埋地變(地下式變壓器)方案

------長牛電氣------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------埋地變在特長隧道中的優(yōu)點及方案由于高速公路隧道的自身特點，使其對供電的要求有別于一般的工業(yè)和民用供配電系統(tǒng)，其用電設(shè)備多，且呈線性分布，電壓質(zhì)量要求高，同時隨著多個長隧道的相對集\t"_blank”中控制，其用電負荷以及供配電設(shè)備的數(shù)量增加較大。采用何種供配電方式以及如何對其相對集中控制和節(jié)約電能的研究具有一定的意義.國外對于隧道及其所處的高速公路等長距離、分散性負荷已經(jīng)逐漸開始采用中壓電能傳輸技術(shù),依靠配電設(shè)備及繼電保護進行配電網(wǎng)絡(luò)運行HYPERLINK”/"\o”自動化”\t"_blank”自動化的方法,這樣結(jié)合隧道的特點可以更好的為其提供一個良好的運營環(huán)境.

對于隧道這種比較特殊的負荷，將其作為一個配電整體進行考慮,統(tǒng)一為其進行電能傳輸及分配，在整個負荷區(qū)域內(nèi)采用中壓電能傳輸技術(shù)，在負荷相對集中點采用小容量、能耗較低的埋地式變壓器代替能耗較大的低壓供配電方式。為隧道供配電工程提供一種節(jié)省能源，節(jié)省投資，便于運營管理的供電方案將是一個發(fā)展趨勢.

1隧道供配電系統(tǒng)

1。1公路隧道供配電系統(tǒng)概述

公路隧道內(nèi)設(shè)置有通風(fēng)、照明、監(jiān)控、消防報警等設(shè)施，要求供電系統(tǒng)無故障運行以保證隧道運營的高度安全.公路隧道供電一般要求有外電源和一套自備電源,在外電源發(fā)生故障的情況下，自備電源能夠接替主電源的供電功能.

1.2公路隧道供配電系統(tǒng)要求

隧道供配電系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求:

(1)

安全性，是指電能在隧道各系統(tǒng)的供應(yīng)、分配和使用過程中，不應(yīng)發(fā)生任何人身傷亡事故、設(shè)備損壞事故和由電能引起的其它事故.

（2)

可靠性,是指電能的供應(yīng)與分配滿足隧道各機電系統(tǒng)對不中斷供電的要求.隧道供配電系統(tǒng)一般按一級負荷配置,對重要系統(tǒng)采取不停電的供電措施,如采用自備發(fā)HYPERLINK”http：///motor/”\o”電機”\t”_blank”電機組或UPS等.

(3）

優(yōu)質(zhì)性，是指應(yīng)滿足機電系統(tǒng)設(shè)備對供電電壓、頻率、波形、電流等參數(shù)的質(zhì)量要求，其電壓偏差應(yīng)在±5％以內(nèi)。

（4）

經(jīng)濟性,是指在滿足隧道負荷用電要求的前提下,系統(tǒng)的建設(shè)成本和運行費用低,利用效率高，盡可能地節(jié)約電能和減少用于輸送電能的傳輸線路中有色金屬的消耗量。

1。3公路隧道的電力負荷

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定及要求，隧道通風(fēng)、照明、監(jiān)控、消防等重要電力負荷為一級負荷，應(yīng)由兩路電源供電，同時還應(yīng)設(shè)置獨立的備用電源和應(yīng)急電源，隧道內(nèi)主要電力負荷有：（1）通風(fēng)系統(tǒng)（2)照明系統(tǒng)（3）監(jiān)控系統(tǒng)（4）消防系統(tǒng)(5）生活用電

1。4公路隧道供配電系統(tǒng)構(gòu)成

公路隧道供配電系統(tǒng)一般由變電站、供電系統(tǒng)、低壓配電線路、不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、防雷和接地系統(tǒng)、無功補償裝置組成。

2中壓電能傳輸技術(shù)

2。1各種配電網(wǎng)絡(luò)損耗分析

長期以來，對于配電網(wǎng)降損采取的常用措施有：采用節(jié)能型變壓器，提高負荷功率因數(shù),增大導(dǎo)線截面等.通過比較，發(fā)現(xiàn)盡管采取以上措施短期內(nèi)對降低配電網(wǎng)損耗、提高電壓質(zhì)量有一定好處，但在現(xiàn)有配電模式下滿足負荷發(fā)展的能力差。其原因在于現(xiàn)有配電模式中配電變壓器供電范圍過大，低壓線路供電半徑過長.采取變壓器小容量、多布點、縮短低壓線供電距離的供電模式比采取上述降損措施更具優(yōu)越性,且能較好的滿足負荷發(fā)展的需求。

現(xiàn)以如圖2。1所示的簡單典型配電網(wǎng)絡(luò),變壓器、線路參數(shù)為例進行降損措施計算比較，計算結(jié)果如表2.1所示.

圖2。1簡單典型配電網(wǎng)絡(luò)

變壓器小容量，多布點配電模式.如圖2.2,將原來的400kVA變壓器更換成2臺200kVA變壓器分別置于LJ—95線路段首端,即延長10kV線路，靠近負荷點;將圖2.1網(wǎng)絡(luò)中的LJ—120導(dǎo)線增大到LJ—150。

圖2。2采用新的配電模式后的網(wǎng)絡(luò)

兩種配電方式各項指標(biāo)對比見表2。1。

表2。1負荷200kV時不同措施各指標(biāo)對比措施功率損耗(kW)年電能損耗（萬kWh）最低點電壓（kV）（歸算至10kV側(cè))線損率（％)變壓器及10kV線路380V總計未采取措施2。74+j4。5613.81+j14.8316。55+j19。395.4959.3610。27采用節(jié)能變壓器2.02+j4.5413。74+j14。7515。76+j14.755.1899。399。76提高負荷功率因數(shù)2。3+j3。4510。46+j11.2312。76+j14.684.3589。578.33增大導(dǎo)線截面2。7+j4。4510。98+j14。0613.68+j18。514。6349。488。80變壓器小容量多布點2。36+j3。882。04+j1.824.40+j5。701.93910。193.88

從理論上來講前三種措施都只是對原有網(wǎng)絡(luò)做局部的調(diào)整,效果都不及采用新的配電模式后明顯.采用新的配電模式后大大降低了整個網(wǎng)絡(luò)的損耗,而且對提高負荷節(jié)點電壓有顯著效果。

通過對常規(guī)降損措施和采用變壓器“小容量,多布點”的配電模式進行比較［2],發(fā)現(xiàn)采用變壓器“小容量,多布點"的配電模式不僅電能損耗、電壓損耗較常規(guī)降損措施低，再在此基礎(chǔ)上采用其他降損措施才能收到很好的效果。

2。2中壓電能傳輸

2.2。1低壓供電模式

高速公路隧道放射式低壓供電是一種傳統(tǒng)的供電模式,即在隧道洞口設(shè)置變電站,然后分出若干0。4kV回路到隧道內(nèi).在隧道較長的情況下，電能的傳輸距離相對較遠,由于電流大，故電壓降和電能損耗都較大。為了減少線損，電纜截面不得不選擇較大，影響了其經(jīng)濟性.同時由于受輸電半徑和容量的限制,采用放射型供電，這樣電纜數(shù)量較多布線困難。由于低壓供電距離有限,一般是采用每個隧道設(shè)置變電站，或在較長隧道兩端和隧道內(nèi)橫洞設(shè)置變電所,人員成本及電費成本增加較大。

2。2。2中壓供電模式

（1)中壓電能傳輸系統(tǒng)原理

所謂中壓電能傳輸系統(tǒng),就是將全工程范圍內(nèi)的所有低壓負荷按路段（或負荷類型)劃分為若干個負荷區(qū)域，把傳統(tǒng)的設(shè)置在隧道洞口的大容量變壓器分成若干小容量的變壓器，采用配電網(wǎng)電壓10kV或者將35kV(20kV)配變?yōu)?0kV，將電能輸送到隧道內(nèi)部,在負荷點處設(shè)置與負荷相匹配的10kV/0。4kV埋地式變壓器，將電源電壓轉(zhuǎn)換為用電設(shè)備所需低壓,分別對隧道通風(fēng)、照明、監(jiān)控等負荷供電。其組成原理如圖2.3，該方式具有技術(shù)先進、性能穩(wěn)定的特點.

圖2.3中壓供配電系統(tǒng)原理圖

（2)集中供電的具體方式

長隧道或連續(xù)的多個隧道采用集中供電方式,其主要是指隧道及沿線其他設(shè)施都由相對獨立的供配電系統(tǒng)提供電源，具體做法是將長隧道或多個隧道分成幾個大的供電區(qū)域，把分散用電點集中到35kV變電站或10kV開關(guān)站與附近的高壓供電干線網(wǎng)連接。集中供電的主要優(yōu)點:供電質(zhì)量穩(wěn)定，克服了農(nóng)村電網(wǎng)不穩(wěn)定、電能質(zhì)量低的缺點;有利于與供電部門協(xié)調(diào)，減少停電和供配電故障的次數(shù);以大宗工業(yè)用電的低電價交納電費，降低營運管理成本,提高經(jīng)濟效益。

(3）集中供電與中壓供電技術(shù)相結(jié)合的供電方式

由于傳統(tǒng)分散式供電方式存在的缺陷難以滿足長隧道用電要求,于是出現(xiàn)了集中供電與中壓電能傳輸相結(jié)合的供配電方式，中壓電能傳輸技術(shù)是當(dāng)前國際比較流行的供電方式，取代傳統(tǒng)的供電方式是一種趨勢。

中壓供電技術(shù)是針對長距離、分散性負荷供電特點的一種新的設(shè)計理念，是一種能將配電終端深入到負荷中心的長距離電能傳輸系統(tǒng)。采用相對集中供電的方式，在中心變電站引入穩(wěn)定可靠的外部電源，在隧道沿線鋪設(shè)中壓電纜（10kV、20kV、35kV）送至各負荷點，隧道中的埋地式變壓器根據(jù)供電區(qū)域分散安裝在隧道側(cè)壁的預(yù)留配電洞室內(nèi)，建立起相對獨立的專用中壓內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)。

2。3中壓電能傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

整個道路工程范圍內(nèi)的所有用電設(shè)備的供電電源由一個中壓電源系統(tǒng)提供，中壓傳輸線路貫穿于整個道路工程.根據(jù)工程規(guī)模，只設(shè)一至二個中壓配電中心,作為供電電源點，沿線配以若干埋地式變壓器作為變配電設(shè)備，從而構(gòu)成中壓供配電站、中壓電能傳輸線路、埋地式變壓器的中壓傳輸系統(tǒng)，為工程范圍內(nèi)的所有用電設(shè)備的供電。

2。3.1埋地式變壓器

埋地式變壓器電氣一次接線簡單，安裝方便,減少了維護工作量,采用低損耗變壓器，可以減少電能損耗。埋地式變壓器建設(shè)周期短，投資相對較少，有較好的經(jīng)濟效益和社會效益,尤其適用于長距離，大范圍的供電工程［3]，其與傳統(tǒng)配電室和箱變的比較如表2.2所示。

表2。2埋地式變壓器、常規(guī)配電室和箱式變電站的比較

中壓輸變電系統(tǒng)中的中壓電纜參照歐洲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)生產(chǎn)后經(jīng)國外設(shè)備供應(yīng)商認可后使用。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)該種電纜導(dǎo)體部分長期允許最高溫度為70℃，使用頻率為50Hz，最大外徑≤44。5mm，直埋允許最大載流量為120A,相線中性線短路電流為800A/s，20℃時最大銅阻為0.811Ω。

由于中壓輸入的埋地式變壓器、分路器均是采用三相電纜終端的三相插入式插頭連接，而插頭額定載流量是80A，電力電纜最大允許外徑為58mm。因此，電纜線徑的選擇也就決定了在應(yīng)用中壓輸電技術(shù)時，每座開關(guān)站所能承擔(dān)的最大供電距離。采用10kV作為中壓輸電電壓，輸送負荷在400～800kVA之間,每30km~40km設(shè)為一個供電負荷區(qū)域.

2.3。3中壓保護柜

對于中壓系統(tǒng)中的中壓保護柜,其系統(tǒng)原理圖如圖2。4所示，主要技術(shù)性能為：

（1）可頻繁操作達30萬次以上,電氣壽命長；

（2）配電網(wǎng)絡(luò)上下級保護具有選擇性；

（3）配電網(wǎng)絡(luò)的過電流保護靈敏度高；

(4）具有接地故障保護功能,防誤操作鎖，保護設(shè)備和人身安全;

（5）具有智能化接口，可實現(xiàn)遙控、遙測、遙信。

圖2。4中壓保護柜系統(tǒng)原理圖

2.3。4中壓配電系統(tǒng)的保護與接地

中壓配電系統(tǒng)具有較完善的保護措施,具體如下所示:

(1）采用負荷開關(guān)加熔斷器環(huán)網(wǎng)柜,是把控制和保護兩個功能分開，既發(fā)揮了設(shè)備的能力，又達到了經(jīng)濟、合理的目的。

（2）設(shè)計斷電保護、過電流保護與接地故障保護.接地故障保護主要是為了防止電網(wǎng)發(fā)生接地故障引起火災(zāi)或人身安全事故。

（3)配電系統(tǒng)的過載保護由設(shè)在變壓器繞組內(nèi)部的熱敏元件實現(xiàn)，保護可靠有效。埋地式變壓器一次側(cè)熔斷器熔體電流取變壓器IN的2~16倍，視具體尖峰電流情況而定.

(4)對于連續(xù)長隧道及其配套系列工程供電要求更高，因而，在中壓輸電系統(tǒng)中為了系統(tǒng)的可靠性和安全性,系統(tǒng)設(shè)置以下各級保護共有7級保護。

2。4中壓網(wǎng)絡(luò)接線方式

2。4。1電纜單環(huán)網(wǎng)

電纜單環(huán)網(wǎng)是通過末端線路之間的直接連接,實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)接線，如圖2.5所示.電纜單環(huán)網(wǎng)接線簡單、運行靈活，有利于配電網(wǎng)絡(luò)擴展和配網(wǎng)自動化建設(shè)。適用于供電可靠性要求高、負荷密度較低的配電網(wǎng)絡(luò)。

2。4.2電纜雙環(huán)網(wǎng)

電纜雙環(huán)網(wǎng)是電纜單環(huán)網(wǎng)的組合，利用二回電纜線路，通過同一開閉所的不同母線，形成“手拉手”供電網(wǎng)絡(luò)，實行雙環(huán)網(wǎng)接線,如圖2.6所示。電纜雙環(huán)網(wǎng)具有接線完善、運行靈活、供電可靠性高、但投資比單環(huán)網(wǎng)增加一倍,一般適用雙電源供電的重要用戶或供電可靠性要求較高的配電網(wǎng)絡(luò).

圖2.5電纜單環(huán)網(wǎng)

埋地式變壓器常規(guī)配電室箱式變電站形式特點小容量、分散供電容量大、集中供電容量較大免維護性設(shè)備免維修、維護工作量小設(shè)備維修、維護工作量大設(shè)備維修、維護工作量大占地面積0140m230m2運行條件地下運行室內(nèi)運行戶外運行與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)性協(xié)調(diào)性很好較難與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)較不協(xié)調(diào)2.3。2中壓電纜選擇

圖2.6電纜雙環(huán)網(wǎng)2.4。3雙電源雙T形接線

雙電源雙T形接線方式10kV系統(tǒng)運行靈活，操作簡單，如圖2.7所示.10kV系統(tǒng)因是兩個電源，有備用線路，能夠保證不間斷供電。但變壓器及低壓系統(tǒng)無備用電源，不能保障供電的可靠性.此種接線方式盡量地減少了電纜的使用量，減少了投資。

2。4.4雙電源雙T形兩變壓器接線

雙電源雙T形兩變壓器接線方式，這種接線方式既有T形接線的優(yōu)點,節(jié)省電力電纜的用量，運行方式靈活,又可使變壓器和低壓配電系統(tǒng)有備用,是一種高可靠性的接線方式如圖2.8所示［4].

圖2。7雙電源雙T接

圖2。8雙電源雙T形兩變壓器接線

3中壓電能傳輸技術(shù)在工程實例中的應(yīng)用

3。1秦嶺特長隧道原供配電系統(tǒng)概況

以秦嶺特長隧道為例進行分析,秦嶺特長隧道包括Ⅰ號，Ⅱ號，Ⅲ號特長隧道，是西漢高速公路的關(guān)鍵工程。

為了保證秦嶺隧道的供電，秦嶺隧道架設(shè)兩路110kV獨立電源供電，秦嶺隧道負荷為一級負荷，在Ⅰ號和Ⅱ號隧道之間的七畝坪建一個終端型變電站，總變電站負責(zé)Ⅰ號,Ⅱ號,Ⅲ號三座特長隧道及道路沿線所有設(shè)施的供電，并負責(zé)隧道管理所及生活設(shè)施的供電。總變電站共負責(zé)15座變電所的10kV供電，變壓器總?cè)萘?8690kVA［5］。

由于電力變壓器不宜輕載運行，電力變壓器一次側(cè)功率因數(shù)不僅與負荷的功率因數(shù)有關(guān)，而且與負荷率有關(guān)。所以電力變壓器在負荷率為60％以上運行時才較經(jīng)濟，一般在75％～80％比較合適。隧道用電負荷主要為照明系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，且其并不是一直滿負荷運行，致使變壓器經(jīng)常處于輕負荷運行，即所謂的大馬拉小車，同時考慮到原方案為了降低電壓損失，而增大電纜截面，使得系統(tǒng)損耗和投資費用增大，考慮中壓電能傳輸技術(shù)較傳統(tǒng)低壓供配電方式的優(yōu)越性，因此應(yīng)用中壓技術(shù)進行設(shè)計。

3。2中壓供電方案設(shè)計

新方案使用原方案的輸變電系統(tǒng)，應(yīng)用原總變電站，對秦嶺Ⅰ號，Ⅱ號,Ⅲ號統(tǒng)一考慮，統(tǒng)一劃分供電區(qū)域,進一步簡化了中壓連接電路，采用可靠穩(wěn)定的環(huán)網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，中壓電纜在隧道全線敷設(shè),將低壓回路的供電半徑控制在200m以內(nèi)。結(jié)合實際工程情況，做出具體供電方案如下,其配電系統(tǒng)圖如圖3。1所示。

(1)該方案將全線用電負荷分為兩個區(qū)域，沿用原輸變電系統(tǒng)，在Ⅰ號,Ⅱ號隧道之間的建一個終端型變電站，經(jīng)110kV/10kV降壓變電所降壓后,引出10kV線路，10kV配電母線采用單母線分段連接，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān),聯(lián)絡(luò)開關(guān)考慮手動操作，具有自動投入功能，自動投入功能也考慮在計算機監(jiān)控范圍內(nèi),系統(tǒng)保護元件采用真空斷路器。

（2）在兩區(qū)域中間設(shè)環(huán)網(wǎng)柜，環(huán)網(wǎng)柜具有電動/自動操作機構(gòu)，配上RTU后即可實現(xiàn)遠動及配電自動化，使得去Ⅰ號和Ⅱ號兩個方向的電源互為備用，平常運行過程中，環(huán)網(wǎng)柜是開環(huán)運行，作為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，這樣當(dāng)某路電源故障時，通過智能開關(guān)設(shè)備將故障段隔開,由另一路10kV電源作為備用電源為故障電源所轄區(qū)域用電設(shè)備供電，用電設(shè)備的可靠性也較高。

（3）取消隧道車行橫洞內(nèi)的變電所洞室，將大容量變壓器分割為多個小容量的埋地式變壓器，將埋地式變壓器放置在隧道側(cè)壁的預(yù)留配電洞室內(nèi),引出10kV電纜并與埋地式變壓器連接，埋地式變壓器間通過手拉手方式形成單環(huán)網(wǎng)供電方式,該方案中的兩個區(qū)域供電是相對獨立的，所外引的各自用電負荷容量僅僅考慮各本區(qū)域用電負荷及另一區(qū)域一級用電負荷的容量,而不是分別為另一個負荷區(qū)域內(nèi)所有用電負荷做一對一的完全備份。

（4)電纜線路接線方式采用電纜單環(huán)網(wǎng),簡化系統(tǒng)接線，對于相鄰環(huán)網(wǎng)線路中任一段電纜線路或環(huán)網(wǎng)單元故障時,可通過短時間的分段開關(guān)切換,很快恢復(fù)環(huán)網(wǎng)單元供電，提高了配電網(wǎng)絡(luò)供電可靠性。在兩個供電區(qū)域中只是對一級負荷作備份，并不是對全部負荷做備份，10kV電力電纜傳輸容量將大大減少，電纜截面可以適當(dāng)減小，節(jié)省電纜初期投資，兩個供電區(qū)域有一定程度的互相備份.

圖3。1中壓配電干線系統(tǒng)圖

3.3中壓供電與傳統(tǒng)低壓比較分析

采用中壓供配電系統(tǒng)，并配以供配電監(jiān)控管理系統(tǒng)后，取消整個隧道全線隧道內(nèi)變電所,取消變電所內(nèi)的值班人員,通過監(jiān)控管理系統(tǒng)對電力負荷實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度。對于低壓供電與中壓供