摘要：本文主要针对钢铁企业中110kV变电站设计过程中的站址选择、主接线、主要设备选择、中性点接地方式、短路电流计算、变电站布置方案、综合自动化系统及继电保护配置等方面的设计要点进行了详细的论述。
关键词：钢铁企业、110kV变电站、设计要点。
一、导言
现如今，随着经济的飞速发展，钢铁企业的产能随之不断扩大，千万吨级别的钢厂已不在罕见，这不仅对铁钢轧等工艺专业的设计及装备水平提出了更高的要求，同时对钢铁企业内部的供电系统也有直接影响。随着用户用电量的不断提升，受限于电力传输距离、送电容量、电网损耗及短路容量等因素，以10kV及35kV为主的供配电网络已经不能满足企业需求，110kV电压等级逐渐成为支撑各大型钢铁企业内部供配电网络的主流。所以，如何做好钢铁企业内110kV变电站的设计工作就显得尤为重要。本文结合钢铁企业的特点，就钢铁企业110kV变电站设计要点及其注意事项展开探讨，以供参考。
二、钢铁企业110kV变电站设计
1.设计原则
在设计过程中，应注意遵守国家现行最新的各项规程、规范和标准，将保证人身安全、生产安全放在首位，注意环保及节能，在同时保证设计质量及经济性的前提下，尽量提高变电站的自动化、智能化水平并预留远期发展的可能。
2.变电站的设置及站址选择
由于钢铁企业的特殊性，用电设备基本集中于厂房内，而厂房是按原料、烧结、炼铁、炼钢、轧钢、成品的工艺流程分散布置于厂区内，故110kV变电站在选址时，应尽量靠近各个用电负荷中心所在厂房，在用电负荷容量分配合理的情况下，变电站应尽量兼顾多个工艺段的供电。同时应考虑设备运输便利、电缆（及架空线）进出线路由合理并尽量远离煤气柜、氢气站、储油站等存在火灾、爆炸及其他敏感性设施的地点。
3.电气主接线
110kV变电站在现有大中型钢铁企业中，均作为企业内部的枢纽变电站使用。为保证供电的可靠性，负荷等级应至少按二级考虑。
110kV系统：当由两回线路供电时，建议采用单母线分段或双母线的接线方式，系统分列运行，设母线联络，两路电源互为备用，任一路电源故障检修时，另一路电源应至少可以承担全部一、二级负荷供电；当由三回及以上线路供电时，建议采用双母线分段接线方式，系统分列运行，设母线联络，当任一路电源故障或检修时，另外两路电源应至少可以承担全部一、二级负荷供电。
10kV系统：当站内设置两台主变时，建议采用单母线分段接线方式，系统分列运行，设母线联络，当一台主变退出运行时，另一台主变的容量应至少满足全部一、二级负荷供电，单台变压器的容量不应低于全部负荷的60%；当站内设置三台主变时，比较灵活且经济的方案是采用三主变四分段接线方式，系统分段运行，相邻母线间设母线联络，3台主变全部投入运行，负荷平均分配，当一台主变退出运行时，另两台主变的容量应至少满足全部一、二级负荷供电。
4.供配电电压及并网电压
变电站的供电电压为110kV，配电给车间内高压电动机及动力变压器等动力负荷通常采用10kV，炼钢车间的电弧炉、精炼炉，轧钢车间的主传动整流变，通常采用35kV配电电压等级，炼钢主厂房大功率的起重机通常采用3kV配电电压等级。若厂区内有自备电厂，发电机组建议升压后在110kV或35kV电压等级并网。
5.中性点接地方式
高压系统中性点接地方式与电压等级、单相故障接地电流、过电压水平等有关，一般主要考虑供电连续性和电气设备绝缘水平。尽管中性点不接地系统，单相接地故障时电网可以带故障继续运行，稳定性相对较高，但是对电气设备的绝缘水平要求更高，且钢铁企业中10kV及35kV动力配电需要使用大量电缆线路，单相接地故障电容电流远远大于10A，故障时接地电弧不能自熄，容易形成间歇性的弧光接地，从而导致危险的过电压，威胁生产的安全运行，故不再建议使用中性点不接地方式。
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建议各电压等级系统中性点接地方式选择如下：（1）110kV系统中性点一般采用有效接地方式；110kV系统中变压器中性点应经隔离开关接地，运行时是否需要接地由电网公司统一考虑。（2）35kV、10kV系统，当单相接地故障电容电流大于10A又需要在接地故障时持续生产一段时间时，宜采用中性点谐振接地方式；当单相接地故障电容电流过大时，宜采用中性点经低电阻接地方式。
6.主要设备选择
目前电气设备的成套水平日益增高，变电站的常规设备，如各电压等级的配电装置、变压器、一体化电源、电容器等都趋于标准化，设备整体的功能接近，在选取上就应该选择占地较小且运行稳定的设备。主要设备的选择建议如下：1）110kV配电装置选择：考虑钢铁企业的环境条件较差，空气中金属性粉尘较多，尽管设备是全封闭结构，不会对内部元器件产生影响，但如果采用户外布置，裸露的接线端长期暴露在空气中，容易造成电腐蚀，建议选择户内安装的GIS组合电器，单独在变电站内设置电气室。2）主变压器的选择：除了体积外，还要考虑变压器的负载及空载损耗、噪声水平、结构形式、温升等重要参数，并在满足系统可靠供电的前提下，尽量减少变压器的数量及容量。3）高压断路器的选择：要考虑断路器的灭弧能力、动热稳定、合分闸速度等，这些参数都会影响事故状态下断路器动作的可靠性及速动性，进而影响厂区电网故障持续的时间。4）互感器的选择：考虑互感器的额定电流、电压、动热稳定、容量，保护用互感器需要考虑保护级精度及标准准确限值系数，测量用互感器需要满足测量仪表的精度要求。
7.变电站布置方案
1）层高：建议变电站按三层布置，其中两层用于布置电气设备及功能性房间，另一层为电缆夹层或电缆室用于电缆线路的进出。2）110kV配电装置室：室内设置一台悬挂式吊车，用于GIS组合电器的安装与检修，考虑起吊高度，房间净空建议不小于9米；考虑进出线的便利，建议110kV组合电器室一侧紧邻变压器室，另一侧当采用架空进线时，需设置进线平台。3）变压器室：钢铁企业的环境条件较差，空气中金属性粉尘较多，建议变压器按半户内或全户内布置，减少环境因素对变压器稳定运行的影响。由于变压器通常为油浸式，防火级别高，需与其他电气室通过防火墙隔开，单独划分防火分区。4）环形道路：为满足消防通道的要求，建议变电站在围墙内设置环形道路或硬化地坪，若空间受限，也可以与厂区干道共同形成环形道路。
8.短路电流计算
系统内某处发生短路故障时的短路电流计算，与上级电网的短路容量、短路电流流经变压器的容量、阻抗、线路的阻抗等因素有关，还要计及系统内同步电机、异步电机及发电机对短路点的反馈电流，然后计算出三相对称短路电流，作为选取断路器等开关设备短路电流耐受能力及校验设备动热稳定的依据。
根据经验并考虑厂内供电系统的远期发展，110kV设备的短路电流耐受能力建议按40kA考虑；35kV设备的短路电流耐受能力建议按31.5kA考虑；10kV设备的短路电流耐受能力建议按40kA考虑，特殊的，终端用电设备中存在大容量同步电机或异步电机，或需要在10kV就地并网发电机的10kV系统，如制氧站、烧结站等，在考虑经济性条件下适度提高变压器阻抗电压百分比后，依然不能将10kV母线的短路电流限制到40kA以下时，建议按50kA选择10kV设备的短路电流耐受能力。
9.综合自动化系统及继电保护配置
110kV变电站的监控与保护通常使用电力综合自动化系统，采用分层和分布式的系统结构，设置站控层和间隔层。站控层的数据服务器和后台监控主机设在变电站的主控室内；间隔层的微机保护、测控单元，除110kV间隔、主变单元采用屏装式外，其余均就地安装在开关柜上；监控主机与微机保护、测控单元之间的通信采用现场总线方式。
继电保护建议的配置：1）110kV线路保护：配置线路光纤纵联差动保护，三段相间、接地距离保护，过电流保护，零序电流保护等。2）110kV母线保护：配置母差保护、母联充电保护。3）110kV主变压器保护：配置纵联差动保护，带时限过电流保护，瓦斯保护，温度保护，零序过电压保护，变压器中性点间隙电流保护，接地变压器保护等，采用主后一体双重化。4）35kV及10kV线路保护：配置带时限电流速断保护，带时限过电流保护，零序电流保护。5）建议全站配置微机五防系统。
三、结束语
近几年国内钢铁形势转暖，各钢铁企业都面临着产能升级，对于企业内部供电系统改造及建设的需求越来越大。在进行变电站设计时，不仅要符合专业理论与规范的要求，还要结合各企业内部的实际用电情况，同时，应积极使用先进可靠的设备、技术，使变电站更加智能化、自动化，以延长其使用寿命。
论文作者:路文轩
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/3
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