.5495）=1819.89万元。
6.2安全经济效益：
出现安全故障导致发电机停机，主变容量费就会增加，
基本容量=63000×40%=25200kVA，故障后主变最大容量按最高发电量计算=45000kW，基本容量费单价=30元/ kVA。安全成本（每次）=（45000-25200）×30元=59.4万元。
6.3、生产经济效益
根据历史故障统计，原来每次上级变电所发生晃电或系统波动，会导致生产的装置波动或停工，间接损失达20-600万元，甚至损失更多，每年类似故障约为2次。现优化改造成，完善了继电保护，提高了设备本质安全，8-10年内故障率能降为零。根据计算，间接经济效益达到160-6000万元。如发生全厂大型停电或电气短路事故，损失甚至上亿元，间接经济效益显著。
从上述统计计算产生的经济效益显著。电气系统优化改造项目，在降低生产装置事故率的同时，也间接的降低污染排放，同时也取得了很好的社会效应，利国利民。
7、 结语
长炼I站35kV系统电气系统优化改造项目，通过柜体更新，继电保护的完善，自投运以来，运行良好，效果显著，提高了供配电稳定性和可靠性，保证了电力系统抵抗电网波动的能力，为装置的连续生产需求提高可靠保障，也取得不错的经济效益。
参考文献:
[1] 宋志明.继电保护原理与应用. [M]. 北京：中国电力出版社,2007。
[2] 邰能灵，胡炎.微机保护技术及其工程应用. [M]. 北京：中国电力出版社,2010。
作者简介：
曾贤志(1975-)，男，湖南省岳阳市，工程师，大专，研究方向为电力系统继电保护与控制、电气运行及检维修管理。
论文作者:曾贤志
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/2
标签：母线论文; 装置论文; 电源论文; 变电所论文; 开关柜论文; 系统论文; 方式论文; 《电力设备》2018年第20期论文;