500 kV開關設備選型研究

黃錦明（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門529000）

500 kV開關設備選型研究

黃錦明
（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門529000）

目前，常用的500 kV開關設備主要分為3種，常規敞開式開關設備（簡稱AIS）、復合式氣體絕緣開關設備（簡稱HGIS）以及氣體絕緣金屬封閉式開關設備（簡稱GIS）。該文探討了在工程實際中，如何選擇適宜的開關設備種類的問題。介紹了這3種開關設備的特點，并給出了各種開關設備對應的總平面布置方案，對開關設備的技術經濟性也做了比較。結合500 kV江門站改造的工程實例，提出了每一種開關設備的適用范圍，為工程應用提供參考。

常規敞開式開關設備；復合式氣體絕緣開關設備；氣體絕緣金屬封閉式開關設備

隨著電網建設的發展，變電站數量大幅增加，對超高壓開關設備的性能、可靠性、小型化等方面的要求也越來越高。目前，超高壓開關設備主要有：常規敞開式開關設備（簡稱AIS）、復合式氣體絕緣開關設備（簡稱HGIS）以及氣體絕緣金屬封閉式開關設備（簡稱GIS）等三大類。這三類開關設備有各自的特點，適用于不同的情況。本文對不同種類的開關設備的特點進行分析，比較各種開關設備對應的總平面布置方案，并對這三類開關設備的技術經濟性進行比較，有助于在特定條件下選擇合適的開關設備，在工程實際中有一定的參考指導意義。

1　不同種類開關設備的特點

1.1常規敞開式開關設備

常規開關設備在電網中的運行經驗豐富，且價格相對便宜，故目前在變電站的設備選型中仍處于主導地位。同時近年來隨著設備制造水平的不斷提升，常規電氣設備的性能已有了很大的提高，如500 kV瓷柱式斷路器由原先的雙柱四斷口結構發展到如今的單柱雙斷口結構，開斷能力由原來的40 kA發展為如今的63 kA。但常規設備占地面積較大，元件多、故障幾率相對較高，可靠性相對較差[1]。

1.2復合式氣體絕緣開關設備

HGIS（hybrid gas insulate switchgear）是介于AIS和GIS之間的一種復合式氣體絕緣開關設備，它兼有二者的優點，它將變電站中除變壓器、母線以外的一次設備，包括斷路器（GCB）、隔離開關（DS）、接地開關（ES）、快速接地開關（FES）、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、避雷器（LA）、架空套管（BSG）等，按不同的主接線及平面布置的要求將有關元件聯成一體，構成一種沒有母線的組合式高壓電器。它具有可靠性高，安裝周期短，維護工作量小等優點，而且由于它母線敞開，比GIS擴建更方便。但和GIS相比，占地面積較大，同時設備造價高于AIS[2]。

1.3氣體絕緣金屬封閉式開關設備

GIS（gas insulate switchgear）與HGIS結構類似，在HGIS的基礎上將母線也密封在金屬外殼中，受外界條件的影響更小。它具有占地面積小，運行可靠性高，防污及抗震性能好，安裝周期短，維護工作量小等優點[3]。但存在設備造價高、內部檢修及事故時的影響范圍大、遠期擴建不便等問題，使得GIS的應用受到一定限制。

2　總平面布置方案比較

不同種類的開關設備對應不同的總平面布置方案，對三種開關設備的布置方案進行分析，給出各布置方案的特點。

2.1AIS設備布置方案

500 kV配電裝置選用常規開關設備，采用懸吊式管型母線斷路器三列中型布置，即主變壓器進線回路與出線回路相互垂直。母線布置在兩側，配電裝置采用三排中間構架，出線間隔寬度為28 m。主變低進，出線高出，500 kV主變進線的導線懸掛高度為19 m，主母線懸掛高度為20.5 m，間隔內上導線懸掛高度為27 m。母線隔離開關采用單臂垂直伸縮式，串內隔離開關采用組合式水平開啟型。

根據配電裝置尺寸的校驗，設備相間距離取8 m，相對地距離為6 m。設備支架高度，主要由設備間連線對地距離和連線對相間運輸道路的安全距離所決定；構架的高度由設備的高度以及相對地距離，不同時停電檢修等因素所決定。這種布置有下列特點：

1）布置緊湊，占地面積小。

2）布置與接線對應，接線清晰。

3）主變采用低構架橫穿方式，簡化了構架。

4）線路可以正向出線，也可反向出線，使電源分別接在兩組母線上。

5）構架簡單，鋼耗量低，可采用大檔距導線。

6）兩組母線布置在兩側，距離遠，停電檢修時，感應電壓小。

7）采用懸掛式硬管母線，具有施工較方便，抗震性能好，投資相當，適用范圍廣等優點，在國內已有多年的運行經驗。

8）檢修與維護設備的工作量較大，土建支架較多。

9）施工安裝周期較長，設備的安裝運行受周圍環境的影響。

2.2HGIS設備布置方案

HGIS的布置有以下3種組合方式[4]：

1）“3+0”方式：以斷路器為單元，3個斷路器單元連成一個整體構成一個完整串，如圖1所示。

圖1　方式1的HGIS布置圖Fig.1HGIS section of mode 1

此布置方式的優點是進出線側可配置隔離開關，設備可靠性高，較適合于一個完整串一次性建成。缺點是擴建及檢修不方便，布置不夠靈活，尤其是出線反跳時。

2）“2+1”方式：以斷路器為單元，2個斷路器單元聯成一個整體，另1斷路器單元獨立，中間通過軟導線連接構成一個完整串，如圖2所示。

圖2　方式2的HGIS布置圖Fig.2HGIS section of mode 2

此布置方式的優點是布置較靈活，尤其是出線反跳時，設備可靠性較高，較適合于首期為不完整串的建設，擴建中間斷路器單元時解開斷路器中間的連線后，線路仍可繼續運行，擴建后再將連線接回，僅解線和接線時短時停電。缺點是進出線用軟導線連接側不能配置隔離開關，與“3+0”方式相比每串設備增加3只出線套管，設備費用投資稍大。

3）“1+1+1”方式：以斷路器為單元，3個斷路器單元均獨立，通過軟導線連接構成一個完整串，如圖3所示。

圖3　方式3的HGIS布置圖Fig.3HGIS section of mode 3

此構造方式的優點是布置較靈活，較適合于首期為不完整串（線-線串）的建設，擴建和更換設備時為插接式，非常方便，出線僅須短時停電（解開中間的連線及擴建后接回連接線時）。缺點是進出線側不能配置隔離開關且不適合出線反跳的布置（場地受不反跳串的限制，否則須加大場地），與“3+0”方式相比每串設備增加6只出線套管，設備費用投資稍大。

目前廣東地區已投產的采用HGIS設備的500 kV變電站均采用“2+1”方式，布置型式采用懸吊式管型母線斷路器三列中型布置，主變壓器進線回路與出線回路相互垂直。母線布置在兩側，配電裝置采用三排中間構架，出線間隔寬度為28 m。主變低進，出線高出，500 kV主變進線、主母線的導線懸掛高度為20.5 m，間隔內上導線懸掛高度為27 m。

根據配電裝置尺寸的校驗，設備相間距離取8 m，相對地距離為6 m。設備支架高度，主要由設備間連線對地距離和連線對相間運輸道路的安全距離所決定；構架的高度由設備的高度以及相對地距離，不同時停電檢修等因素所決定。這種布置有下列特點：

1）布置緊湊，占地面積小。

2）間隔內設備少，檢修方便，維護工作量小，土建支架大大減少。

3）布置與接線對應，接線清晰。

4）主變采用低構架橫穿方式，簡化了構架。

5）線路可以正向出線，也可反向出線，使電源分別接在兩組母線上。

6）構架簡單，鋼耗量低，可采用大檔距導線。

7）采用懸掛式硬管母線，具有施工較方便，抗震性能好，投資相當，適用范圍廣等優點，在國內已有多年的運行經驗。

8）施工安裝周期較長，設備的安裝運行受周圍環境影響。

2.3GIS設備布置方案

目前廣東地區已投運的采用500 kV GIS的變電站有2個，均采用戶內單列式布置，兩個間隔中心距離寬27 m。GIS配電室寬13 m，高11 m，室內配置安裝檢修吊車。出線通過GIS管道引出戶外與27 m寬、25 m高的門型構架連接；主變進線通過GIS管道引出戶外與主變套管連接。這種布置有下列特點：

1）布置緊湊，占地面積小。

2）施工安裝周期短，維護工作量小。3）布置與接線對應，接線清晰。

4）GIS戶內安裝，不受周圍環境影響。

5）500 kV設備支架大幅減少，500 kV構架型式簡單，只有出線門型構架。

6）GIS內部檢修或事故時影響的范圍較大。

3　AIS、HGIS、GIS方案的技術經濟性比較

依據這3種開關設備的特點，對各方案的技術經濟性進行比較，如表1所示。

分析表1，AIS方案造價便宜，擴建方便，運行業績多，但安全可靠性、防污及抗震性等相對較差，同時維護的工作量大，施工安裝時間長，占地面積大。HGIS方案的安全可靠性、防污及抗震性、擴建的方便性較好，維護工作量與施工安裝工作量較小，占地面積較小，有一定的運行業績，但造價較高。而GIS方案的安全可靠性、防污及抗震性好，維護工作量、施工安裝工作量小，占地面積小，有一定的運行業績，但造價高，擴建的方便性較差，同時維修時影響的范圍較大[5-6]。

4　工程設備選型實例

對3種開關設備的特點、對應的平面布置方案以及技術經濟性進行了分析與比較，接下來結合500 kV江門變電站改造時開關設備選型的實例，依據變電站的地理位置、重要性與建設條件等選擇合適的開關設備種類。

表1　AIS、HGIS、GIS方案的技術經濟性比較Tab.1Techno-economical comparisons among AIS，HGIS and GIS

4.1從變電站的地理位置來看

500 kV江門變電站位于廣東省江門市東北8 km的蓬江區杜阮鎮松園鄉，是廣東省第一座500 kV變電站，由于變電站建設初期按照交直流合建規劃，因此站內有大片空余場地，從AIS、GIS、HGIS設備占地情況來看，目前，空地的位置僅適于布置GIS、HGIS設備，但GIS設備價格過于昂貴，故采用設備費用相對較低，檢修與擴建方便的HGIS設備是很適宜的。

4.2從變電站在電網中的重要性來看

500 kV江門變電站對于改善江門地區220 kV電網結構，提高電網的安全性和可靠性，滿足江門市西部負荷的發展起到重要作用。而且它是糯扎渡直流電力送入江門的第一個樞紐變電站，要求有很高的可靠性。HGIS與GIS設備由于其主要組成元件均封閉在金屬殼體內，故其可靠性優于常規開關設備[7]。由于HGIS設備的母線布置于戶外，一旦故障對HGIS設備本體的影響較小，因此，采用HGIS更加合理。

4.3從分期建設情況來看

若采用GIS則擴建時運行中的設備需停電對接，而采用HGIS則不存在此問題，首期為不完整串的建設，在擴建中間斷路器單元時解開斷路器中間的連線后，線路仍可繼續運行，擴建后再將連線接回，僅解線和接線時短時停電，擴建十分方便。

5　結論

通過對AIS、HGIS、GIS開關設備所對應的總平面布置方案與技術經濟性進行比較，并結合500 kV江門變電站改造時開關設備的選型實例，得出如下結論：

1）AIS方案造價便宜、擴建方便，運行經驗豐富，但占地面積大，安全可靠性相對較差，同時設備的運行維護工作量大。HGIS方案擴建較方便、占地面積較小，安全可靠性較好，維護工作量較小，但造價較高。而GIS方案占地面積小、安全可靠性好，維護工作量小，但造價高、擴建不方便，同時維修時影響的范圍較大。

2）有足夠的設備場地、對變電站的安全可靠性沒有很高的要求，并考慮后期的擴建，建議選用價格便宜同時有豐富運行經驗的AIS方案。

3）設備場地較緊張，對變電站的安全可靠性要求高，并考慮擴建靈活方便，建議選用綜合成本較低、維護工作量較小的HGIS方案。

4）設備場地緊張，建設周期短，環境條件惡劣，對變電站的安全可靠性要求高，建議選用維護工作量小的GIS方案。

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（編輯徐花榮）

Research on Selection of the 500 kV Switchgears Equipment

HUANG Jinming
（Jiangmen Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Jiangmen 529000，Guangdong，China）

At present，there are three kinds of common 500 kV switchgears，namely air insulated switchgear（AIS），hybrid gas insulated switchgear（HGIS）and gas insulated switchgear（GIS）.This paper focuses on how to choose the most appropriate type of switchgear.The characteristics and the corresponding scheme of general layout of each kind of the switchgears are elaborated，and techno-economical comparisons are made.Based on the actual case of the 500 kV Jiangmen Substation Innovation project，the paper recommends the application scope of each kind of switchgear with useful reference for engineering applications.

air insulated switchgear；hybrid gas insulated switchgear；gas insulated switchgear

1674-3814（2015）06-0083-05

TM56

A

2014-12-17。

黃錦明（1974—），男，大學本科，電氣工程師，認證的國際項目經理IPMP，現從事電網生產運行管理。