500 kV智能變電站220 kV HGIS配電裝置設計優化

況驕庭，周毅，陳建華

(浙江省電力設計院，杭州市 310012)

0 引言

500kV變電站采用復合組合電器(hybrid gas insulated switchgear，HGIS)，可以節約土地、提高開關設備壽命、減少設備維護、提高變電站可靠性、減少擴建停電時間、提高工程可用率。目前，我國500 kV變電站高壓側采用HGIS配電裝置已較為普遍，其設計、運行及維護均較為成熟，然而500 kV變電站中壓側采用HGIS的工程案例尚不多見［1-4］。本文針對500 kV智能變電站220 kV HGIS配電裝置進行間隔設備配置整合、布置形式和構架設計優化，并通過技術經濟分析驗證其可行性。

1 220kV HGIS裝置的工程適應性分析

220kV配電裝置根據其開關設備可分為以下幾種類型:(1)空氣絕緣開關(air insulated switchgear，AIS)型;(2)罐式斷路器型;(3)HGIS型;(4)氣體絕緣開關(gas insulated switchgear，GIS)型。罐式斷路器型僅僅將電流互感器與斷路器進行設備一體化整合，因此可將(1)和(2)劃歸為敞開式類型。而HGIS型與GIS型均將配電裝置各電氣單元設備按間隔進行一體化整合并采用SF6氣體絕緣，不同之處僅在于HGIS型將母線外露。因此，可將(3)和(4)歸為緊湊型。

敞開式配電裝置設備價格便宜，更換單個設備相對容易。但由于設備的電氣部件以及傳動機構等長期暴露在空氣中，承受各種氣候環境的影響，特別是隔離開關，容易出現瓷瓶斷裂、操作失靈、導電回路過熱、銹蝕等問題［5-10］。因此，后期維護、維修甚至更換的費用較高;而且，敞開式配電裝置占地面積大，對周邊環境的影響大，難以適應節約資源和保護環境等方面的要求。

緊湊型配電裝置中GIS在國內已應用較多，其最大的特點就是設備布置高度集成、緊湊，外形尺寸小，適宜布置成全戶內或半戶內變電站，或布置于戶外并與電纜出線相配合，對節省變電站的占地面積、減少配電裝置對周邊環境的影響效果十分明顯。但由于GIS設備集成度過高，擴建需對原有部分放、充SF6氣體，并進行整體耐壓試驗等，停電影響范圍大，且對現場組裝的工作環境和施工工藝要求較高，遠景擴建較為不便。

HGIS配電裝置兼具AIS和GIS的優點。在設備造價方面，220 kV HGIS價格約為GIS的70%;在布置占地方面，HGIS比AIS配電裝置節省約50%。既具有與GIS相同的設備集成度高、技術先進、布置緊湊、維護少、壽命長等優點，還具有以間隔為單位施工安裝、擴建方便且停電時間短、影響范圍小等優點，具有較高的技術經濟性。

我國500 kV變電站的220 kV出線回路數較多(通常不少于16回)，且多采用架空出線，若采用GIS裝置，則往往需要延伸母線，既增加投資又無法有效利用GIS布置緊湊的優點。因此，在500 kV變電站采用220 kV HGIS經濟效益顯著，值得推廣。

2 220kV HGIS間隔設備整合與布置優化

以某500 kV智能變電站工程為依托，進行220 kV HGIS間隔設備整合與布置優化。該工程遠景16線4變，采用雙母線、雙分段接線;本期4線(出線1、2、11、12)2變(1、2號主變壓器)，采用雙母線接線;進/出線單元采用電子式電流電壓組合型互感器，母分/母聯單元采用電子式電流互感器。

2.1 母線設備間隔與母線分段間隔設備整合

常規設計中HGIS配電裝置母線設備間隔通常采用AIS設備，主要原因是GIS電壓互感器、避雷器價格為AIS設備的3倍左右，獨立配置HGIS母設間隔的價格制約因素主要是電壓互感器、避雷器以及空氣套管。為此，將母設間隔與母分間隔設備整合，220 kV HGIS配電裝置各進/出線間隔均裝設避雷器，母設間隔可不裝設避雷器。同時，母設間隔采用電子式互感器，母設間隔與母分間隔合用SF6－空氣套管。整合后的HGIS間隔母設部分造價約為30.5萬元，與采用電子式互感器的AIS母設間隔造價基本相當，從節約母設間隔占地、提高設備先進性和工程設計使用壽命等方面考慮，該整合方案綜合效益顯著。

2.2 母線檢修接地閘刀與間隔單元設備整合

敞開式平行布置的2組管形母線，當一組母線檢修而另一組運行時，因電磁耦合，將在被檢修的母線上感應出較高的電壓，可能危及檢修人員的安全，因此，母線需配置檢修接地開關。常規設計往往配置AIS獨立式接地閘刀，原因是如果單獨設計HGIS母線接地閘刀模塊則工程造價很高，約為AIS獨立式接地閘刀的3倍。

將母線檢修接地閘刀與間隔單元設備整合，220 kV“出線Ⅰ”間隔、“出線Ⅱ”間隔HGIS母線隔離開關母線側配置接地閘刀。由于節省了單獨配置的SF6－空氣套管，使得HGIS母線檢修接地閘刀模塊的造價與AIS獨立式接地閘刀基本相當，甚至還略有節省。

2.3 電子式互感器與間隔單元設備整合

本工程對電子式互感器與HGIS設備進行了一體化設計、一體化安裝。由于電子式電流互感器配置了合并單元，使得傳感單元較常規電磁式互感器減少很多。以220 kV出線間隔為例，常規電磁式電流互感器需配置6～7個二次繞組，而電子式互感器則僅需配置2個空芯線圈+1個低功率線圈，大大節約了HGIS互感器艙體空間，減小了HGIS設備縱向尺寸。采用電容環分壓結構電子式電壓互感器，并與羅氏線圈型電流互感器組合在一起安裝在HGIS中，使得HGIS間隔縱向尺寸可以進一步壓縮。

3 新型220 kV HGIS配電裝置設計方案

3.1 采用局部雙層出線，優化配電裝置總體布局

本工程220 kV接線形式為雙母線雙分段接線，采用戶外懸吊管母線中型、HGIS雙列布置。為使得整個配電裝置場地橫向尺寸與高壓側配電裝置場地相適應，便于圍墻建設規整，提高土地的利用率，220 kV配電裝置局部采用雙層出線。2回出線共用1個跨構架，間隔寬度25 m，為提高高層出線下引線風偏影響電氣距離裕度，雙層出線2回間隔26 m。

3.2 采用大跨度母線梁構架，優化配電裝置縱向尺寸

國網通用設計500－B－4方案220 kV出線間隔斷面如圖1所示。由于500－B－4方案存在母線架中間構架柱a，雙列布置的HGIS之間無法設置道路。本工程220 kV采用雙母線大跨度橫梁，取消母線中間構架柱a，同時取消支柱絕緣子b，出線間隔HGIS與正母線A、B相連接的導線采用鋁管母線。這樣，可將出線排架處檢修道路移至雙列布置的HGIS之間，這為出線排架與母線架設計成聯合構架創造了條件。本工程方案將出線架、進線架以及母線架設計成聯合構架，如圖2所示。

由圖1、2可看出，優化設計方案較之通用設計方案節約縱向占地13 m，節約占地面積2 800 m2，經濟效益顯著。

3.3 雙層出線引線上翻解決方案

220kV出線局部采用雙層出線，由于采用了聯合構架設計方案，縱向空間尺寸緊湊，上層出線引線上翻有2種方案，如圖3所示。本工程采用方案I，即絕緣子串串聯方式解決高層出線引線上翻，合理利用空間距離，避免了構架梁懸挑并采用復合棒式絕緣子斜撐過渡(方案II)，節約投資并降低了施工難度。可在絕緣子串聯處引線上加裝TJ型引線間隔棒避免導線連接處摩擦受損。

3.4 220kV聯合構架設計方案

圖3 高層出線引下線方案Fig.3Scheme of high outgoing line's down lead

220kV HGIS聯合構架設計參照500 kV HGIS聯合構架的形式進行，結合分段間隔布置采用2個聯合部分設計，每個聯合構架部分總長76 m，縮短了構架溫度區段，顯著減少了溫度作用效應，有效減小部分構件的內力，從而減小部分構件斷面，節省用鋼量。出線側構架柱采用垂直單桿柱，并取消聯合構架聯系梁，在高架柱處設置斜桿與母線梁相連，整體受力仍穩定安全，從而大大減少用鋼量。

構架單桿鋼管柱選用φ500 mm×8 mm(Q345)，梁主材選用φ127 mm×8 mm(Q235)。經計算，單桿柱和梁的內力受單側出線覆冰工況組合控制，單桿柱底的最大應力為234、－172 N/mm2，應力比達到75.5%、55.5%左右。在大風工況下，單桿柱頂位移為35 mm，滿足規范要求。風速10 m/s時，梁跨中最大位移為60 mm，滿足規范要求。220 kV HGIS聯合構架設計方案如圖4所示。

圖4 220kV HGIS聯合構架Fig.4220 kV HGIS's united framework

4 技術經濟對比分析

與500－B－4方案相比，本工程方案有以下優點:(1)整個220 kV構架布置采用聯合構架形式，取消了220 kV場地中間構架A字柱，布置檢修通道，優化220 kV場地道路布置，減少新建檢修道路面積540 m2;(2)其中一跨出線采用雙層出線，整個220 kV構架縱向尺寸減少48 m;(3)采用聯合構架形式，橫向尺寸縮減為32 m。這2種方案的經濟性比較如表1所示。

表1 本工程方案與500－B－4方案的技術經濟比較Tab.1Technical and economic comparison between the new scheme and 500－B－4 scheme

由表1可知:本工程方案的遠景設備投資與通用設計方案基本相當;本工程方案的占地指標相當于通用設計方案的65.9%;本工程方案的構架用鋼量相當于通用設計方案的71.4%。本工程方案的經濟技術指標明顯優化。

5 結論

通過間隔設備整合與布置優化可進一步降低220 kV HGIS配電裝置工程造價。本文提出了母線設備間隔與母線分段間隔設備整合方案，母線檢修接地閘刀與間隔單元設備整合方案，電子式互感器與間隔單元設備整合方案。在上述設備整合與布置優化的基礎上，本文提出了針對220 kV HGIS配電裝置的優化設計方案，將出線架、進線架以及母線架設計成聯合構架，將出線排架處檢修道路移至雙列布置的HGIS之間，同時局部采用雙層出線。與通用設計500－B－4方案相比，設備投資基本相當、占地面積節省34.1%、結構用鋼量減少28.6%。

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(編輯:蔣毅恒)