人們開始越來越關注電力系統的供電可靠性和供電質量，電力行業也面臨了很多機遇和挑戰。目前各地市供電公司都開始加快了對城市和農村電網的改造。改造老化設備，引進新型可靠性高的配電裝置成為了電力系統改造浪潮中的主流。因此有必要對提高電力配網可靠性的技術措施進行探討，從而達到配網建設符合國民經濟發展需求的目標。本文針對焦作地區牛莊變電站電氣設備老化、供電不足的現象，從安全性、效能與成本、政策適應性三個方面分別討論，提出對牛莊變電站配電裝置進行改造；選擇單母二分段接線形式作為牛莊變電站110kV的電氣主接線；將110kV母線出作為短路點，進行110kV短路計算；根據短路計算數據結果，進行了110kV斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器的選擇；總結了現階段定量計算變電站可靠性的方法，建立了可靠性模型，并選擇最小割集算法作為本文計算可靠性的依據，最后通過對牛莊變電站可靠性定量分析，驗證了進行110kV配電裝置GIS改造后可靠性大幅度提高。關鍵詞：配電裝置；GIS;可靠性；變電站IElectricpowerindustryistheforerunnerofthenaChina'seconomicdevelopmentandpeople'slivingsthecountriesarebeginningTransformationofagingequipmentandintroductionofnewhigh-reliabidistributionunitsbecomethemainstreaminthewaveofelectricitydistributionnetworktoachievethegoalthatdistbeinlinewiththeneedsofnationaleconomicnthispaper,takingintoaccountofelectricalequipmentagingafcostandpolicyflexibility.ThetransformationofsubstationdistributNiuzhuangisproposed.Asinglemotherintheformoftwo110kVsegmentedbusesisresultsoftheshort-circuitcalcucalculationmethodofsubstationreliabilityissummarized.Thenareliabilitymominimalcutsetsalgorithmisproposed.Finally,quantitativeanalysisofKeywords:distributioI華北電力大學碩士學位論文 Abstract 1.1課題的研究意義 11.2國內外研究現狀 21.2.2可靠性算法研究現狀 51.3本文主要工作 6第2章牛莊變電站現狀及改造必要性 72.1牛莊變電站現狀 72.1.1電氣一次部分 72.1.2其他部分 82.2牛莊變電站改造必要性 92.2.1安全性分析 92.2.2效能與成本分析 2.2.3政策適應性分析 2.2.4決策 2.3牛莊變電站改造目標及原則 12.4牛莊變電站改造方案的選擇 2.4.1項目可選技術方案 2.4.2技術方案比選 2.4.3技術方案選擇 2.5牛莊變電站改造規模 2.6本章小結 3.1主接線的選擇 3.1.1電氣主接線的設計原則 3.1.2電氣主接線的基本要求 3.1.3牛莊變電站電氣主接線的形式 3.2短路電流的計算 3.3主要電氣設備的選擇 3.3.1電氣設備選擇的一般條件 3.3.2斷路器的選擇 3.3.3隔離開關的選擇 3.3.4電流互感器的選擇 3.3.5電壓互感器的選擇 3.3.6避雷器的選擇 3.4二次及其他部分 3.4.1電氣二次部分 3.4.2土建部分 3.4.3調度自動化部分 3.4.4通信部分 I華北電力大學碩士學位論文3.5本章小結 第4章可靠性分析算法 4.1供電可靠性的評價指標 4.1.1一般的可靠性指標 4.1.2電力系統的可靠性指標 34.2理論算法 4.2.1可靠性模型的建立 4.2.2可靠性評估算法 4.2.3考慮保護裝置的影響 4.2.4對可靠性的靈敏度分析 4.3本章小結 第5章牛莊變電站的可靠性分析 5.1牛莊變電站電氣主接線簡介 5.1.1牛莊變電站主接線概況 5.1.2牛莊變電站主接線形式特點分析 5.1.3其他主接線形式特點比較 5.2牛莊變電站的可靠性定量分析 5.2.1基本參數 5.2.2保證一條出線能正常供電的可靠性指標 5.2.3保證所有出線不停電時的可靠性指標 5.2.4GIS改造對可靠性的影響分析 5.3本章小結 6.1結論 6.2展望 參考文獻 作者簡介 第一章緒論電力工業是國民經濟的先導[1-2]。近年來，隨著我國經濟的發展和人們生活水平的提高，人們開始越來越關注電力系統的供電可靠性和供電質量，電力行業也面臨了很多機遇和挑戰[3-5]。目前我國正處于工業產業結構轉型期，而焦作作為河南的工業基地，第一、第二產業正穩步發展，新興工業方興未艾，用電量逐年迅猛增長，這對于焦作地區電力行業來說，可謂喜憂參半。喜的是，用電量猛增與近些年經濟高速增長和居民用電市場被激活直接相關，缺電發出了經濟增長的強烈信號，是電力系統發展的重要機遇。憂的是，一些地區工業生產因缺電已經受到一定影響。可以說，電力需求增長迅速是一個好現象，是綜合實力增強、經濟發展和人民生活水平提高的一個重要標志。但電力發展不能拖累經濟發展，電力發展要為經濟發展提供一個較寬松的背景，這就給電力行業提出了嚴峻的挑戰。因此，各地市供電公司都開始加快了對城市和農村電網的改造。改造老化設備，引進新型可靠性高的配電裝置成為了電力系統改造浪潮中的主流。特別是中原經濟區建設被納入國家發展戰略這一舉措，必然會加快焦作地區小城鎮的建設，也將有利于促進城鄉一體化進程、打破城鄉二元經濟格局，促進焦作經濟社會更快更好的焦作人口眾多，隨著城鎮化進程的加快，工業和居民用電比重將會繼續穩步提高，這也可能導致電量的更快增加。牛莊變電站位于焦作市區長青路中段，占地面積8268.8平方米，于1977年5月31日建成投運，主要擔負著市區東部的工業、農業及居民生活用電。雖然牛莊變電站經過多次單體設備改造，但是整體設備狀況水平較差，不能滿足電網運行的可靠性要求。站內構支架已經老化且出現裂痕，存在嚴重的安全隱患，對牛莊變電站的改造迫在眉睫。同時，我們也應該對提高配電網可靠性的技術措施進行探討，從而達到配網建設符合國民經濟發展需求的目標。由于生活質量的提高，人們對供電質量以及供電可靠性的要求越來越高，這就要求發供電企業進一步提高供電可靠性。因此，需要對現有變電站進行配電裝置的改造增容，需要對配電裝置的可靠性進行研究。對可靠性的研究，美國、英國、加拿大等發達國家起步較早。這些國家甚至將供電可靠性作為配電網調度決策的一項重要依據，還設立專項部門負責整理電網可靠性數據，研究配電裝置的可靠性，建立可靠性研究的評估指標體系。這些舉措都使得可靠性1萬方數據萬方數據的研究取得了很好的成果，供電可靠性得到了很大的提高，同時也提高了電網企業的經濟效益。我國關于供電可靠性的研究，較發達國家起步有些晚[6-10]。但是隨著電力事業的發展以及國民經濟水平的提高，可靠性的研究管理已經逐漸成為現階段電力行業發展的重點。在負荷高峰期，尤其是夏季，由于設備老化以及容量的限制，許多地區都會發生停電事故，這給居民生活帶來了嚴重的困擾，也造成了巨大的經濟損失。供電企業逐漸意識到了供電可靠性的重要性，許多地區都針對配電裝置可靠性提出了很多改進措施，也取得了很好的效果。例如，濟南供電公司曾經在2012年開始，針對濟南市配網特點，進行了一系列配網升級改造工程，具體包括優化配網網架、淘汰老化配電裝置、完善配電自動化體系等。在供電可靠性理論研究方面，學者們提出了許多可靠性的指標體系[11-14],例如供電可靠率。影響供電可靠性的因素主要有配電設備安裝實驗不合格、巡視力度不夠等人為原因，也有配電設備本身絕緣性能、機械性能不好，故障率高等設備原因。在眾多提高供電可靠性的方法中，提高配電裝置可靠性是最基本也最切實有效的方法，而提高配電裝置可靠性的具體措施主要有采用可靠性高的配電設備、減小配電裝置檢修時間和檢修次數等。值得注意的是，近年來由于GIS的發展以及普及，設備的故障率和檢修次數明顯減少。因此GIS成套配電裝置是以提高配電裝置可靠性為目標的變電站設計與改造中近年來，電氣設備逐漸向小型化、無油化、免維護(或者少維護)、高可靠性等方向發展。世界上幾大電氣公司都將研發方向定為了GIS組合電器，GIS組合電器因此得到了廣泛應用。目前在我國，GIS全封閉組合電器已經成功應用于110kV及以上電壓等級的變電站中。這些GIS組合電器不僅極大的節省了土地面積，也大大提高了配電裝置的可靠性。GIS組合電器將是未來我國電氣設備發展的一個主流方向。GIS設備采用六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質，六氟化硫氣體是一種無色、無味的氣體[6-8]。1900年，H.MoiSSan和P.Lebean通過化學反應生成了六氟化硫氣體。1920年，六氟化硫氣體的絕緣性能被發現。1937年，六氟化硫氣體首次被用作電氣設備的絕緣介質。1940年，六氟化硫氣體的滅弧性能被發現。1947年，美國將六氟化硫氣體實現大規模生產。六氟化硫氣體實現大規模生產后，六氟化硫斷路器得到了迅速發現。六氟化硫斷路器的發展可以分為以下幾個階段。20世紀60年代末，以美國為首開始了對雙壓式SF?斷路器的研究應用。220世紀70年代到20世紀80年代，單壓式SF?斷路器得到了迅速發展。20世紀80年代末到20世紀90年代初，人們對SF?斷路器開始向高電壓、大容量20世紀末期，自能式SF?斷路器得到了發展。了110kV的GIS設備。之后，GIS逐步被應用于各大電廠。大亞灣、秦山核電站、廣州抽水蓄能電站、四川二灘水電站等，都開始使用GIS設備。從20世紀80年代開始，國產的GIS設備也開始投入電網運行，共達407個間隔，較大的有三峽電廠的500kVGIS設備。目前國內生產GIS設備的廠家主要有：西安、沈陽、平頂山等開關廠。(1)可靠性高因為設備全部封裝在外殼內，所以GIS設備不受天氣影響，不會出現因為外部短路引發的短路事故。內部結構簡單，機械故障少。外殼接地，沒有觸電危險。六氟化硫為絕緣、不可燃氣體，不會發生火災而引發爆炸事故。(2)占地面積少GIS設備可大量節省配電裝置在的占地面積，電壓等級越高，效果越顯著。110kVGIS設備與常規設備占地面積的比較如下表1-1所示。設備種類單元間隔數量占地面積(m2)110kV常規設備進線1110kVGIS設備進線1從表1-1中可以看出，110kVGIS設備的占地面積比常規設備減少了69.3%。(3)受環境影響小無論外界環境如何，GIS設備均不受影響。這使得GIS設備在環境惡劣的地區得到廣泛應用，例如鹽霧、潮濕、沙漠、高海拔等地區。同時，由于金屬外殼的靜電屏蔽，GIS設備也不受無線電干擾和噪聲影響。(4)維護量小GIS設備平時不需要沖洗絕緣子，觸頭很少氧化，斷路器檢修周期長。在使用壽命(5)建設速度快GIS設備土建和安裝調試工作量小，運輸方便，施工費用少。(6)沒有無線電干擾和噪音干擾3由于金屬外殼的靜電屏蔽，所以GIS設備不受無線電干擾和噪聲影響。同時，金屬外殼屏蔽了內部母線等設備產生的電磁場、噪聲和無線電干擾，也不會對外部設備進行2.GIS設備的主要缺點第一，需要的金屬多。第二，不方便擴建。第三，對工藝、金屬、材料要求高。第四，造價高。(1)斷路器GIS組合電器中，斷路器是核心元件。斷路器中的滅弧室內填充一定的六氟化硫，用于滅弧、開斷負荷電流。按照滅弧原理的不同，斷路器可以分為：壓氣式、混合式和熱膨脹式斷路器。需要注意的是，GIS組合電器中，斷路器設置單獨間隔，是與其他設備隔開的，這是因為：一方面由于滅弧產生的電弧會與六氟化硫發生作用產生化學物質，因此斷路器比其他設備更需要經常放氣檢修，將斷路器設置單獨間隔，方便檢修。操動機構是斷路器的另一重要組成部分，按照操動原理的不同，操動機構可分為：液壓、彈簧、液壓彈簧和氣動機構。(2)隔離開關隔離開關用于在沒有負荷電流的回路中形成一個斷開點，構造較為復雜。在選擇隔離開關時，需要經過多次試驗，找到一個既能夠開斷一個特定的小電流而又不產生過大電壓的型號。隔離開關的操動機構通常都會與接地開關的操動機構設計為一個整體，這樣的設置是為了實現機械閉鎖和電器閉鎖。根據結構的不同，隔離開關可以分為直動式和轉動式。根據性能的不同，隔離開關可以分為普通型和快速隔離開關。(3)接地開關工作接地開關，關合速度最慢，操動機構有手動和機械傳動兩種。在設備需停電時，首先斷開快速接地開關，然后再斷開工作接地開關。保護接地開關，關合速度最快，主要是用于熄滅閃絡電弧。(4)電壓互感器GIS成套配電裝置所使用的電壓互感器，大部分為感應式電壓互感器，而且常將三相電壓互感器裝于一個殼中。按照原理，可將電壓互感器分為：電容分壓式、電磁式電磁式。按照絕緣的不同，可將電壓互感器分為：環氧澆注式、SF6氣體絕緣式等。環氧4華北電力大學碩士學位論文澆注式電壓互感器常用于110kV和220kV的電壓等級中。SF6氣體絕緣式電壓互感器常用于300kV及以上電壓等級中。(5)電流互感器電流互感器的發展較快，已經由電磁式逐漸向光電電子發展。新型電流互感器體積小，沒有鐵芯，因此沒有磁飽和現象，不受溫度影響。(6)避雷器與常規避雷器相比，GIS配電裝置的避雷器結構緊湊，性能穩定。整個避雷器都與空氣隔離開來，用六氟化硫氣體絕緣，因此留有很大的裕度，放電電壓小。(7)母線母線分為兩種，一種是三相分別密封，另一種是三相密封于一起。對于三相分別密封的母線，最大的優點是不會發生三相短路事故。盡管可以適當減小每一項母線外殼的直徑，但是它的造價仍舊很高，占地面積大。對于三相密封于一個殼中的母線，主要優點是占地面積小，產生于外殼的渦流也很小。缺點是會發生三相短路，而且三相母線間還會產生點動力。總結目前國內外可靠性的研究成果，主要的可靠性算法有：解析法、模擬法和人工智能算法。近年來，有些學者又提出了將解析法、模擬法結合起來的混合算法。1.解析法求出具體的可靠性指標。這種方法在實際工程中經常用到，但是這種方法的確定只適用于小規模系統，對于系統比較復雜的情況，計算量將是指數增長。2.模擬法模擬法又稱為蒙特卡羅法。這種方法是將要研究的系統中每個設備的概率用隨機數表示，通過計算機模擬出系統的實際情況，用概率計算出可易于接受，同時可以發現一些不容易被發現的故障。但是顯著的缺點是計算時間長。3.智能算法人工智能算法是新興的一種算法，它主要是模仿生物模式，進而通過簡化處理復雜的問題。人工智能算法主要包括人工神經網絡、遺傳算法、模糊算法等。目前學者們用智能算法解決可靠性問題主要是希望縮短求解時間、減小計算量。混合法的思想是綜合利用解析法和模擬法的優點。由于解析法、蒙特卡羅模擬法各有所長，且各自的優缺點相互補充。如果有一種方法，分地發揮各自的優點則是最理想的可靠性評估方法生的。近年來，該方法一直是電力系統可靠性評估研究中的熱點。5華北電力大學碩士學位論文混合法的基本思想是：由于解析法模型、物理概念清楚，在能用解析法的地方充分利用解析法，在求解規模超過解析法的求解能力時，應用蒙特卡羅模擬法，在模擬過程中，盡可能地利用解析法所能提供的信息，以降低模擬統計量的方差，從而顯著減少蒙特卡羅模擬法所消耗的CPU時間。目前，混合法的理論研究已經取得了一定的成果，本文針對焦作地區牛莊變電站電氣設備老化、供電不足的現象，提出對牛莊變電站(1)分析當前國內外電力行業發展現狀，提出了進行變電站GIS改造的必要性。同時分析了GIS設備的發展現狀與優缺點以及可靠性算法發展現狀；(2)分析牛莊變電站的基本情況、負荷資料、設備狀況等原始資料，提出對牛莊變(3)研究幾種常用的電氣主接線，選擇單母二分段接線形式作為牛莊變電站110kV的電氣主接線；將110kV母線作為短路點，進行110kV短路計算；根據短路計算數據結果，進行了110kV斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器的選擇；(4)總結了現階段定量計算變電站可靠性的方法，建立了可靠性模型，并選擇最小割集算法作為本文計算可靠性的依據；(5)最后通過對牛莊變電站可靠性定量分析，從理論上驗證了110kV配電裝置GIS改造可以提高供電可靠性。6第二章牛莊變電站現狀及改造必要性焦作110千伏牛莊變電站位于焦作市區長青路中段，占地面積8268.8平方米，于1977年5月31日建成投運，主要擔負著市區東部的工業、農業及居民生活用電。1998年11月改造后實現無人值班。牛莊變電站有110kV、10kV兩個電壓等級110kV采用半高型布置，110kV出線四回，分別與春林變、北郊變、馬村變聯接，是焦作市區主要牛莊變電站經過多次增容、升壓、擴建、改造，現已成為擁有2臺容量為31.5MVA主變壓器，母線電壓等級為110kV和10kV,該站主要供電負荷為煤礦、冶金、化工、規模：主變壓器2臺，容量2×31.5MVA,電壓等級110/10kV。110kV出線4回，分別與馬村變、春林變、牛莊變和北郊變聯網，即北牛線、春牛線、馬牛南線、馬牛北線；10kV出線24回，其中包括用戶專線、工配線路。接線方式：110kV、10kV配電裝置均為為單母分段接線方式。配電裝置為戶內柜式布置，布置在站區的南側，電纜出線。主控制室布置在10kV配電室西側；兩臺主變位于110kV配電裝置和10kV配電室之間。站區大門向西開，進入站區后，站內主道路將110kV設備區和10kV設備區自然分列在南北兩側。下表給出了牛莊變電站110kV設備型號，具體如下表2-1所示。序號名稱型號及規范單位數量1斷路器LW25-126/3150A/40KA臺3斷路器臺42隔離開關GW5-110GWD/600A組隔離開關組63電流互感器LCWB6-110GW2*300/5B/B/0.5組2電流互感器LCWB6-110GW2*300/5D/D/0.5組57表2-1(續表)序號名稱型號及規范單位數量4電壓互感器只4電壓互感器只2牛莊變電站在2005年進行了全站的控制電纜更換和綜合自動化改造，現在牛莊變2.土建部分牛莊變電站110kV配電裝置區位于站區北側，為戶外半高型布置；10kV配電室和主控室裝置位于站區南側，10kV配電室為戶內柜式布置；主控制室緊鄰布置在10kV配電室西側；兩臺主變區位于110kV配電裝置區和10kV配電室之間。3.調度自動化部分(1)調度關系(2)調度自動化現狀1200波特，數字通道32路，傳輸速率為9600波特，同步或異步規約接入。目前，焦南集控站采用東方電子生產的DF1000型集控系統，現有模擬通道8路，傳輸速率為600、1200波特，同步或異步規約接入。目前，牛莊變電站遠動信息傳輸方式采用數字通道，傳(1)調度關系8目前，110kV牛莊變電站由焦作地調調度，由焦南集控站集控管理，本期改造后，規劃由春林集控站集控管理。(2)有關通信現狀光通信：牛莊變電站處于焦作地調光纖環網上，一個方向通過110千伏北牛線架設的16芯ADSS光纜連接于焦北變環網光機，一個方向通過110千伏馬牛南線架設的16芯ADSS光纜連接于馬村變環網光機。載波通信：110千伏線路載波通道均可退出運行。1.2牛莊變電站改造必要性從110kV牛莊變電站在電網中的地位，安全性、全壽命周期成本、可行性以及政策適應性等方面分析本工程存在的問題，論述項目必要性。1.焦作供電區概況焦作供電區位于河南電網的北部，豫北電網西南部，南與鄭州、西與洛陽供電區相接，東與新鄉供電區連接，其供電范圍為一市區六縣(市)(焦作市、修武縣、武陟縣、博愛縣、沁陽市、孟州市、溫縣)。全市總面積4071平方公里，是一座以能源為主、冶金、建材、輕工、化工、機械、電子等工業門類完備的綜合類工業和旅游城市，工業發展速度居河南省前列。(1)供電區電網概況截止2012年底，焦作電網共有500kV變電站2座，即博愛變、竹賢變，主變5臺，變電容量4900MVA;220kV變電站15座，變電容量5640MVA,其中220kV公用站12座，變電容量4050MVA;220kV用戶站3座，變電容量1590MVA。所轄220千伏線路47條，761公里。焦作220kV西部電網以500kV博愛變為支撐，11回220kV出線分別兼顧沁陽、孟州、博愛和溫縣四縣(市)電網，并通過220kVI、Ⅱ春太線和I、Ⅱ博覃線與焦作東部電網互聯互通，220kV澳苗線與濟源供電區相聯，正常方式下不作為聯絡線運行，僅由苗店變饋線方式運行為沁澳鋁業提供備用電源；東部電網以竹賢變作為電源支撐，目前220kV電網已與新鄉電網斷開聯絡。220kV電網已初步形成環網結構，220kV西部電網已形成博愛一懷慶一載育一博愛雙環網結構，博愛一廉橋一載育一博愛為單三角環網。110千伏變電站63座，變電容量6177MVA,其中公用變電站43座，變電容量3225MVA;用戶變電站20座，變電容量2960MVA。所轄110千伏線路102條，847.19焦作市區110kV電網目前主要依托春林、嶺南、韓王、修武、潭王、覃懷等220kV站為電源，網架結構形式較多，以雙鏈、單鏈、雙輻射、單輻射和T接為主，目前尚未形成完整的環網。縣域110kV電網與市區電網類似，由于220kV電源點有限，尚未有完整環網形成，(2)供電區電源概況截至2012年底，焦作供電區共有發電廠21座，裝機總容量1620MW。其中統調電廠3座，容量980MW;地方及企業自備電廠18座，容量6400MW。接入220kV及以上電網2座，容量710MW;接入110kV電網8座，容量752兆瓦；接入35kV及以下電網11座，容量158MW。(3)供電區負荷電量情況2012年，焦作供電區全社會用電量197億kwh;全社會最高用電負荷為3040MW。(4)焦作供電區規劃到2015年供電區最大負荷4700MW,“十二五”遞增率達到11.3%。清化變(規劃2013年3月投運)、220kV中心變、220kV新區變、220kV司馬變，并對220kV武陟變進行擴建，新增主變容量1800MVA。焦作供電區目前已形成以兩座500kV變電站為核心、以四回500kV通道為依托，東西部雙環網架格局，構成堅強完牛莊變電站自從1977年建設投運以來，經過升壓、改造，早已成為焦作市110kV增加較快，經計算，2015年牛莊變電站110kV母線短路電流為9.91kA,10kV母線短110kV配電裝置采用軟母線戶外半高型布置，其中少油斷路器4臺，型號為SW3-110,沈高1983年產品，運行超過20年，均屬淘汰產品，備品備件組織困難，需更新改造。110kV刀閘共16組，型號為GW5-110DW,平高1983年產品，運行超過20年，機械缺陷頻繁，主要為分合不到位，軸承銹蝕，導電部位發熱，機構密封設計不合理，陰雨天易造成二次接地等。2000年將110kV少油斷路器更換為六氟化硫斷路熱電廠、石灰廠等高污染企業，現在牛莊變地區已發展為IV類污穢區，原室外設備已不華北電力大學碩士學位論文另外，站內構支架已經老化且出現裂痕，存在嚴重的安全隱患。主變、110kV構架和支架均為混凝土構件組裝而成，運行幾十年來，經歷了風吹、雨淋、日曬，已有部分2002年對室外所有的構支架采用纖維布進行整體包裹加固，以減緩老化速度，加強構支架的整體支撐能力。年該站110kV母線短路電流將達到9.91kA,當發生短路故障時會對構支架的安全性構成嚴重的威脅。綜上所述，不僅單個設備更新改造效果不好，而且構支架的改造難度很大。為了確保牛莊變電站運行的安全可靠性，有必要對站區室外110kV配電裝置進行全面改造，以滿足該供電區用電的需要，避免由供電原因給工農業生產造成更大的損失。目前，110kV牛莊變電站是焦作東部及北部地區的主要供電電源，為該地區的工農業和經濟的發展提供了基礎支撐，是居民生活不可或缺的工程項目，變電站的長期安全可靠運行是該地區經濟生活的基本保障。牛莊變電站110kV配電裝置為AIS半高型布置，有些裝置已運行超過20年，設備部分老化，損耗高，缺陷多，檢修維護費用高，設備支架銹蝕嚴重，可靠性得不到保障，威脅到配電裝置的安全運行。因此，急需對牛莊變電站進行改造。國家電網公司《關于編制2012年生產技術改造、設備大修和固定資產零星購置計劃建議的通知》(生技改〔2011〕223號)文件要求：2012年生產技術改造和設備大修計劃編制重點、變電(換流站)設備改造要求加強變電站高型、半高型配電裝置構支架狀態檢測和評估，依據評估結果，對存在安全隱患的構支架要制定改造計劃，逐步實施改造，并明確了2012年高型、半高型配電裝置構支架的改造計劃。綜上所述，為滿足該供電區用電的需要，確保牛莊變電站運行的安全可靠運行，避免由于供電原因給工農業生產造成損失，因此有必要對110k牛莊變電站進行全面改造。1.2牛莊變電站改造目標及原則110kV牛莊變電站改造工程計劃2012年建成投運，設計水平年為2012年，遠景水平年為2020年。配電裝置型式結合工程實際情況，因地制宜，與變電站總體布置協調，通過技術經濟比較最終確定。配電裝置的形式，布置，導體、電氣設備、架構的選擇，華北電力大學碩士學位論文在考慮設備全壽命周期成本前提下，滿足在當地環境條件下正常運行、安裝、檢修、短路和過電壓時的安全要求，滿足規劃容量要求，并滿足在改造過程中不全站停電，各出線回路停電時間最短的要求。電氣主接線應根據變電站的規劃容量，線路、變壓器連接元件總數，設備特點等條件確定。結合“兩型一化”要求，電氣主接線應綜合考慮供電可靠性、運行靈活性、操作檢修方便、節省投資、便于過渡或擴建等要求。技術原則依據電力行業相關設計規定，結合國網公司通用設計、通用設備、標準施工工藝及兩型一化相關要求。1.3牛莊變電站改造方案的選擇目前110kV牛莊變電站已經運行多年，室外電氣元件的現狀和構支架的承載能力將是該站安全運行存在的最大安全性問題。牛莊變電站110kV配電裝置為戶外半高布保護環境等設計原則，初步選定三個改造方案。對牛莊110kV配電裝置進行改造，考慮了有三個方案：方案一：將原有的單母線分段接線、半高型布置的配電裝置進行GIS改造，拆除所有110kV出線構架及主變進線架構，接線形式為單母線分段接線。方案二：將原有的單母線分段接線、半高型布置的配電裝置進行GIS改造，保留110kV出線構架及主變進線架構，接線形式為單母線分段接線。方案三：將原有的單母線分段接線、半高型布置的配電裝置進行AIS改造，拆除所有的進出線構架以及設備支架，接線形式為單母線分段接線。按照資產全壽命周期管理要求，從提高設備可靠性和電網安全性、提升輸電能力、降低壽命周期內成本等方面對方案一、二、三進行比較論證，以綜合指標最優作為最終1.安全方面比較方案一：本方案進行GIS設備基礎施工和設備安裝，GIS安裝完畢后各出線過渡到由GIS設備供電需要較長的時間，在此過程中，部分出線負荷可考慮轉移，因此不會影響到電力用戶的用電，但對系統的運行方式有一定的影響，在部分停電情況下進行施工對現場安全管理要求較高，要求提高現場安全管理水平，做好現場的施工安全管華北電力大學碩士學位論文快地過渡到由GIS設備供電，出線停電時間短，且對系統運行方式影響小，力用戶的供電，電網運行可靠性高，能有效消除現場安全管理水平。此方案保留了出線及主變進線構架，而這些構架建成時間幾十年，部分出線分化露筋，對配電裝置安全運行有一定的威脅。方案三：根據現場的實際位置，采用AIS布置必須要先安裝母線構架和母線，所以施工時需要110千伏上、下母線全部停電進行，才能確保施工時安全可靠，變電站停電方案二保留的出線構架對配電裝置的安全運行有一定的威脅，因此從安推薦方案一。2.效能方面比較方案三：本方案施工時需要110千伏設備全部停電，按今年的平均負荷，按停電3個月計算將損失電量2.16億千瓦時，直接經濟損失2千萬元，社會效益損失將更大。本方案可以利用斷路器、電流互感器、電壓互感器等原有設備，極大地節省費用。從效能方面比較，方案三利用了部分原有設備接損失無法估量，因此不推薦用方案三。3.設備全壽命周期成本比較方案二采用GIS設備后設備運行可靠，故障率低，設備維護量小，節約人力資源，按照設備壽命30年計算，每年可以節約維護費6萬元，減少設備異常停電2次，減少直接經濟損失8萬元。方案三為常規設備，設備維護量大，設備缺陷多，可能造成設備的異常停電。方案一：一次性投資(700萬元)+維護費(6*30)=880萬元方案二：一次性投資(588萬元)+維護費(6*30)=768萬元方案三：一次性投資(400萬元)+施工停電損失(2000萬元)+維護費(12*30)+故障供電損失(8*30)=3000萬元。由于方案二保留了出線構架，而這些出線構架已建成了幾十年，剩余的壽命與G的壽命不配套，將來還是要對出線及主變進線構從全壽命周期成本比較，推薦使用方案一。為了保障該站能夠長期安全可靠的運行，根據現有的設備水平，選用技術成熟、科技含量高的產品。結合現場實際情況，110kV配電裝置采用戶外六氟化硫金屬封閉式組合電器GIS。由于對本站進行GIS改造具有安裝方便，停電時間短，改造完成后具有可靠性高，安全性能高，維護方便，檢修周期長，維護工作量小等優點，因此推薦綜合指標最優的方案一作為項目改造實施方案。1.110kV配電裝置采用單母線分段接線方式，出線4回，拆除原有設備和構支架，安裝組合電器，建設配套鋼構支架。2.對電氣二次系統進行補充。3.110kV區構架、設備基礎和支架、電容器進行基礎改造。4.對通信系統進行補充。具體見下表2-2:序號變電站名稱改造項目1牛莊變110kV配電裝置改造2牛莊變二次系統改進3牛莊變110kV區構架、設備基礎和支架、電容器基礎改造4牛莊變通信系統改進本章首先對牛莊變電站的電氣一次以及其他部分的現狀進行了簡述。通過變電站的安全性、效能與成本、政策適應性三方面的分析，本文認為牛莊變電站現階段的供電水平已經不能夠滿足該供電區用電的需要，為避免由于供電原因給工農業生產造成損失，有必要對110kV牛莊變電站進行全面改造。同時，本文根據變電站的改造目標以及原則，給出了三種可選方案，通過對三種方案進行對比，選擇方案一，即110kV配電裝置GIS改造，作為項目改造實施方案。最后分析了牛莊變電站需要改造的具體規模，包括110kV配電裝置、110kV區構架、設備基礎和支架、電容器基礎改造，電氣二次系統、通信系統改進。華北電力大學碩士學位論文第3章牛莊變電站110kV系統改造3.1.1電氣主接線的設計原則并且根據本地實際，因地制宜，滿足可靠供電、靈活調度、方便操作的要求，兼顧設備1.結合需改造的變電站在電力系統所處的位置變電站在電力系統所處的位置決定了該變電站的電氣主接線方式。根據變電站在電力系統所處的不同位置，可將變電站分為：分支變電站、企業用戶變電站、樞紐變電站等。變電站所處的位置不同，對主接線的基本要求也不同，因此，變電站在電力系統所處的位置是選擇變電站的電氣主接線方式的關鍵因素。2.結合變電站中長期發展規劃選擇變電站主接線方式時，需要結合變電站中長期發展規劃。設計人員應充分考慮未來5到10年里負荷的增長情況，可根據地區電網負荷情況，預測負荷增長變化情況，最終確定變電站主接線的方式、電源數量以及出線回路數。3.結合電力負荷的性質按照負荷對供電可靠性的要求，可將電力負荷分為三類：一級負荷、二級負荷、三一級負荷：中斷供電將造成人身傷亡、重要設備損壞，為國民經濟帶來重大損失。二級負荷：中斷供電將造成設備損壞、生產減產，為國民經濟帶來一定損失。三級負荷：除了一級、二級負荷之外的成為三級負荷。對于一級負荷、二級負荷，應選擇供電可靠性較高的電氣主接線形式，并且保證有兩個電源。對于三級負荷，可以只設一個電源。4.結合主變壓器的臺數和出線回路數主變臺數以及出線回路數的設置會直接影響變電站主接線的選擇，如果主變臺數和出線回路數較多，一般采用有母線的接線形式，如果主變臺數和出線回路數較少，可以采用單元接線或角型接線等無母線形式。華北電力大學碩士學位論文1.可靠性可靠性是指系統在一定條件下保證連續無故障供電的能力。保證系統安全、可靠的供電是電力系統的首要任務，因此也是選擇變電站主接線形式時首要考慮的因素。根據電能不能大量儲存的特點，在發電、輸電、變電、配電任何一個部門出現故障都會導致供電中斷。故障停電不僅會對電力設備造成損害，同時也有可能是國民經濟遭受重創。根據變電站在系統中所處的位置不同，對供電可靠性的要求也不同，因此主接線的形式也不同。在選擇主接線時，需考慮很多因素。(1)考慮在斷路器停電或檢修時，對系統供電情況的影響；(2)考慮在斷路器拒動或者線路中出線故障時，對系統供電情況的影響；(3)考慮變電站中的斷路器、線路、母線等設備停電或者檢修時，是否能夠保證對重要用戶連續供電。2.靈活性靈活性是指變電站的主接線形式可以適應各種系統運行狀態，同時也能夠靈活的轉換為各種運行方式。電氣主接線的靈活性包括以下幾個方面：(1)靈活調度。變電站可以根據調度要求，靈活的改變運行方式。在系統出現故障后，能夠迅速的隔離故障元件，恢復對非故障元件的供電。(2)方便操作。主接線在滿足供電可靠性的基礎上，接線盡量簡單，以減少操作步驟，能夠方便的進行斷路器投切。斷路器、母線等主設備需要檢修時，能夠不影響正(3)方便擴建。變電站需要根據電力增長和負荷變化進行擴建。擴建時，應盡可能保證新擴建的設備不影響正常的負荷供電，主接線能夠最終過度到需擴建的形式，對3.經濟性選擇變電站主接線時，在保證可靠性、靈活性的基礎上，應該盡量減小成本，考慮經濟性，主要有以下幾個方面：(1)盡可能減少投資。由于不同的主接線，會造成不同的投資。因此在選擇主接線時，應盡可能的減少投資，減少變電站的安裝、建筑、設備采購等費用。(2)減少占地面積。主接線的選擇，應該配合高壓配電裝置的布置，盡可能的減少設備數量、土地資源、安裝費用等。(3)減少電能損耗。據統計，變電站在正常運行時的電能損耗主要是主變產生的，所以在選擇主接線時，應該結合主變的情況。站，需改造的配電裝置為110kV,110kV出線數目為4回，選擇單母線分段接線作為牛莊變電站110kV的電氣主接線。具體見附錄。3.2短路電流的計算電氣設備的選擇需要知道短路電流，計算變電站短路電流的一般步驟為：(1)選定基準容量、基準電壓，計算各元件電抗的標么值。(2)將系統簡化為等值網絡。(3)選擇合適的短路點。(4)計算短路點的等值電抗的標么值。(5)計算短路電流的標么值、有名值。牛莊變電站電壓等級為110/10kV,變電站有一個電源系統，容量為600MW,系統容抗為0.38。電源系統與牛莊變電站通過雙回路連接，線路長30km,型號LGJQ-150.具體如下圖3-1所示：電源系統牛莊變電站牛莊變電站電源到變電站的等值電路如圖3-2所示：線路型號LGJQ-150,雙回線，線路長為30km,單位電抗為0.199Ω/km,線路的華北電力大學碩士學位論文3.3主要電氣設備的選擇(1)額定電壓對于一般的電器和電纜，當電網的額定電壓為220kV及以下時，電網最高運行電(2)額定電流當變壓器的壓降小于5%時，保持其出力不變，相應的回其中1為額定電流。(3)按溫度進行修正其中，K,一溫度修正系數θ,一設備正常發熱允許的最高溫度目前，我國生產的電氣設備的額定溫度為θ。=40℃,裸導體的額定溫度為+25℃。2.按短路情況進行校驗選定額定電流之后，需要按照短路情況進行動、熱穩定校驗。校驗時，一般取三相短路的短路電流。(1)熱穩定校驗熱穩定的校驗條件為：Q一三相短路電流的熱效應Q,一設備允許的短路熱效應t一額定熱穩定校驗時間I—t時間內熱穩定電流t一校驗熱穩定所用的計算時間，計算公式為：t?一繼電保護的動作時間，當電壓在110kV以下時，t?一般取主保護的動作時間，當電壓在110kV以上時，t?一般取后備保護的動作時間。(2)動穩定校驗動穩定的校驗條件為：萬方數據一短路沖擊電流的有效值1一設備的動穩定校驗電流高壓斷路器是變電站中最重要的電氣設備之一，由于具備滅弧能力，斷路器用于開斷負荷電流。同時，斷路器還參與調整系統的運行方式，出現故障時切斷短路電流，隔根據滅弧原理，斷路器可以分為真空斷路器、SF?斷路器、少油斷路器等。目前少油斷路器使用的較少。電壓等級為10kV時一般采用真空斷路器，電壓等級為35kV一220kV時一般采用SF?斷路器。1.額定電壓2.額定電流牛莊變電站共有2臺主變，容量為31.5MW,因此：3.額定開斷電流斷路器的額定開斷電流I應不小于最大短路電流的有效值I,即：Le—斷路器的額定開斷電流I,一最大短路電流的有效值，一般采用三相短路電流。根據短路電流的計算結果，110kV三相短路電流值為：I"=6.345(kA)4.額定關合電流萬方數據如果在斷路器合閘之前線路上就已經有短路故障存在，則在斷路器的合閘過程中，觸頭間會通過巨大的短路電流。為了保證斷路器能夠正常合閘而能夠承受短路電流的沖擊，需要校驗額定關合電流。斷路器的額定關合電流不得小于短路電流的最大沖擊電流，IN一斷路器的額定關合電流,一短路電流的最大沖擊值對于牛莊變電站斷路器的選擇，有：選擇110kV配電裝置斷路器參數為：SF6斷路器額定電壓110kV,額定電流2000A,動穩定電流40kA,熱穩定電流100kA。5.開斷時間的選擇當電壓等級為10kV及以上的電網，應該盡可能快速的切除故障，要求斷路器的分閘時間不應大于0.045秒，而對于制動回路的斷路器，要求其合閘時間應大于0.04秒。6.熱穩定校驗短路計算時間：后備保護動作時限t取4s,斷路器全開斷時間t為0.07s,因此短路持續時間t為：因為t?>1s,故不計及短路電流非周期分量的影響。短路電流周期熱效應：查周期分量等值表得4s的熱穩定電流為15.8kA,即：Pt=15.82×4=998.56(kA)≥Q=10符合熱穩定要求。7.動穩定校驗華北電力大學碩士學位論文符合動穩定要求，斷路器計算數據與選擇結果如下表3-1所示。額定電壓(kV)額定電流(A)動穩定電流熱穩定電流熱效應(kA)所選產品數據計算數據隔離開關的作用是在在回路中形成明顯的斷開點，并且配合斷路器進行倒閘操作。由于隔離開關沒有滅弧能力，不能開斷負荷電流，所以在操作隔離開關時需要注意操作順序。停電時，先拉開斷路器，再拉開線路側隔離開關，后拉開母線側隔離開關。送電時與之相反。1.隔離開關的配置原則為：(1)為了在回路中形成明顯的斷開點，斷路器兩側應安裝隔離開關。(2)對于普通變壓器需要將其中性點接地時，應通過隔離開關接地。(3)當負荷側沒有電源時，斷路器線路側可以不設置隔離開關。但是有些變電站也設置隔離開關，為了防止雷電過電壓。(4)變壓器出線上的避雷器可以不安裝隔離開關。在母線上的電壓互感器和避雷器，可以設置一個共同的隔離開關。2.牛莊變電站隔離開關選擇如下：(2)額定電流牛莊變電站共有2臺主變，容量為31.5MW,因此：選擇110kV配電裝置隔離開關參數為：額定電壓110kV,定電流40kA。(3)熱穩定校驗短路計算時間：萬方數據額定電流2000A,動穩華北電力大學碩士學位論文后備保護動作時限tm取4s,斷路器全開斷時間t查周期分量等值表得4s的熱穩定電流為15.8kA,即：(4)動穩定校驗隔離開關選擇如下表3-2所示：額定電壓(kV)額定電流(A)動穩定電流(kA)熱效應(kA)所選產品數據計算數據3.3.4電流互感器的選擇都有偏差。因此在選擇電流互感器時，應確定好電流互感器的準確度等級。1.10%誤差曲線10%誤差曲線是指保持電流互感器的誤差在10%以內，最大二次負載阻抗Z?,與電即可，因此對準確度要求不高。對于測量用電流互感器，其準確度等級要求較高。華北電力大學碩士學位論文2.額定容量選擇合理額定容量可以確保電流互感器的準確度等級，要求電流互感器的二次負荷S?不能大于額定容量，即：Z??=Z,+Z,+Z+Z1.?一額定二次側電流Z?一最大允許二次負載Z,—測量儀表的電流線圈阻抗Z,一繼電器阻抗Z,一回路導線的阻抗Z,一接觸電阻，一般取0.1Ω確定額定容量后，二次側導線的允許最小截面為：3.額定電流的選擇電流互感器的一次側額定電流應大于回路中正常的工作電流，而且電流互感器的工作電流應接近額定電流，以保證準確度等級。對于測量用電流互感器，一次側額定電流應為回路中正常工作電流的1.3倍。1.,—一次側額定電流1gmax—一次側回路的最大工作電流4.額定電壓的選擇一次側額定電壓的選擇應滿足：U一所在電網的額定電壓U.—一次額定電壓萬方數據萬方數據5.型式和種類的選擇在選擇型式和種類時，應考慮到保護裝置以及測量儀表的要求。根據安裝地點的不同可以選擇屋內、屋外電流互感器。根據安裝方式的不同可以選擇穿墻式、支持式、裝入式等電流互感器。6.熱穩定檢驗電流互感器的熱穩定校驗通常是校驗1秒內允許通過的電流。K,—1s內允許通過的一次側額定電流的倍數I.—1s內允許通過的一次額定電流7.動穩定校驗電流互感器動穩定的校驗條件為：電流互感器常以允許通過一次額定電流最大值(√21a)的倍數K,(動穩定電流倍數)表示其內部動穩定能力，故內部動穩定可用下式校驗：K,一允許通過的一次側額定電流最大值的倍數√2I?一允許通過的一次側額定電流的最大值需要注意的是，在校驗動穩定時，不僅校驗短路電流對本電力互感器的沖擊，還需要校驗三相短路電流之間相互作用而產生的沖擊，即三相電流互感器之間的動穩定校如果是瓷絕緣的母線型電流互感器，可以按下式校驗：牛莊變電站電流互感器選擇如下表3-3所示：型號電壓等級(kV)數量(只)華北電力大學碩士學位論文電壓互感器的選擇原則為：(1)型號和種類的選擇需要根據安裝地點的環境；(2)一次側額定電壓不應低于電網的額定電壓；(3)二次側額定電壓應滿足測量電壓為100V。(1)避雷器的選擇應該與繼電保護相配合。避雷器的VA特性、VS特性均應與所在元件的保護裝置的VA特性、VS特性一致。(2)避雷器的選擇應該與所在電網相配合。避雷器的滅弧電壓應與所在電網的最高電壓相一致。(3)管型避雷器應注意：管型避雷器上限遮斷電流為大于等于線路最大短路電流；管型避雷器下限遮斷電流為小于等于線路最小短路電流；管型避雷器只能與線路保護配合，而不能用作過電壓保護；(4)閥型避雷器應注意：閥型避雷器需注意與電氣設備的距離；閥型避雷器需對工頻放電電壓、沖擊放電電壓、額定電壓和殘壓進行校驗；閥型避雷器的保護比需根據額定電壓來確定；閥型避雷器可以分為普通閥型避雷器、磁吹閥型避雷器。(5)氧化鋅避雷器應注意：氧化鋅避雷器需考慮被保護設備與殘壓的配合；氧化鋅避雷器的額定電壓不應小于電網的工頻過電壓。牛莊變電站避雷器選擇結果如下表3-4所示：型號電壓等級(kV)數量(只)3.4二次及其他部分1.綜合自動化系統牛莊變電站于2005年進行了綜合自動化改造，該工程于當年結束，新設備投入運行。牛莊變電站現有運行的是南瑞科技股份有限公司的NS2000綜合自動化系統。目前電氣二次設備運行穩定。主控室布置在一樓，現有屏位19面，其中直流系統7面，計量1面，監控及保護用10面，預留屏位1面。本期工程110kV配電裝置需更換為GIS,由于測控遙信量的增大，主變測控裝置需要增加屏內配線，110kV線路及分段部分需要增加測控裝置，原室內至110kV配電裝置部分電纜需要全部更換，主控室部分電纜需要改接，改良后可滿足電氣一次設備的更換要求。原有變電站遙視系統僅在主控室內布點，且無對室外的配電裝置布點。在控制室外部，原來設置有一臺槍式攝像機進行全站全景的監視，而且由于運行時間較長，運行環境較差，圖像質量已達不到監控效果。本期建議圖像監控系統重新布點，在變電站主控室、110kV設備區、10kV設備區、電容器室、所變室及進站大門裝設遙視探頭，組成遙視系統，滿足全站的安全、防火、防盜及無人值守功能。安全警衛系統報警接點信號可遠傳至集控中心或調度端。3.火災報警系統原有變電站沒有配置火災報警系統，本期需要在變電站內設置火災自動報警系統，以滿足集控站的要求。報警區域包括控制室、10KV配電室、電容器室等重要場所。火災報警控制器的容量、性能要求及相應接口均按照終期規模考慮。根據安裝位置的不同，采用不同類型和原理的探測器。火災報警控制器宜設在變電站的主控制室內，當有火情發生時，火災報警控制器可及時發出聲光報警信號，顯示發生火警的地點，并可通過通信接口將信息送至變電站的計算機監控系統或通過光纜將信息傳至集控站，同時還可以通過數據網傳至調度端。4.電氣二次設備本次改造所需電氣二次設備材料具體如下表3-5所示：序號名稱型號單位數量1110kV測控柜一面12遙視系統擴充套13火災報警系統一套14控制電纜ZRKVVP-22多種型號米5電力電纜VV22多種型號米6接地銅網米7多股銅線米本次110kV牛莊變電站土建部分改造都是由電氣方案決定的。本次改造土建工程量如下所述：(1)改造拆除部分：原110kV區構架及基礎12組、構架鋼梁6架；原110kV區設備基礎和支架4個間隔；原主變構架及基礎4組、鋼梁2架；原室內電容器基礎2組；拆除部分電纜溝。(2)改造新建部分：新建110kV區構架及基礎9組、構架鋼梁6架；新建110kV區GIS設備基礎和支架、避雷器基礎及支架6組；新建主變構架及基礎4組、構架鋼梁2架；新建部分電纜溝；改造電容器室室內基礎2組。(3)本次改造發生的土建工程造成對設備區硬化、石子鋪設以及破除道路修復。牛莊變電站改造部分信息要接入地調主系統，應為地調主站開列模擬屏修改費，主站系統有關軟件數據庫修改費，遠動主站系統與分站間調試配合費等。牛莊變電站改造部分信息要接入春林集控站主系統，應為集控主站開列有關軟件數據庫修改費、主站系統與分站間調試配合費等。牛莊變電站綜自系統可滿足本次技改項目遠動信息的接入需要。調度自動化部分主要材料如下表3-6所示：序號名稱型號及規范單位數量1地調主站系統修改配合主站系統模擬屏、數據庫、報表、信息畫面修改套12集控主站系統修改配合主站系統、數據庫、報表、信息畫面修改套1牛莊變電站110千伏配電裝置改造為GIS形式，站區內與之相關的架構、電纜溝將跟著改變。牛莊變電站區內的進站阻燃光纜若有隨架構、電纜溝的改變而受影響的，需要在本工程中予以更換，其它不變。在改造過程中，牛莊變電站對焦作地調和集控站之間的通信運行方式不變，機房內所有通信設備不遷移、不變更。改造過程中，在新的纜線沒有敷設完成前，應保持原保護通道、通信通道繼續運行。地調光纖環網牛莊變節點，除提供通信通道外，還擔負著南山變至春林變220千伏線路2M復用保護通道的任務，因此，在進行光纜接續時，必須快速準確，必要時需制訂施工臨時方案。站區內原架構上的載波加工設備全部停用并拆除。通信部分主要設備材料具體如下表3-7所示：序號名稱型號及規范單位數量1集束尾纖12芯根42跳纖10米雙頭根43站內阻燃光纜米4鍍鋅鋼管米5PVC保護管米6余纜架-個27進站光纜接頭盒24芯個28引下線夾套本章主要對牛莊變電站的主接線和配電裝置的GIS改造進行了具體的分析。選擇單母二分段接線形式作為牛莊變電站110kV的電氣主接線；對牛莊變電站所在系統進行簡化處理，得到短路計算模型，將110kV母線出作為短路點，進行110kV短路計算；討論了電氣設備選擇的基本依據，并且總結了斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器的選擇條件和注意事項；根據短路計算的數據結果，進行了110kV斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器的選擇；最后，本章也給出了變電站二次以及其他部分的改造規模。第4章可靠性分析算法近年來隨著我國國民經濟的發展以及人們生活水平的提高，人們對用電可靠性和用電質量的要求越來越高。如何滿足人們日益增長的電力需求已經成為現代電力系統發展中需要考慮的重要因素，而與用戶聯系最密切的配電裝置的可靠性也成為了電力系統工目前，國內外學者公認的對可靠性的定義為：“元件、設備、系統等在規定條件下和預定時間內，完成其規定功能的概率”。對不同的環境，“完成規定功能”中的“功能”不同，可靠性的定義也不相同。在電力系統中，主要任務是向用戶提供連續可靠的電能，因此，以在一定時間內是否能夠向用戶提供其要求的電能作為電力系統可靠性指標[38]。如果用數值來定量衡量電力系統的可靠性，主要有四類可靠性指標，如下表4-1所表4-1可靠性指標表指標含義概率頻率時間期望值例如設備完成一定目標的概率例如變電站一定時間內發生單相短路故障的次數例如變電站發生短路故障的持續時間例如一定時間內變電站出現短路故障的期望天數電力系統中，設備的可靠性指標是衡量該設備的一個重要指標。根據學者們的一致意見，認為電力設備可以分為可修復設備(Repairablecomponent)和不可修復設備(Non-repairablecomponent)這兩個大類。而在電力系統中，大部分的設備往往是可修復設備。根據設備的性質，也可以將電力系統分為可修復電力系統(RepairableSystem)以及不可修復電力系統(Non-repairableSystem)兩大類。下面給出了可修復電力系統的幾個可靠性指標。1.故障率萬方數據華北電力大學碩士學位論文故障率是指設備在規定時間內出現故障的次數，通常用來表示。實際應用中一般按照線路的單位長度、在同一桿架設的線路等進行計算。公式為：c?一故障次數2.修復時間修復時間是指如果一個設備發生故障時，對其進行修復使其正常工作所需要的時間。這個時間通常包括：故障尋找時間、故障清理時間、故障校核時間。故障修復率就3.計劃檢修率計劃檢修率是指設備在規定的暴露時間內計劃檢修的次數。c,一計劃檢修次數μ—計劃檢修率4.計劃檢修時間計劃檢修時間是指某一設備經計劃檢修需要的時間。5.拒動概率拒動概率是指設備繼電保護出現故障而引起設備該動作時不動作的次數。C一拒動次數6.可靠度可靠度是指某一設備初始狀態為正常運行，在一個特定的時間區間內，該設備不發生故障的概率。R(t)一在一個特定的時間區間t內的可靠度電力系統中常用的幾個供電可靠性指標有：(1)供電可靠率P供電可靠率P,可以表示為：p一事件i發生時設備的可使用率F—系統出現故障導致停電的事件總和，即引起系統供電不足(有負荷需要停電)的事件集合。(2)年平均停電時間T,年平均停電時間T,可以表示為：T—一年中的有效時間λ1一事件i的故障率(3)停電頻率f,停電頻率f可以表示為：(4)電力不足時間概率LOLP電力不足時間概率LOLP可以表示為：(5)缺電時間期望值LOLE缺電時間期望值LOLE可以表示為：萬方數據目前國內外學者對于電力系統可靠性的研究，主要有兩個方向：網絡方法和狀態空間法[39-40]。網絡方法重在分析網絡中各個節點是否連通，計算時間短，但是計算結果并不能包含網絡節點間的連通狀態。狀態空間法主要通過列舉出所有可能出現的狀態來計算，這種方法計算量大而復雜，隨著節點數的增多以及元件的增多，系統可能出現的狀態越來越多，狀態空間法的計算量呈指數增長，這使得這種方法僅適用于簡單的系統，在計算復雜系統時難以運用。目前國內外在計算變電站可靠性時主要運用網絡方法。這種方法在計算大電力系統時計算量小，優點十分突出，但是其計算結果的是否真實可信還需進一步分析。如果以線路的連通與否作為可靠性指標，即以出線斷路器連通的頻率和概率作為定量衡量本線路可靠性的指標，這在一定程度是反映了線路在一定時間內出現故障的概率和頻率，但是并不能反映出該變電站的接線特點。目前的網絡方法的研究主要集中在對可靠性模型的改進上，本文結合變電站的特點，對影響可靠性的各元件模型進行優化，希望逐步提高計算結果的可信水平。將設備狀態擴展為五種，即：正常運行狀態、短路狀態、開路狀態、故障檢修狀態、計劃檢修狀態，具體如圖4-1所示：圖4-1可靠性模型圖N—正常運行狀態Fs—短路狀態R—故障檢修狀態M—計劃檢修狀態華北電力大學碩士學位論文S一故障切換率λ一計劃檢修率H一計劃修復率1.事故類型在電力系統中，在不同地點發生不同事故的情況非常多，難以一一列舉，同時在研究中也是完全沒有必要的。本文中，只對那些出現次數較高的故障以及那些雖然出現次數不太多但是一旦發生影響十分巨大的故障進行分析。分析時，結合了電壓等級以及所處的位置，不同情況區別對待，本文主要選擇了三相對稱的短路故障以及開路故障作分主要的事故類型如下表4-2所示：表4-2主要的事故類型元件事故類型斷路器母線隔離開關變壓器發電機進出線短路、誤動短路短路短路短路、開路短路、斷線2.基于最小割集算法的偶發事故枚舉法的基本思路一般的偶發事故枚舉法，在選擇偶發事故時，是根據潮流計算等算法選擇的。選擇事故類型之后，再根據事故的影響程度、事故發生的概率進行排序。選擇偶發事故的原依次類推。通過運用潮流計算等方法得到一組預想事故，根據這些事故對系統的影響，通過連通性算法計算可靠性的基本思路是：根據變電站的電氣主接線，建立設備的拓撲關系；找到系統正常運行的所有事件，對這些事件進行不交化處理，從而推導出系統正常運行的表達式；根據這些表達式，找到影響系統可靠性的因素，最終進行可靠性計算本文應用了最小割集算法，即建立變電站內設備的拓撲關系，通過拓撲結構找到待研究的線路與電源的關系，從而分析引發線路停電的可能事件，最終定量計算可靠性。與連通性算法相比，最小割集算法不需要對系統正常運行狀態進行計算，只需要找到待研究線路與電源之間的最小路，因此高階事件中不會出現低階事件。具體流程如圖4-23.基于最小割集算法的偶發事故枚舉法的具體算法根據基于最小割集算法的偶發事故枚舉法的基本思想，在進行可靠性計算的計算方法是：首先對要研究的主接線圖進行分析，列舉出所有影響線路停電的割集事故，再分析該事故發生所引起的概率和頻率。對于故障的搜索，可以按照如下的方法：分析主接線圖，找到每一回路出線到源點的最小路徑，也就是最小割集。其中包括對應于一重事故、二重事故、三重事故的一階割集、二階割集、三階割集。本文中忽略三階割集以上，因為三重以上的事故幾乎不可能發生。找到一階割集、二階割集、三階割集之后，按照下面方法進行可靠性計算。一階割集：對應于一重事故。由于一重事故表示單個設備發生故障。所以一階割集的故障率就是單個設備發生故障的概率，即單個設備的故障率。一階割集的故障修復時間就是單個設備發生故障時的故障修復時間。如果這個設備存在備用設備，該設備的故障修復時間就是備用設備投運時間。二階割集：對應于二重事故。下面分析計劃修停運與強迫停運同時發生的情況。λ、2一兩個設備強迫停運的故障率x、r?一兩個設備強迫停運的故障恢復時間二階割集的強迫停運時間r,為：計劃修停運與強迫停運同時發生可能有兩種情況：(1)設備1處于檢修狀態，設備2處于強迫停運狀態(2)設備2處于檢修狀態，設備1處于強迫停運狀態這兩個設備的停運率r,可表示為：λm、λm一兩個設備的計劃檢修停運率m、rm?一兩個設備的計劃檢修停運時間三階割集：對應于三重事故。三階割集也應考慮計劃修停運與強迫停運同時發生的情況。但是實際中檢修時一般只有一個設備檢修，因此只分析一個設備檢修兩個設備停運的情況。計算時，只需要先將兩個同時停運的設備的故障率、停運時間等效為一個元件的故障率和停運時間，然后再根據公式4-10、11、12、13,計算即可。4.計算可靠性指標根據上面的分析求出故障率和修復時間之后，就可以求出各個判據下可靠性指標，包括故障停電平均持續時間、可用率、年停電的平均時間、停電頻率。華北電力大學碩士學位論文通過對整個變電站設備的可靠性靈敏度的分析，可以找到對變電站可靠性影響較大的設備，從而找到變電站中的薄弱環節，就可以針對這些薄弱環節采取一些提高供電可靠性的措施，例如加強巡視等，進而提高整個變電站的可靠性，這就是對設備可靠性進行靈敏度分析的最終目的。第i臺設備發生故障時，對變電站供電可靠性的靈敏度系數為：S,—第i臺設備發生故障的靈敏度系數P?一變電站供電可靠率P一最小割集狀態k的等值可用率本章主要對變電站的可靠性算法進行了深入研究。首先分析了變電站可靠性的指標體系，總結了現階段關于變電站供電可靠性的可靠性指標；通過簡化建立了設備的可靠性指標模型；總結了現階段定量計算變電站可靠性的方法，并選擇最小割集算法作為本文計算可靠性的依據。最后，本章從理論上研究了保護裝置對可靠性的影響，同時給出了供電可靠性的靈敏度計算公式。華北電力大學碩士學位論文第5章牛莊變電站的可靠性分析5.1牛莊變電站電氣主接線簡介牛莊變電站于1977年5月31日建成投運，主要擔負著市區東部的工業、農業及居民生活用電。1998年11月改造后實現無人值班。牛莊變電站有110kV、10kV兩個電壓等級110kV采用半高型布置，110kV出線四回，分別與春林變、北郊變、馬村變聯接，是焦作市區主要的電源聯絡點。牛莊變電站主接線形式如下表5-1所示。110kV系統運行方式為，春牛線向110kVI段母線供電，馬牛南線向110kVⅡ段母線供電；110kVI、Ⅱ段母線通過牛110開關并列運行；牛111開關、牛112開關帶兩臺主變運行；110kV北牛線、春牛線接于I段母線，110kV馬牛北線、馬牛南線接于Ⅱ段母線。主接線形式運行方式110kV單母分段I段母線：北牛線，春牛線Ⅱ段母線：馬牛北線，馬牛南線10kV單母分段I段母線：崗水北線，百間房線等Ⅱ段母線：四水東線，冶煉西線等單母分段接線如圖5-1所示。這種接線的特點是，兩組母線通過斷路器(或隔離開關)分段，所有回路通過斷路器和隔離開關連接到各段母線上。(1)接線簡單、明了、清晰。(2)配電裝置造價低、設備布置簡單。(3)操作方便，隔離開關和斷路器之間的防誤閉鎖裝置易于實現，母線發生故障(4)擴建方便。(1)如果母線出現故障或者母線檢修，需要中斷與其所連的的電源。(2)如果母線需要檢修或者故障時，需要將其斷開，母線上連接的出線需要停電。華北電力大學碩士學位論文(3)如果出線斷路器故障或者檢修時，該回線需要停電。單母線接線及單母分段接線的運行方式有：(1)單母線并列(分段斷路器接通)運行。例如圖5-1中的典型單母線接線。單母線分列(分段斷路器斷開)運行，將單母線分段并利用斷路器將分段母線連接起來，就得出單母線分段接線形式。(2)一段母線工作一段母線檢修運行。若一段母線的隔離開關故障需檢修時，可以斷開分段斷路器，將母線分為兩段，一段母線正常運行，另一段故障母線進行檢修。由于出線斷路器檢修或者故障時，本回線需停電。可以將單母線接線、單母線分段接線擴展為單母線分段帶旁母接線。單母線分段帶旁路接線與單母接線相比，一方面具有單母線的接線簡單、經濟的優提高了供電可靠性。單母線分段帶旁路接線的主要缺點是：如果母線需要檢修或者故障時，需要將其斷開，母線上連接的出線需要停電。增加一條旁路母線，增加了一部分投資。雙母線接線如圖5-2所示，雙母線分段接線如圖5-3所示，其主要優點有：(1)運行方式靈活。如果將電源的出線分別分配在兩組母線上，同時運行母聯斷路器，就可以使兩個母線同時運行。也可以斷開母聯斷路器，使得一組母線運行，一組母線備用。(2)母線檢修時不需要中斷供電。當一組母線需要檢修時，可以將該母線上的所有回路通過隔離開關轉移到另一母線上，同時斷開母聯斷路器，不中斷任何線路。(3)一組工作母線故障，僅短時停電。如果一組工作母線發生故障，