变电一次设计在变电站改扩建中的应用研究

引言：

截至2023 年底，全国运行超 15 年的110kV 及以上变电站达 1.62 万座，其中 41%的变电站因负荷激增面临扩容改造。其核心矛盾在于近5 年用电负荷年均增速达到 6.3% ，但老旧站设备故障率是常规站的 2.1 倍。加之，国土政策收紧，致使 76% 改扩建工程受限原有站址，可用面积相对较小。在此背景下，电力企业以一次设备设计为改造核心，致力于解决主接线可靠性、设备兼容性、空间极限利用等难题。

1、变电一次设计分析

1.1 变电一次设计概念

变电一次设计是直接关联电能传输的主系统设计，其核心工作包括主接线选型、设备参数计算、绝缘配合控制等。其中，主接线需要结合变电站等级明确其拓扑结构。如，220kV枢纽站优先选用双母线分段或者3/2 断路器接线。

设备选型过程中，主要依赖短路电流水平、热稳定极限，如 110kV 断路器的额定开断能力不得低于31.5kA，其动稳定峰值应达到80kA。至于导体，则需选择能够满足长期载流量需求的材料800mm2 钢芯铝绞线的持续载流能力可达610A。

绝缘配合遵循国标最小净距规定，220kV 户外带电体相间距强制保持 2.3m 以上。所有设计需同步校验设备动热稳定性，主变扩建时需要复核 110kV 侧动稳定峰值 300kA 有无超限，还需基于接地网电阻0.5Ω 阈值控制事故电位升高，确保设备安全互连。

1.2 变电一次电气设备类型

变电一次核心设备包含变压器、开关设备、导体、防护装置四类。其中，变压器需要依据容量、阻抗合理选型。通常情况下，220kV 主变标准阻抗为高中-高低-中低 14%/54%/38% ，强迫油循环冷却占比需超总容量的 75% 。

开关设备主要包含隔离开关、断路器，220kV 断路器的额定开断能力强制达到40kA，其热稳定电流4s 值不低于40kA[1] 。导体则包括硬母线、软导线两种，矩形铜母线 TMY- 100^*10 长期截流量 2194A，钢芯铝绞线 LGJ-400 载流量 735A。

防护设备主要包含接地网、避雷器，220kV 氧化锌避雷器 10kA 残压值不超过 524kV，接地网工频电阻不超过 0.5Ω。改扩建工程还需做好旧设备参数校验工作，如隔离开关热稳定电流在25kA 以下时需要及时更换。

2、变电站改扩建一次设计原则

变电站改扩建工程是一个繁琐、复杂的工作，不仅需要各方人员协同配合，还需要有多方专业技术的指导、支撑。因此，变电站改扩建中需要合理、有序地安排各项工作，确保改扩建工程顺利、稳定地进行。尤其在设计环节，需要遵循相关规定、要求，确保变电站设计符合相关要求，确保用户生产、生活的用电充足。

一方面，在新变电站及设施设计并进行改扩建时，常遇到许多新线路，这便需要对新、旧线路合理布置与规划。在线路设计环节，若有新出线位置间断问题，工作人员需要重新审视、研究设计方案，还要深入检查线路位置及延伸路径，以免出现线路设计不合理的情况。如果操作过程中出现回路架空问题，工作人员需要结合规定重新安排线路，以免发生线路交叉情况，引发更多的问题。

另一方面，变电站改扩建操作前，工程人员需要现场勘查掌握详细情况，再进行一系列改扩建评估、预算[2] 。同时，工作人员还需了解变电站的实际工况，如生产状态、设备效率、运行时间等，以便在出现问题时可以快速、针对地解决，确保社会生产生活的用电充足。在此情况下，工作人员需要结合实际情况开展设计工作，从整体角度分析可能出现的问题、情况，充分结合运行机制做好应急设计，一旦发生故障，也能根据预设判断并排除故障，确保变电站设计科学、可行，顺利完成改扩建工作。

3、新增电气设备的选用

3.1 合理选择新增电气设备

就目前而言，新增设备选型主要执行如下操作。首先，结合实测系统短路电流值的上浮裕度确定断路器的开断能力，合理计算最大动稳定峰值；其次，复核原有母线、支撑构架的机械强度，对于短路电流超标区域，需要改用全绝缘管型母线；再者，基于阻抗匹配法处理新老设备并联问题，加设限流电抗器将环流控制在允许范围内；最后，针对空间受限问题优选紧凑型GIS 设备，以此替代传统的敞开式布置。

一般而言，导体截面主要按照最大负荷电流叠加裕度升级选用，一旦旧导体载流能力不足，需要第一时间更换相邻区段[3] 。至于接线网，改扩建过程中需要采用双扁钢环网敷设方法，并与原接地体稳定熔焊。同时，还要合理选择避雷器，主要对照系统最高运行电压、雷电防护等级。变电一次设计中，所有旧支柱绝缘子开箱抽检抗弯负荷指标，如果有设备未达到规定标准，需要将其列入更换清单，及时更换处理。

另外，主变扩容作业前，工作人员需要实测负荷曲线，模拟单台主变退出时的负荷转移能力，依据具体情况进一步确定新主变容量、冷却方式。最终的设计方案还需通过站内 N-1故障模拟测试，一切无误后方可签发设备订货技术规范书。

3.2 细化检查新增电气设备

新增电气设备在进站后需要经过三步验货流程。首先，对照供货清单逐一清点本体、附件数量，核对设备铭牌参数是否与技术协议一致。其次，检查设备外观，查验是否存在缺陷，尤其排查绝缘子表面划痕深度是否超出限值，还要检查密封法兰压接痕迹的完整性、母线平直度是否达到规定标准。最后，进行专项测试，断路器操作机构需要完成合分闸时间测试、低电压动作验证；电流互感器需要进行伏安特性曲线测绘，并与出厂报告对比；避雷器则需进行直流参考电压试验、泄漏电流检测。

具体安装中，还需做好质量管控工作。为紧固螺栓，工作人员需要采用扭矩扳手按照对角线顺序逐次加力，如分三次加力[4] 。导体搭接面需要涂抹电力复合脂，并用力矩扳手锁固；GIS 设备抽真空至指定压强值，进行长达两小时的检漏操作。

二次接线主要采用双人校线机制，由工作人员使用万用表逐根测量回路通断，同步施加500V 摇表测试绝缘性能。在设备投入运行前，需要进行三次带负荷试运行，在无任何问题后，由建设、监理、施工、设计四方签字确认。

4、变电一次设计在变电站改扩建中的应用

4.1 项目概况

某220kV 变电站因#2 主变持续负载率超 91% ，不得不进行改扩建作业。该工程改扩建的主要工作包括原位更换主变为50MVA 强油循环变压器，新增110kV 出线间隔2 回。

但现场作业中遇到一些难题，如原配电楼不迁移迫使新设备基础抬升 1.2m 跨越旧缆沟。在现场西侧围墙内需扩3.5m 满足管母转弯半径 8m 要求，旧钢构架的利旧率需要达到 60% 以上。

该项目主要分为两个阶段进行操作。第一阶段全停 7 天，进行 110kV 母线分段改造，将原单母线扩为双母线；第二阶段则是负荷低谷期切换主变进线，其作业难点在于 110kV 管母带电跨越运行母线，使用定制绝缘跨越架，耐压达到185kV，配合双滑轮牵引。

4.2 具体应用

4.2.1 主线设计

该项目通过主线设计有机解决原单母线无法扩容问题，基于双母线接线改造同步处理空间冲突。

具体操作中，将原有的 110kV 单母线架构拆除，在原 1M 母线位置向东偏移 2.5m 建造2M 母线架构。其中，两列母线的中心距离保持 8m。新旧架构的过渡期主要采用临时跨线搭接方案。同时，在分段断路器间隔预留接口，利用2 根 240mm2 的绝缘筒管母临时贯通负荷，保证改造阶段仅需单回停电。针对项目作业中存在的西侧转弯半径不足的问题，施工方将新架构标高提升 1.2m ，以便跨越旧电缆沟，并通过内扩围墙3.5m 后灌木转弯半径实现8m。至于导体选型，主要见表1。

表1 项目导体选型

4.2.2 制定防雷方案

改扩建工程实施后，防雷装置与现阶段存在的防护时空不同。为保证项目安全，需要新装防雷设备[5] 。具体而言，工程设计期间合理制定处理直击雷的安全措施，考虑到项目大部分电力设备位于室内，因此为防止设备受到雷击，选择在房屋顶部加装避雷针进行预防。该项目选用避雷装置的主要材料为镀锌扁钢，此类材料还被用到接地网连接及过电压保护场景。

在受到雷电袭击时，往往会产生电波，致使电压过高并损害线路。因此，需要采取有效措施进行处理。该项目主要在各种设备的母线、进线上安装避雷器，确保主变压器侧引出线。还依据变压器的中性点，重新调整避雷器、放电间隙。另外，在检查设备前还需保证变电站的接地网接地阻值低于标准值，门口等进出场所还应安装均压带，在连接主接地网、GIS 设备及配电装置柜等设施时，主要选用钢排接地安装，如图1 所示。

图1 避雷针的保护范围

4.2.3 合理选择接地材料

项目操作中，接地材料主要按照腐蚀环境分级选型，如扩建区土壤电阻率实测 180Ω·m，主干线强制采用 60^*8mm 镀锌扁钢，锌层厚度大于85um。设备引下线同样选用 60^*8mm 的镀锌扁钢，与设备支架采用 M16 不锈钢螺栓四点固定扭矩 80Nm，至于引下线与主干地网，主要通过搭接焊接方式连接，焊接长度不低于120mm。

至于新旧接地体连接操作，主要使用钢丝刷打磨接触面至金属光泽，确保双面搭接长度100mm，放热焊接熔池温度需达1083℃。焊接接头需要涂覆环氧锌基涂料两层干膜厚度120um，垂直接地极选用 50^*5 角钢长度 2.5m 垂直打入，与水平带三面焊接。在雨季前，项目需要开展测试工作，其中接地电阻测试值0.48Ω，腐蚀速率检测 0.02mm 每年保障寿命30 年。

4.2.4 照明设计

照明装置是变电站稳定运行不可或缺的一部分，并且应用广泛，主要包括控制室、照明高压室及其他类型场所[6] 。为保证日常工作照明、事故照明，该项目设计建造2 个系统。设计过程中主要依据项目情况合理布置照明装置，工作照明系统如果出现故障，严重影响正常运转，需要保证楼梯口、疏散通道等部位的照明正常，还要启动事故照明系统，以免因照明系统故障而出现突发事故，进而威胁人们的生命与财产安全。

该项目主要考虑集中控制、分组控制两种照明控制方式，为减少电量使用，在配电箱内还设置声控系统、风控系统。在中控室暗敷作业中，工作人员使用塑料绝缘导线，其他线路要求采用明线暗敷方式，通常是电缆穿于镀锌钢管内。

结束语：

总而言之，为保障电力生产顺利、稳定地进行，确保工程作业合理、有效，电力企业还需做好变电一次设计工作。具体操作中，结合实际情况了解设计现况及需求，再依据相关规定、要求做好变电站改扩建环节的变电一次设计，不仅能保证变电站持续、稳健地运行，还能满足人们的电力需求。然而，具体操作中极易遇到各种问题，电力企业还应依据情况合理采用措施，针对性解决问题，以免影响变电站改扩建的质量、效益。

参考文献：

[1] 贝逸群,佘晓敏. 变电一次设计在通信变电站改扩建中的应用研究[J]. 电气技术与经济,2024(12):152-154.

[2] 于海洋. 变电一次设计在变 电站改扩建中的应用 [J]. 百科论坛电子杂志,2020(12):1817-1818.

[3] 吴 沐羿, 杜皓宇 , 张小 祥. 变电 站建设 的一次设 计应用 分析[J]. 模型世界,2024(32):80-82.

[4] 蔡田园. 变电站改扩建中的变电一次设计探析[J]. 科海故事博览,2023(21):94-96

[5] 虞悦. 变电一次设计在变电站改扩建中的应用[J]. 汽车博览,2022(7):46-48.

[6] 钱彬彬. 变电一次设计在变电站改扩建中的应用[J]. 数字化用户,2022,28(44):156-158.