智能化隔離斷路器的應用與變電站設計優化

吳星

(國網福建省電力有限公司泉州供電公司,福建泉州 362000)

智能化隔離斷路器的應用與變電站設計優化

吳星

(國網福建省電力有限公司泉州供電公司,福建泉州 362000)

本文通過對隔離式斷路器(DCB)及其優點的的介紹,提出用智能化DCB替代傳統的由斷路器、隔離開關,電流、電壓互感器等設備組成的變電站220kV、110kV配電裝置間隔,優化變電站配電裝置主接線和總平布置。

智能化隔離式斷路器 電氣主接線 總平布置 優化

1 智能化隔離式斷路器的應用

1.1 隔離式斷路器的定義

根據2005年10月發布的DCB標準IEC62271-108：“DCB即具有隔離開關功能的斷路器，當觸頭在分閘位置時，這種斷路器可以實現隔離開關的功能。”對應國標GB/T27747-2011已于2009年完成，2011年發布。國內的一些開關廠也進行了開發研究，一些產品逐漸投入使用。目前，已經有大量的DCB產品投入電力系統進行商業運行。

1.2 選用隔離式斷路器的目的

圖1

圖2 傳統的間隔方式

圖3 使用一臺智能化DCB代用

歷史上來看，間隔設計的目的是盡可能將斷路器隔離開以便于維護。這是基于斷路器在當時比隔離開關的故障率要高很多。一般的斷路器維護周期是1-2年，而隔離開關的維護周期能達到4-5年。

在實際的應用中，由于隔離開關的觸頭外露，在運行中容易受到雨水、污染氣體的腐蝕，提供觸頭壓力的彈簧部件容易受到腐蝕而彈力衰退；觸頭表面受到腐蝕氧化而導致接觸電阻增加。在冬天，觸頭還可能由于冰凍而是觸頭凍住影響操作。一些隔離開關的傳動部件容易因為缺少潤滑、腐蝕等原因而發生傳動卡滯。因此，處于敞開式運行的隔離開關，相對于密封運行的開關設備，其故障率要明顯高于處于密封運行的斷路器。

相對而言，近二十年，SF6斷路器在110KV以上系統得到廣泛的應用。特別是在采用彈簧操作機構的自能滅弧SF6斷路器，因結構簡單、功能緊湊，其運行可靠性已經達到很高的水平。經過GPMS系統的統計，110KV以上斷路器的可靠性指標為20a，隔離開關的可靠性指標為5a，由此可見隔離開關的可用系數已經遠遠低于斷路器的可用系數，為檢修斷路器而設置的隔離開關已經成為影響間隔正常使用的一個制約因素。近年，一種集成傳統斷路器、隔離開關、電子式電流互感器的電氣設備逐漸成熟應用，這就是隔離式斷路器(Disconnecting Circuit Breakers，簡稱DCB)。

1.3 隔離式斷路器(DCB)的主要組成

隔離式斷路器以傳統式斷路器為基礎進行集成優化，一臺隔離式斷路器至少集成了一臺斷路器和一臺隔離開關的功能，傳統隔離開關的功能通過DCB滅弧室觸頭來實現，從而實現兼備隔離開關功能的斷路器。隔離式斷路器具有三個位置，分別為合閘位置、分閘位置、隔離開關位置。隔離式斷路器的斷路器敞開位置觸頭可作為隔離開關敞開位置觸頭，滿足了隔離開關的功能要求，為檢修線路提供可靠地斷點。由于沒有外漏觸頭，其維護周期可達15年以上。

此外，隔離室斷路器除了集成隔離開關外，還可以集成接地刀閘和電子式電流、電壓互感器，通過一體化制造將一、二次設備高度集成，實現功能組合，節約土地和投資。

1.4 隔離式斷路器的智能化

根據智能電網對于設備狀態可視化的要求，在隔離斷路器的設計和制造中，實現了與在線監測裝置的深度融合，對設備狀態進行監測，提升了設備可靠性，實現了設備功能智能化。通過系統的集成和一體化制造，智能化的隔離式斷路器可以包含一臺斷路器、一組隔離開關、一組接地刀閘、一組電流互感器、一組電壓互感器。從總體上說，智能化隔離式斷路器突出體現以下幾個優點(圖1）：

將電子式互感器集成與斷路器本體實現一體化的工廠制造，取消變電站內獨立電流互感器，節省土地。

通過斷路器同步控制器，控制開合時間，消除暫態電流或電壓，實現開斷或關合的智能控制技術，實現智能滅弧，減少對系統沖擊，提高電能質量。

表1 主接線優化前后對比方案表

圖4 優化后220kV側電氣主接線

圖5 優化后110kV側電氣主接線

圖6 典設方案220kV配電裝置平面布置圖

采用新結構與新工藝，實現斷路器和互感器之間、隔離式斷路器和智能組件間的深度融合，對SF6氣體壓力、密度以及斷路器機械特性進行在線檢測，提高設備可靠性。

“宇晴姐我嗆了好多水，好在湖水溫溫的、清清的，喝下去也是甜甜的。”上官星雨拉宇晴的手，又去摸小鯤，她手上還有那塊立下不小功勞的玉玦呢。

通過智能化DCB的深度集成，在一個間隔中，元件得到大幅度的簡化，如圖2為傳統式的元件配置，圖3一臺智能化DCB即可代用左邊的系列設備。

2 采用智能化DCB優化配電裝置主接線和總平布置

由于智能化隔離式斷路器內部集成了斷路器、接地開關、電流互感器、電壓互感器等元件，斷路器的觸頭兼具斷路器和隔離開關的雙重功能，且帶線路側接地刀閘，因此取消線路側隔離開關，同樣能滿足線路(或主變壓器)檢修時的需要。隔離斷路器設備可靠性較高，接近于GIS設備的可靠性水平，優質產品設計檢修周期可達到20年，若按變電站設計周期40年來算，在整個變電站運行期內，每臺隔離斷路器僅需檢修1次；并且隔離斷路器能與母線同時檢修，因此，可取消母線側隔離開關。可見，隔離斷路器設備的采用，極大簡化了主接線型式。

根據以上思路，我們以國網220kV變電站典設方案220-C-1(10)為樣本，將隔離式斷路器、110kV氣體絕緣母線應用于該站，并在此基礎上對該站的主接線和總平面進行合理優化，以達到提高運行可靠性、降低維護工作量、優化占地面積、節能經濟環保的目的。

2.1 主接線方案優化

國網典設220-C-1(10)方案(以下簡稱典設方案)的終期建設規模為主變壓器3臺180MVA；220kV出線6回；110kV出線12回(表1）。

優化后220kV主接線采用雙母線接線，采用隔離式斷路器，取消主變及線路出線側隔離開關，共9組，見圖4；110kV主接線雙母線接線優化為單母線三分段接線，取消主變及線路出線、母線側隔離開關，共15組，見圖5。(優化前接線圖見國網典設220-C-1(10)方案)。

2.2 配電裝置布置優化

圖7 優化后220kV配電裝置平面布置圖

圖8 典設方案110kV配電裝置平面布置圖

圖9 優化后110kV配電裝置平面布置圖

2.2.1 220kV配電裝置

采用了新型的隔離斷路器優化后，220kV配電裝置采用雙列布置，每個間隔的尺寸從原有的13米優化到11．5米，相間距離由原來的3．5米，減少3．0米，共6個間隔，寬度尺寸由原來的143縮減為69米；兩條主母線為管型母線，母線的相間距離由原來的3．5米，優化為2．5米，經優化后，220kV配電裝置雙列布置的縱向長度43米，比方案一的220kV配電裝置單列布置還減少了11米。見圖7對比可知，優化后的220kV配電裝置的占地面積較小，只有3827m2，只有典設方案的44．3%，共節約占地面積4813m2(約7．2畝)。

2.2.2 110kV配電裝置

典設方案：配電裝置采用雙母線接線方式，母線支架為7米高的T型架，相間距離1．6米，110kV配電裝置布置于母線下方，配電裝置采用單列布置，設備母線套管通過導線直接與母線連接。每個間隔的出線間隔采用寬度為8．0米，間隔總的寬度共8x17=136米。見圖8。

優化方案：配電裝置采用單母線三分段接線，主母線采用結構緊湊、防護等級高、使用壽命長、免維護的氣體絕緣母線(GIB)，110kV設備采用雙列布置，分別布置在主母線的兩側，主母線套管通過導線直接與各間隔設備連接。每個間隔的出線間隔采用寬度為7m的兩跨聯合架構。配電裝置間隔總寬度尺寸由原來的136縮減為70米，縱向深度由原來的37．5米縮減為16．5米。見圖9。

對比可知，優化后的110kV配電裝置的占地面積較小，只有1442m2，只有典設方案的24%，共節約占地面積4558m2(約6．8畝)。

3 結語

采用智能化隔離式斷路器，取消了很多獨立的隔離開關和互感器，簡化了變電站布局，降低了安裝、維護、維修成本，且隔離式斷路器設計檢修周期不大于20a，其故障率遠小于傳統隔離開關，降低了整個變電站設備的全壽命周期費用。

智能化隔離式斷路器整合了隔離開關、接地刀閘、電流、電壓互感器的功能，應用于變電站220kV和110kV系統中，簡化了變電站主接線，縮小了占地面積。同時還節省了大量鋼材，減少了變電站設備基礎及相應的土建工作量，縮短了安裝調試時間。智能化隔離式斷路器的應用，對于變電站的建設和運維，將具有革命性的意義。

[1]彭鵠,田娟娟,陳燕,閆培麗,史京楠.重慶大石220kV新一代智能變電站優化設計[J].電力建設,2013,34(7):30-36.

[2]李勁彬,阮玲,陳雋.應用于新一代智能變電站的隔離斷路器[J].電力建設,2014,35(1):30-34.

吳星(1969—),男,福建泉州人,本科,工程師,主要研究方向:智能電網電力設備。