摘要：随着我国城镇化程度的逐步提高，居民对电力供应稳定性的需求也在不断提高。然而传统电网系统运行存在的电力资源损耗大浪费多、占地面积广布局不合理等负面问题，严重制约着我国电力系统的发展进程，因此具有“资源节约型、环境友好型、工业化”等优点的模块化变电站必将成为未来变电站的建设趋势。
关键词：寒冷地区；变电站；电气设计；能效研究
1寒冷地区模块化变电站研究现状和特点
现在寒冷地区运行的户外组合电器设备在-30℃以下容易产生液化问题，导致报警或闭锁，户外布置冬季还可能有覆冰等问题，不利于后期运行维护。而且户外布置情况下不但设备本体需要加热，主母线和分支母线也需要加热，加热负荷很大。当采用户内GIS布置时，GIS组合电器内集成了断路器、电流互感器、隔离开关等设备，由于室内采用保温措施更为方便，因此户内GIS布置能满足任何地区最低环境温度的技术要求。预制舱式模块化方案通过采用预装式变电站结构简化了现场的建筑工作量，工厂化生产将现场大部分安装工作量转移到工厂内，以工业化、产业化的专业生产水平实现各模块的高效快速生产，通过配送式运输和现场装配式的建站，实现整站快速的建成投运，将变电站的建设周期缩短至3-4个月，极大的压缩了时间成本。
2寒冷地区变电站电气设计
本章以佳木斯地区的东风220kV变电站模块化建设方案为依托，对寒冷地区变电站设计进行研究。结合黑龙江地区的寒冷气候条件、土地资源情况以及以往建设经验，提出了适用于黑龙江等寒冷地区的220kV模块化变电站设计方案，为今后寒冷地区的模块化变电站建设提供理论依据。
2.1电力系统
佳木斯供电区位于黑龙江省东北部，是黑龙江省电网的枢纽电网之一，承担着向佳木斯市区、桦南县、桦川县等11个县市以及哈尔滨地区方正县、通河县、依兰县的供电任务。根据电力负荷预测，到2015年东风地区负荷预测结果在180-202之间，需变电容量（容载比按1.6-1.8计算）在306兆伏安-344兆伏安。佳木斯A厂（东方热电厂）机组停止运行，原有220千伏和110千伏等配电装置相继拆除，佳木斯A厂原带相应负荷失去电源。将原有110千伏变电站整理入新建东风变，建设本次220千伏东风变为原佳木斯A厂供电区负荷提供电源。东风变的建设为佳木斯220千伏电网在佳鹤煤炭能源基地电源送出起到了重要的枢纽作用。
2.2设备选择
220kV设备：选用SF6封闭式组合电器（户内母线共箱式GIS）。
出线断路器隔位、主变压器断路器隔位额定电流3150A，开断电流50kA，选用弹簧/液压操作机构；电流互感器4卷，变比2X1600/5A；母线侧、线路侧隔离开关额定电流3150A，额定短时耐受电流50kA，单接地、双接地。出线避雷器选用敞开式。母联断路器隔位额定电流3150A，开断电流50kA，选用弹簧/液压操作机构；电流互感器4卷，变比2X1600/5A；母线侧、线路侧隔离开关额定电流3150A，额定短时耐受电流50kA，单接地、双接地，母线电压互感器5线卷，线路电压互感器3线卷。
220kVGIS共计10个隔位（2组母线电压互感器布置在1隔位），本期建设9个隔位。1回预留线间隔为本期上母线及母线隔离开关。架空线避雷器选用敞开式。
110kV设备：选用SF6封闭式组合电器（户内共箱式GIS）。
主变压器、母联断路器隔位额定电流2000A，开断电流40kA，选用弹簧操作机构；电流互感器4卷，变比2X1000/5A；母线侧、线路侧隔离开关额定电流2000A，额定短时耐受电流40kA，单接地、双接地。出线断路器隔位额定电流2000A，开断电流40kA，选用弹簧操作机构；电流互感器4卷，变比2X400/5A；母线侧、线路侧隔离开关额定电流1250A，额定短时耐受电流40kA，单接地、双接地。
2.3一次设备设计
东风变电站站址位于佳木斯A厂厂区西北角，目前有佳厂围墙合围，北面临江坝，东有两个化学处理罐，东侧有进场道路，西侧为佳厂厂房。由于电厂内场地狭小，可用面积有限。因此东风220kV变电站本设计方案选择了半户内站的布置型式。具体布置如下：
变电站总布置为半屋内式布置，220kV配电装置与综合楼为一体一层建筑布置在站区东面，110kV、10kV配电装置为二层建筑布置站区北侧，两座建筑为L型布置，主变压器屋外布置在站区中间。主变压器与220kV、110kV配电装置架空线连接，与10kV配电装置母线桥连接。变压器与220kV配电装置中间设置运输维护道路。
220kV、110kV配电装置均为户内母线共箱式GIS，H型布置。
220kV配电装置建筑横向尺寸56米，跨度12米，相邻建筑集中布置主控制室、蓄电池室、警卫室等。
110kV配电装置建筑横向尺寸为28米，跨度12米。
二层为110kV户内封闭式组合电器，一层布置10kV配电装置、带电工具室、消防室等。
10kV配电装置采用屋内金属铠装开关柜单列布置，电缆引出线。10kV干式站用变布置在10kV配电装置室内。
为节省高压电缆，并联电容器成套装置布置在户外110kV配电综合楼的北侧。
220kV电气主接线本期、远期采用双母线接线，设母联断路器，本期出线5回，远期出线6回。GIS设备户内一列布置，间隔宽度3m，本期4回架空出线，1回电缆出线，远期2回电缆出线，主变架空进线。配电装置按50kA短路电流水平设计。
2.4二次设备设计
2.4.1二次设备设计原则
针对220kV、110kV户外变电站的接线型式和布置型式，本方案二次设备采用预制舱式二次组合设备。其中220kV、110kV合并单元智能终端一体化装置均下放至相应间隔智能控制柜内；主变10kV合并单元智能终端一体化装置均下放至主变10kV开关柜内；10kV保护测控装置均安装在就地开关柜上。本方案全站设置1个公用设备预制舱，舱内包含站控层设备模块、公用设备模块、通信设备模块、直流电源系统模块、220kV、110kV间隔设备模块和主变间隔层设备模块。这些模块均布置在二次设备预制舱内，预制舱就近布置于220kV户内配电装置区域空余场地，预制舱内设置光纤接口屏，光纤接口屏是整个舱体的“接线端子”，舱内其它屏柜与光纤接口屏之间的接线在工厂内完成连接，光纤接口屏至户外智能控制柜采用双端预制光缆，实现光缆即插即用。
2.4.2二次设备模块化
模块设置主要按照功能及间隔对象进行划分，尽量减少模块间二次接线工作量，220kV智能变电站二次设备主要设置以下几种模块：（1）站控层设备模块：包含监控系统站控层设备、调度数据网络设备、二次系统安全防护设备等。（2）公用设备模块：包含公用测控装置、时钟同步系统、电能量计量系统、故障录波装置、网络记录分析装置、辅助控制系统等。（3）通信设备模块：包含光纤系统通信设备、站内通信设备等。（4）电源系统模块：包含站用交流电源、直流电源、交流不间断电源（UPS）、逆变电源（INV，可选）、直流变换电源（DC/DC）、蓄电池等。（5）220kV间隔设备模块：包含220kV线路（母联、桥、分段）保护装置、测控装置，220kV母线保护、电度表、220kV公用测控装置与交换机等。（6）110kV间隔设备模块：包含110kV线路（母联）保护测控集成装置、110kV母线保护、电度表、110kV公用测控装置与交换机等。（7）主变间隔设备模块：包含主变压器保护装置、主变测控装置、电度表等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆220kV户内变电站，站控层设备模块、公用设备模块、通信设备模块、主变间隔模块与电源系统模块布置于装配式建筑内；220kV、110kV间隔层设备宜按间隔配置，分散布置于就地预制式智能控制柜内，由本体设备厂家一体化配送，工厂化生产和调试，与一般智能控制柜相比，现场只需将对外预制光缆和预制电缆至机构的电缆航空插头对应编号连接即可，进一步缩短现场安装和调试时间，标准化工艺减少出错几率，提高设备可靠性。
2.4.3预制式光、电缆应用方案
预制光、电缆技术是指光缆或电缆经过工厂预处理后，在线缆的一端或两端根据需要连接各种类型的线缆连接器，可实现预制端在施工现场的无熔接续点的快速连接口。预制式光、电缆在生产过程有严格的监督，产品出现缺陷容易及时发现并处理，可靠性更高。工厂标准化预制、现场“即插即用”，代替传统施工过程中拨铠、熔接等工作，提高了现场工作效率和光、电缆连接可靠性。根据预制式光、电缆在变电站的应用场景，其基本技术参数应满足以下要求：
（1）采样值和保护GOOSE等可靠性要求较高的信息传输应采用光纤。
（2）主控楼计算机房与各小室之间的网络连接应采用光缆。
（3）光缆起点、终点在同一智能控制柜内并且同属于继电保护的同一套的保护测控装置、合并单元、智能终端、过程层交换机等多个装置，可合用同一根光缆进行连接，一根光缆的芯数不宜超过24芯。
（4）跨房间、跨场地不同屏柜间二次装置连接宜采用室外双端预制光缆。
（5）预制舱式二次组合设备内部屏柜间光缆接线全部由集成商在工厂内完成。现场施工宜采用预制光缆实现二次光缆接线即插即用。
（6）预制舱内的集中配线柜宜采用高密度免熔接光配模块。
2.5智能控制系统
全站配置1套智能辅助控制系统实现图像监视及安全警卫、火灾报警、消防、照明、采暖通风、环境监测等系统的智能联动控制。智能辅助控制系统包括智能辅助系统综合监控平台、图像监视及安全警卫子系统、火灾自动报警及消防子系统、环境监测子系统等，将接收的相关信息进线视频联动和启动录像；同时相关报警信息送入统一信息平台。
3能效分析
3.1电气设备能效分析
本工程主变压器额定容量为180MVA，三绕组有载调压，主变变比为230±8×1.25%/121/38.5kV，YNyn0d11接线。变压器选用三相、低损耗、全密封、免维护电力变压器，冷却形式为油浸自冷（ONAN），布置在户外。电力变压器的损耗主要体现在电能转换过程中空载损耗、负载损耗和其它附加损耗等电能损耗。变压器的节能降耗可以通过合理选择变压器的型式和选择低损耗变压器来实现。主变压器能源消耗不仅仅体现在空载损耗和负载损耗上，其冷却器也同样需要消耗大量能源。在变压器冷却方面采用油浸自冷比一般采用自然油循环风冷（ONAF或OFAF）和强迫油循环风冷（ODAF）两种方式要节约大量能效。自然风冷冷却方式中，冷却负荷主要由变压器风扇消耗功率组成，而强油风冷冷却方式中，冷却负荷除变压器风扇消耗功率之外，还包括强油循环油泵所消耗的功率。因此，一般来说，强油风冷冷却功率将大于自然风冷冷却功率。
3.2环保节能分析
3.2.1节能金具
采用铸铁和螺栓组合成的耐张线夹和悬垂线夹，用这种材料制成的金具在导线中通过交变电流时形成一个闭合的磁回路，铁磁物质在交变磁场作用下反复磁化的过程中，其磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化，这就是所谓磁滞现象。在反复磁化的过程中，由于磁畴的反复转向，铁磁物质内部的分子摩擦发热而造成能量损耗。构成闭合回路的电力金具在反复磁化过程中，因为磁畴反复转向导致的这种功率损耗，就是所谓的磁滞损耗。这一交变磁场在金具内部也会产生感应电动势和感应电流，即涡流，由于钢铁材料电阻的存在，必然产生有功率损耗，即涡流损耗。当电流增大时，磁滞损耗随磁通密度的1.6～2.0次方上升，涡流损耗随磁通密度的2.0次方上升。涡流和磁滞损耗产生的热量使金具内的导线温度升高，使该处导线的机械强度下降，加之线路振动，导线就会在线夹处断股，缩短了线路的运行年限。导线中通过400A电流时，铁磁线夹比铝合金线夹温度高17℃，损耗多30W。
3.2.2照明节能措施
（1）传统弱点控制系统的问题传统的弱电控制系统或其它非总线制控制系统，或多或少存在如下问题：（a）降低档次易于损坏，增加后期检修维护费用。（b）操作使用不方便性，缺乏人性化。（c）非真正智能化控制增加服务成本和能源费用。（d）墙面控制前端设备较多，且不美观，影响装潢效果。（2）智能控制系统的优点智能控制系统符合安全、方便、人性化、技术先进等特点。（a）创造了安全、健康、舒适宜人的会议环境。（b）能满足多种用户对不同环境功能的要求。电气安装总线是开放式，大跨度框架结构，允许用户迅速而方便地改变建筑物的使用功能或重新规划建筑平面。（c）满足建筑经济性运行要求。自动化提供了实现节能运行与管理的必要条件，同时可大量减少管理与维护人员，降低管理费用，提高劳动效率，并提高管理水平。（d）保证建筑安全可靠。现代化建筑有多种报警措施及安全服务，各系统间相互结合，并以计算机网络的形式实现，在各种紧急突发事件中，能作出迅速果断的处理，为建筑的安全提供了可靠的保障。
3.2.3暖通空调的节能措施
公用二次设备及交流电源室采用智能环境控制系统进行冬季采暖、夏季及过渡季节通风空调；蓄电池室采用智能环境控制系统进行夏季及过渡季节通风空调，冬季采用太阳能热水地热盘管采暖；备餐间、综合功能室、保卫室、值休室和安全工具间兼资料室均采用分体热泵壁挂式空调机进行夏季空气调节，冬季采用太阳能热水地热盘管采暖。保护小室、二次设备室要求室内环境温度为5～30℃，设计取值28℃，通过提高空调区域的设计温度能降低空调区域的空调冷负荷，降低空调机的装机容量，减少空调机的耗电和运行费用。上述区域设置的环境智能控制系统自动控制通风系统的运行。夏季，环境智能控制系统运行，室温超过设定值时，自动启动辅助制冷系统进行降温处理；春秋过渡季节环境智能控制系统运行，保持室内微正压及空气品质；若室内温度低于设定值时，自动启动辅助供热系统运行向室内供热；冬季，当室外温度过低时，自动启动电热采暖。
3.2.4站内生产废水排水系统节能方案
站内设带有油水分离功能的事故油池1座，与变压器油坑设有管道相联。事故时，含油污水排入事故油池，经油水分离后，处理合格的废水进入雨水下水道，分离出的废油及时清除，防止污染环境。事故排油管道按照20min将事故油排尽进行管径选择。事故油池有效容积按照主变压器油量的60%设计。
3.2.5主变压器灭火系统节能方案
本工程主变灭火系统采用排油注氮灭火装置，国内广泛应用于发电厂主变压器消防灭火系统是水喷雾灭火系统，广泛应用于变电站主变压器消防灭火系统是水喷雾灭火系统、合成型泡沫喷雾灭火系统和排油注氮灭火装置。这三种灭火方式均已通过了国家固定灭火系统和耐件质量监督检验中心检测，行内各设计院对上述三种灭火方式作了大量的研究论证工作。就东北地区而言，冬季严寒、多大风是其基本的气候特征。
4结语
从设计作为智能电网的重要组成部分，既满足了城市中心区域日益增长的负荷需求，又提升了电网的建设效率和供电可靠性，对于缓解城市中心区域的紧张供电局面将起到重要作用，对推动电网技术革新也有着深远的意义。在施工中由于二次设备为分散招标，施工配合时需要大量的协调工作，建议针对模块化变电站采用二次设备整站招标，避免过多的中间分散环节，真正实现模块化变电站“二次设备实现工厂内规模生产、集中调试、模块化配送、即插即用”的宗旨，再次缩短调试周期。
参考文献：
[1]张矿，姬喜军，张维，等.预制舱式二次设备在智能变电站中的应用[J].自动化应用，2016（7）：44-45.
[2]钱新建，汪卫国，张永生.智能化辅助系统在智能变电站的应用[J].浙江电力，2011（12）：31-32.
[3]张弛，傅晓飞，黄玉，etal.配电站智能化节能通风系统[J].电力与能源，2014，35（4）：472-474.
[4]罗江怡.智能变电站中预制舱式组合二次设备的运用[J].硅谷，2014（21）：100-100.
论文作者:栾雅珺1,白汝欣2
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30