110KV铝电解厂变电站电气一次部分设计
110KV铝电解厂变电站电气一次部分设计
一、前言部分：
通过网络及杂志我们可以发现，近年来一些发达国家的能源不是很丰富，进而导致电力资源不是充足。为了满足国内的需求，减少在网路中的损耗，这些发达国家已经形成了完善的变电设计理论。比较完善的变电站设计理论，是真正的做到了节约型，集约型，高效型。发达国家通过改善优化变电站结构，降低变电站的功率损耗，尽可能地提高变电站的可靠性，尽可能地使变电站的灵活性提高，尽可能地提高经济性。我国电力工业的技术水平和管理水平也正在逐步提高，现在已有许多变电站实现了集中控制和采用计算机监控．电力系统也实现了分级集中调度，所有电力企业都在努力增产节约，降低成本，确保安全远行。随着我国国民经济的发展，电力工业将逐步跨入世界先进水平的行列。变电所是生产工艺系统严密、土建结构复杂、施工难度较大的工业建筑。电力工业的发展,单机容量的增大、总容量在百万千瓦以上变电所的建立促使变电所建筑结构和设计不断地改进和发展。
然而在国内，变电站的设计中仍然存在很多问题，比如可靠性还欠提高。我国经济的发展给电力行业带来两个问题：一是电力能源的需求持续增长，城市和农村用电量和密度越来越来高，需要更多的深入市区农村的变电站，以减少线路的功率损耗，提高电力系统的稳定性等，然而这些变电站占地面积大；二是城区地价昂贵，环境要求严格，在稠密的市区选择变电站址相当困难。在农村，农田的保护非常严格。我国开始开发新的技术，即建设地下变电站。而建设地下变电站可以利用城化绿化带或者利用大厦的地下室。例如前者有上海人民广场，北京王府井220kV变电站，还有北京西单110kV变电站。
现代电解铝工业也在追求高效率、低能耗、低成本、无严重污染的工艺 ,而传统的铝电解槽采用消耗式碳素阳极 ,不仅生产成本高 (约占原铝成本的 5%～ 2 0 % ) ,而且污染严重。因此 ,目前世界各国都在进行能够取代碳素电极材料的研究。本着这种思想，以国内外生产实践为基础，结合我国近几年来铝电解生产中“四低一高”的工艺条件，综合考虑多种因素，对电解中的物料平衡、电压平衡、能量平衡进行了核算。所设计槽体为侧部散热、底部保温型，采用通长半石墨质阴极炭块，阳极投影与阴极正对，采用化学防渗技术与焦粒焙烧技术，以达到延长槽寿命的目的；进电方式采用大面四点进电，以有效减少磁场干扰，保证电解槽生产平稳进行。例如：霍尔-埃鲁铝电解槽经过了一百多年的发展，技术已经很成熟，今后其发展方向意在追求大容量、大型化、自动化程度高的预焙阳极电解槽。
此外计算机的渗透已经达到每一个角落，电力系统也不可避免地进入了微机控制时代，变电站综合自动化系统取代传统的变电站二次系统，已成为当前电力系统发展的趋势。我国变电站综合自动化技术应用的越来越成熟。所谓变电站综合自动化是将变电站的二次设备经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站综合自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替常规控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规的继电保护屏，改变常规的继电保护装置不能与外界通信的缺陷。因此，变电站综合自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域的综合应用。变电站综合自动化系统以其简单可靠、可扩展性强、兼容性好等特点逐步为国内用户所接受，并在一些大型变电站监控项目中获得成功的应用。例如：CBZ-8000变电站综合自动化系统主干网络结构采用光纤自愈环型以太网，在间隔层采用了军工型32位浮点型DSP数据处理器及高精度、免调试的16位AD技术。间隔层设备统一软件平台，统一硬件平台，统一数据库管理。引进了实时多任务Nucleus Plus操作系统。
110kv区域降压变电站是电网建设和电网络改造中非常重要技术环节，所以做好110kv变电站的设计是我国电网建设的重要环节。在目前的电网建设中，尤其是在110kv变电所的建设中，土地、资金等资源浪费现象严重，存在重复建设、改造困难、工频电磁辐射、无线电干扰和噪声等环保问题、电能质量差等问题已成为影响高压输变电工程建设成本和运行质量的重要因素。这已经违背了我国的可持续发展战略。所以110kv变电所需要采用节约资源的设计方案,要克服通信干扰和噪声、既要保证电能质量和用电安全等问题，同时还要满足以后电网改造简单、资源再利用率高的要求。
二、主题部分：
电网从历史发展来看，可以分为四个阶段：电厂直配城市网、省区电网、跨省大区电网和跨大区联合电网.随着用电量不断增长,大型水电、火电和核电的建设,地区间电源与负荷的不平衡以及经济调度的需要,必然要求发展输电和联网,电压等级也随之逐步提高.从最初较低电压水平的6-10kV经历35kV、110kV和220kV,发展到超高压的330kV、500kV和750kV电网,并且还有继续上升的趋势。归纳起来,影响输电电压等级发展的因素主要有四个方面：
⑴长距离输电的需要；⑵大容量输电的需要；⑶电网互联的需要；⑷节省基建投资和运行费用的需要。
基于以上要求采用超高压输电也就在所难免，目前我国已经建成的华中、华东、华北、东北四大电网，都是以500kV网络作为其主干网络，跨大区电网还采用了500kV直流输电技术，部分省区的500kV电网技术已经较成熟，个别省份还在试行750kV输电技术。
我国变电所主要现状是老设备向新型设备转变，有人值班向无人值班变电所转变，交流传输向直流输出转变，国外主要是交流输出向直流输出转变。文献期刊《西北电力技术》针对110kv变电站综合自动化系统的总体设计作了相应的改造：对于设备老化，技术落后等问题也制定了相应的解决方案。近些年来,在变电站内增加了各种功能的微机装置.同时随着计算机技术、通信技术,特别是以太网技术的飞速发展,传统的变电站自动化系统中正逐步被集网络通信、控制、测量和保护信号于一体的网络化变电站自动化系统所取代。
我国的铝冶炼工业经过几十年的发展，取得了前所未有的成绩，2000年氧化铝产量达429万t，铝锭283万t，我国已成为世界铝生产和消费的大国。这一成绩的取得，与科技的贡献是不可分的。而电解铝生产技术在铝生产方面取得了很大的成绩，目前铝全部采用熔盐电解方法生产，其生产设备从较早的单一侧插自焙槽，发展到拥有侧插自焙、上插自焙、预焙槽等各种槽型。
我国铝工业的现状：
(1)投资持续增加，铝厂众多。(2)我国铝电解厂正在向大型化、规模化发展。 (3)实行铝电联营，竞争能力增强。在新建和改造扩建的铝厂中，有的是电厂建铝厂，有的是铝厂建电厂，大部分实行了铝电联营，从而降低了电价，提高
了竞争能力。(4)工业的发展以国内技术为主。新建和改扩建铝厂全部以国内技术为主进行设计，大部分铝厂采用了国产设备，只有部分铝厂引进了一些关键设备。(5)气化铝的发展跟不上电解铝的发展速度。(6)铝加工业发展相对滞后我国铝加工业随着国民经济的发展也在快速发展，但与近几年高速发展的铝电解工业相比，则相对滞后。我国铝加工业的特点是:中低档产品过剩，高档产品短缺。特别是高档板带箔材和工业型材，目前还主要依靠进口。
同时仍存在着很多技术问题： (1)整体机械化装备水平尚待提高；(2)铝电解槽寿命短；(3)自动控制水平尚待进一步提高；
铝电解技术的发展方向：完善大型预焙槽技术；自焙槽改造技术；加强“三场”技术研究。
我国铝工业的发展趋势分析：
(1)稳居世界铝工业大国位置，力争成为铝工业强国；(2)铝工业高速发展对国民经济发展的贡献越来越大。铝金属具有资源性、战略性和储备性，对于国
民经济和国防建设十分重要。(3)铝工业的发展可以带动其他工业的发展铝以其优秀的性能在航空航天业、交通运输业、机器制造业、电力工业、建筑业、包装业以及信息产业等各行各业具有广泛的用途。因此，铝工业的发展必将带动和促进这些行业的发展。(4)铝产品可增加出口创汇。我国铝工业的发展，赶上了一个难得的机遇。一方面因为国际能源危机和环保压力造成铝工业向第三世界转移;另一方面国内经济发展带动了铝消费的增长。我国铝工业在满足国内需求后的唯一出路就是出口。而我国周边国家如日本、韩国和东南亚各国，撼年消费原铝500-6(10万t,而这些国家的铝工业有限，我国向这些国家出口铝具有区位优势。如果每年向这些国家出口铝500万t，按现价可创汇70-75亿美元。
根据设计任务书的要求，本次设计为铝电解厂110kV变电站电气一次部分初步设计，并绘制电气主接线图及其他图纸。该变电站设有6台主变压器，站内主接线分为110kV、6.3kV两个电压等级。各个电压等级分别均采用双母线接线。
技术参数要求：
（1）拟建变电所的概况： 110kV进线2回，有穿越功率100MW；110kV侧负荷为350MW，出线6回，其中带整流变压器4台,4×75MVA，110/6.3kV动力变压器2台；6.3kV侧负荷为50MW，双回出线共28回；
建所的目的：
（2）与系统接线情况：110kV进线2回，其中一回与系统中的水电厂相连接，长度150km，另一回与系统中枢纽变电站相连接、长度20km，
（3）地区自然条件：年最高气温：40℃ ，年最低气温：-5℃，年平均气温：18℃。
（4）可靠性数据：
110kV线路：事故率 1次/（年.km），故障停运时间 ；
110kV断路器：事故率 0.1次/年，故障停运时间 ，年计划建修周期 1次/年，计划检修时间 ；变电站值班人员事故倒闸、处理事故、恢复供电等时间 。
《110kV直降式自耦调压变压器在铝电解整流电源中的应用》中介绍了铝电解负荷对整流电源的技术要求，通过对几种典型调压整流变压器接线方式的优缺点进行了分析和比较。详细论述了直降式自耦调压变压器的结构特性，技术要求及铝电解整流机组的基本参数选择。铝电解负荷对整流电源的技术要求：
（1）按一级负荷要求供电高度可靠性铝电解属于融盐电解,依靠不断地供给电解槽以直流电流,在1000℃左右将包括氧化铝在内的电解质进行加热和电解,生成的熔融铝沉于电解槽下部,连续不断的输入直流电流方能保持电解槽正常生产所需要的槽温.若不能恒定直流电流供电,则影响电解的电流效率和产量;若电流波动较大,将破坏电解槽的热平衡,使槽电压升高,阳极效应增多,严重影响电流效率和产量;若电流严重降低,将影响电解槽寿命甚至破坏电解槽.
（2） 几种典型的调压整流变压器的比较：
1第三线圈带串变的调压方式此种调压的特点是第三线圈与供电主回路没有直接电的连接(第三线圈电压一般为35),只是通过磁耦合,利用串变加极性,减极性和细调抽头来达到改变阀侧电压的目的；2自耦调压方式(1)线端自耦调压，其优点:接线简单,调变结构容量最小,损耗最小,能量传输为电能传输加磁能传输。缺点:抗短路的动稳定性差,尤其是调变二次侧不允许短路;有载调压开关必须采用供电电压110电压等级,且分相设置三个有载开关.目前国内制造水平不理想,需从国外引进,造价高,这种接线方式传统上应用较多.(2)中性点自耦调压，其优点:损耗小,结构简单.网侧供电电压虽为110,但有载调压开关可采用60的一组三相型或型开关,投资较省.能量传输为电能加磁能传输,这种接线方式近来应用逐渐增多,特别是中小型的电解铝厂较常用。缺点:抗短路的动稳定性差,尤其是调变和轻金属整流变之间引线增加一倍,短路故障机会更多;调压范围受到一定限制,为扩大调压范围即使增设无载倒段开关,调压范围也将受到一定限制.(3)双卷变压器调压，其优点:调变结构简单,安全可靠;对有载调压开关的电压等级不受网侧供电电压的限制;这种接线对220及以上电压等级的直降式整流机组是优先可行的.因为目前国外可用于铝电解整流机组的有载调压开关电压等级最高的也仅为损耗大,无论是铜损还是铁损都较大,且变压器总的结构容量最大.根据以上分析,从节能和节省变压器结构容量观点来看,直降式自耦调压整流变压器具有较强的应用价值.近几年的实践也是如此,直降自耦调压整流变压器在电解铝厂得到了广泛的应用.
根据各地不同情况，在借鉴已建110 kV降压变电所设计经验的基础上，对110 kV降压变电所所址的选择、电气主接线的设计、电气设备的平面布置、电气设备选型、防火、防雷、接地、防电磁辐射、防噪声等方面提出一系列设计思路。（1）主变容量和型号的选择是根据负荷发展的要求。包括主变压器型号的选择，冷却方式，有无励磁，有载还是无载调压方式。
（2）电气主接线的设计确定主接线的形式对变电站电气设备的选择、配电装置的布置、供电可靠性、运行灵活性、检修是否方便以及经济性等都起着决定性作用。变电所的主接线应根据变电所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并且满足运行可靠，简单灵活、操作方便和节约投资等要求，便于扩建。供电可靠性是指能够长期、连续、正常地向用户供电的能力。灵活性的基本要求是满足调度时灵活性的要求，满足检修时灵活性的要求以及满足扩建时灵活性的要求，大的电力工程往往要分期建设，从最初的主接线过渡到最终的主接线，每次过渡都应该比较方便，对已运行部分影响小，改建的工程量不大。
（3）短路电流的计算及电气设备的选择根据电力系统接线图及本所电气主接线图，制定短路计算等值网络图，拟订必要的短路计算点，用实用计算法或上机计算出选择电气设备所需的各组短路电流。并将计算值列表备用。所必须的知识点包括：a短路电流的计算方法；b设计中通常以三相短路作为电气设备的选择方法；c根据短路计算网络的具体情况，可按同一变比法或按个别变化法计算短路电流。应选择的电气设备如下：各电压等级的母线、绝缘子、断路器、隔离开关、电压及电流互感器。按正常情况下选择电气设备，按短路情况下校验电气设备的动稳定，热稳定等。对于软母线来说不用校验其动稳定，对于开关来说不用校验其开断能力。
三、总结部分：
110KV降压变电所电气部分设计的研究主要内容是结合相关的设计手册，辅助资料和国家有关规程，主要完成该变电站的一次部分设计，参考国内外最新的设计方法、研究成果和新的电气设备，对降压变电所的电气主接线方案，主变压器的选择，电气设备的选择（包括断路器，隔离开关，熔断器等），配电装置的选择以及防雷保护的设计。主变压器、各侧电压等级的电气主接线和相关一次设备、避雷装置、继电保护装置进行选择。同时，完成变电站一次部分总接线图、110KV变电所平面布置初步设计图和详细设计图。
在设计过程中，我们应该注意紧密结合变电所的生产实际和农网改造及变电所设计要求及国内外变电所设计所存在的问题和困难、与其它电力系统课程相关资料之间的联系。通过合理的电气主接线设计、电气设备合理选择（达到电气设备能够充分合理的利用，既能保证设备容量要求有保证电气设备充分利用资源）、整体布局的紧凑以及综合自动化技术涉及和应用，合理地将通信设施并入主控室，达到简单高效地监控和控制的目的，简化变电所内附属设备，从而达到减少变电所占地面积，优化变电所设计，降低投资的目的。在最后对所有的电气设备，电气主接线，电气设备保护装置等进行优化使整个设计方案能够达到安全、可靠、经济、环保地对用户供电的目的。
从中国电解铝工业现状、铝及铝合金的特性与应用 、国内外铝合金的生产现状、铝电解合金化工业技术的应用等方面，有关"铝电解合金化工业技术的应用与节能减排"的看法有以下几点： 讲到铝电解合金化工业技术的应用，电解铝企业应加大铝电解合金化力度，努力实现铝工业的节能减排；建立以电解铝企业为龙头的铝工业园区，发挥区域效应；采用“重点实验室”等手段，由企业联合高等院校、研究院所创建产学研相结合的技术创新体系。(1)加强管理，增强竞争力。面对国内铝工业的高速发展，绝大多数铝企业都有一种紧迫感。因此，这些企业都强化内部管理，降低成本，提高效益，增强竞争力。(2)兼并重组，是铝工业下一步发展的一个亮点。(3)发展高档铝加工业，提高产品附加值。我国高档铝加工业的发展相对滞后，为了增加产品附加值，避免初级铝大量出口，应加速发展高档铝加工业。特别是高精度铝板带箔材和工业型材，应作为下一步的发展重点。(4)成立铝工业协会，加强行业自律和调控。
四、主要参考文献：
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[13]盛学庆《110kV户内变电所土建设计探讨》.浙江电力局
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