石油天然气管道站场 110kV变电所设计要点分析(一

石油天然气管道站场110kV变电所设计要点分析（一）彭艮鹏徐福才孙竟(中国石油天然气管道工程有限公司电力室) (西气东输管道分公司甘肃管理处) (中国石油天然气管道工程有限公司电力室)摘要本文较为详尽地介绍石油天然气管道行业中110kV变电站电气一次部分设计要点，对今后大型石油天然气输送站场设计具有一定的现实意义。

一、前言110kV变电所设计是石油、天然气管道特别是大型输油气站场建设中的一项重要工作，其规范性和技术性都很强，许多方面涉及到国家强制性条文的贯彻落实。

要做好变电所设计既要执行国家现行的有关规范和规程，又要满足当地供电部门的具体要求，否则会出现种种问题，影响设计质量和工程进度。

本文结合大型石油及天然气输送管道工程建设实际，对110kV变电所一次部分设计的有关问题进行了较为详尽的介绍，并进行了简要的分析。

二、电气主接线设计变电所电气主接线设计作为电气专业初步设计的一项最重要的内容，是电气设备布置、选择、自动化水平和二次回路设计的原则和基础，是保证输油、气站场终端110kV变电所安全可靠、经济运行的关键。

根据输油或输气工艺要求，对于大型泵站或压气站一般设置有1~3台高可靠性的电力驱动的大功率输油主泵或天然气压缩机。

根据相关规范的规定，其用电负荷确定为一级，应由两个独立电源供电，且每一电源应满足站场全部计算负荷。

因此适合于我国石油天然气管道行业110kV终端变电所的几种电气主接线有：内桥接线、双内桥接线及单母分段接线等几种方式。

具体采用何种主接线方式应根据输油气管道工艺要求、当地电网的实际情况、技术经济比较的结果等综合考虑确定。

变电所电气主接线设计是一项涉及内容比较广泛，综合性较强的工作。

它是整个变电所设计的核心技术，对变电所内电气设备的选择及布置、继电保护及自动装置的设计、变电所总平面布置的设计等都起着决定性的作用。

因此，做好该项设计工作需要设计者考虑一系列相关问题，主要有：系统接入方案、主接线方案的比较与确定、各级电压负荷、主变压器的选择（含电压、容量、阻抗、接线组别、分接头及冷却方式等）、各级电压中性点接地方式、补偿装置的设置、短路电流计算、有关设备配置与选择、所用电系统、主设备保护及安全自动装置、系统继电保护等。

三、设备选型问题1、GIS组合电器对于石油天然气输送站场变电所110kV 部分一般选用GIS成套设备。

所谓GIS是指气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulation Switchgear）。

它将一座变电所中除变压器以外的所有一次设备优化设计成一个有机组合的整体，一般为积木式结构。

总体而言，它由断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线和套管等八大部件组成。

由于GIS占地面积小、可靠性高、安全性好、安装周期短、维护方便等优点，因而在石油天然气输送站场110kV的变电所中得到广泛应用，特别适合目前整个输油气管道站场管理人员素质和电气业务水平参差不齐的现状。

2、COMPASS组合电器目前国内一些高压开关厂开始生产一种名为紧凑型（COMPASS）高压组合电器。

该设备在新建的110kV 变电所中得到应用[1]，反应良好。

与GIS不同的是，这种组合电气是基于间隔的模块化的高压配电装置。

它将常规的一个间隔三个元件合理的组合在一起，采用小车式断路器的结构形式。

开关、互感器等设备为一体式，安装时不需要另行拆装。

母线可采用管母线，间隔至母线考虑了自支撑力使其可以直接连接而不需要任何构架和支撑绝缘子，使变电所接线布置整齐美观。

同时它采用隔离插头代替传统的隔离开关，减少了大量地隔离开关对地绝缘支柱，压缩了设备的占地。

3、GIS 与COMPASS 组合电器比较表1 GIS 组合电器与COMPASS 组合电器的比较在条件允许的情况下，可以适当考虑在输油气站场110kV 变电所采用COMPASS 组合电器。

四、变压器中性点问题110kV 电力系统属于中性点有效接地系统，为限制系统接地故障的短路容量和零序电流水平，目前地方电网中部分110kV 变压器的中性点采取不接地的运行方式。

不接地变压器的中性点在运行中可受到雷电、操作及工频等各种过电压的作用。

由于110kV U ln 及U gn 分别为变压器各绝缘水平中性点的雷电耐受电压值和工频耐受电压值），中性点的绝缘水平较薄弱，因此在实际运行中必须采取各种方式对不接地变压器的中性点进行过电压保护。

目前电力行业关于变压器中性点的保护方式存在众多的讨论，一般认为110kV 变压器采用避雷器并联间隙的过电压保护方式，其配合原则是[2]：雷电过电压时避雷器动作；工频过电压时间隙动作。

其目的是：工频过电压时，间隙动作保护避雷器，雷电过电压时，避雷器动作避免间隙频繁击穿，零序电流保护不必要动作。

根据参考文献[3]的分析，建议对110kV 主变压器中性点过电压保护方式的选择及装置的配置如下：①对于60 kV 级绝缘水平的中性点保护，可直接用Y1W-73/200型避雷器，也可用Y1W-73/200型避雷器并联170mm 的间隙；②对于44kV 级绝缘水平的中性点保护，可用距离在130~140mm 的间隙，也可用Y1W-60/144型避雷器并联140mm 的间隙；③对于中性点绝缘水平是35kV 的变压器，由于绝缘设计上存在弱点，为防止变压器事故，可尽量考虑让此类变压器中性点直接接地运行，或用100~130mm 的间隙。

五、变电所接地设计1、 满足对地电位要求的接地电阻值根据电力行业标准规定[4]，接地装置的接地电阻应符合下式要求：IR 2000≤ （1） 其中I 表示计算用的接地故障电流。

一般而言，随着电力系统的建设发展，变电所占地面积日益减小和短路电流日益增大的情况下，满足上式是比较困难的[5]。

该规范又规定，当接地装置的接地电阻不符合上式的要求时，可以通过技术经济比较增大接地电阻，但不得大于5Ω，且应通过要求采取防止转移电位引起的危害，防止站内3~10 kV 避雷器受到反击并验算接触电位差和跨步电位差，从而改善站内电位的分布，形成一个均衡电位接地系统，所以降低接地电位并不是保证设备和人身安全的唯一手段，均衡电位和限流是保证设备和人身安全比较经济的方法。

2、 验算接触电势、跨步电势要求的接地电阻值根据参考文献[4]，系统发生单相接地或同点两相接地时，接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列值：tU f t ρ17.0174+= （2） t U f s ρ7.0174+=。

（3）其中U t 表示接触电位差，V ；U s 表示接触电位差，V ；f ρ表示人脚站立处地表面的土壤电阻率；t 表示接地短路电流的持续时间，一般取0.08~0.15s 。

3、 满足暂态电压要求的接地电阻值[5]考虑接地短路时电流非周期分量的影响，要求3~10 kV 避雷器不应动作。

工频暂态电压反击要求的接地电阻为：I U U R xgegf 8.1-≤。

（4）其中U gf 表示3~10kV 避雷器工频放电电压下限值，kV ；U xge 表示电力系统标称相电压，kV ；I 表示计算用的入地短路电流值，kA 。

当选用无间隙金属氧化物避雷器时，对3kV 、6kV 及10kV 系统标称电压可分别按上式计算接地电阻允许值的80%、85%及90%确定。

4、 相关具体做法总结笔者对有关文献[5][6][7]做法的总结如下：1) 独立避雷针不应设置在人经常通行的地方，避雷针及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m ，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面。

2) 独立避雷针的接地装置与接地网的地中距离要求不小于3m ；配电装置构架上的避雷针应与接地网相连，并在其附近装设集中接地装置。

3) 对避雷针、避雷器等防雷设备的接地处应设置3~5根水平射线，设置3~5根垂直接地体做集中接地，以加强散泄雷电流的作用。

4) 配电装置构架上的避雷针（含悬挂避雷线的架构）的集中接地装置，应与主接地网连接；电气设备和电缆沟内的接地线与接地网连接点至该接地点的电气距离沿接地体长度不得小于15m 。

5) 由于雷电流经构架避雷针、避雷线或避雷器的接地引下线进入变电所的接地网，在经接地网流入大地时，会造成接地网的局部电位升高，地网附近的电缆沟内的二次保护、计量、通信、控制等低压电缆，如因地网的局部电位升高超过一定数值，接地体的高电位就会向二次电缆反击。

因此，在防雷设备接地处应加强集中接地，同时对电缆沟要另敷均压接地带，并每隔5m 与电缆沟内的接地扁钢相连一次；对二次电缆（特别是屏蔽电缆），其一点接地要选在低压控制仪表处，而在被控制的一次设备处应悬空。

6) 接地网埋深一般取0.6~0.8m 。

7) 接地网的四角做成r ＝D ／2弧型，能比较显著地减小接地网外直角处的跨步电压 。

在变电所的进、出口处，埋设帽檐形辅助均压带，可使跨步电压下降20%～40%，改善这些地面上的电位分布；也可结合道路的施工，采用高电阻率的路面结构层作为安全措施。

8) 采用过小的均压带间距或过多的增加均压带的根数是不适宜的。

一般可采用均压带平均间距为5 m 至10 m 。

当总的均压带根数(纵 、横两个方向之和，包括四周围)小于17根时，长孔的接触电势小于方孔的接触电势,宜用长孔接地网；总的均压带根数大于等于18根时，长孔的接触电势大于方孔的接触电势，宜用方孔接地网。

9) 由于接地网绝大部分部位的接触电势都要比边角网孔电势小，如果在边角网孔地区适当加强均压，补增接地带，或在这些部位采用高电阻率的路面结构层等安全措施后，就可以采用次边角网孔电势来设计均压网，次边角网孔电势比边角网孔电势小20%～30%。

10) 设备的接地都要以单独的接地线接入埋在地中的地网，不能只接到电缆沟的接地带；电力设备每个接地部分应以单独的接地线与接地干线相连；设备接地点应尽量远离避雷针接地引下线的入地点。

11) 装设静态保护的保护屏间应用专用接地铜排直接联通，各行专用接地铜排首末端同时联接，然后在该接地网的一点经铜排与控制室接地网联通。

专用接地铜排的截面不得小于100mm 2。

另外，还应考虑自动化装置就地安装在开关室内开关柜上，开关柜间用专用接地铜排直接联通，各列专用接地铜排首末端同时联接，然后在该接地网的一点经铜排与开关室接地网联通，且截面大于100mm 2。

六、直流系统1、 直流系统选型直流系统是一种在变电所故障失电时为控制保护装置、自动化装置、高中压断路器合分闸机构、事故照明等提供可靠的操作电源和控制电源的重要设备。

其选型要考虑安全可靠、技术先进、合理经济的要求。

鉴于目前输油气站场110kV 变电所一般按无人值守设计，对直流系统安全可靠性方面的要求很高，因此应该选用智能型直流电源系统。

同时由于阀控式密封铅酸蓄电池具有密封良好、无酸无腐蚀、体积小、结构紧凑等特点，已成为无人值班变电站首选蓄电池，因此蓄电池系统应优先选用阀控式密封铅酸蓄电池。