基于半封閉氣體絕緣開關的110 kV 配電裝置拉鏈式布置研究

岳陳熙，王代勇，徐慶鋒

(1.國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410004；2.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

高壓開關設備主要包括空氣絕緣開關設備(Air Insulated Switchgear，AIS)、氣體絕緣開關設備(Gas Insulated Switchgear，GIS) 和半封閉氣體絕緣開關設備 (Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS)[1]。隨著制造技術的發展，GIS、HGIS 已成為智能變電站模塊化建設的關鍵設備，是未來電網發展的方向[2]。

HGIS 是一種新型組合電器，將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器以及相應的控制系統組合在一起，采用套管與架空出線和母線連接，具有多方面的技術優勢和適用性。與AIS、GIS、罐式斷路器相比，HGIS 特征鮮明，在高電壓等級變電站有著廣泛的應用[3－4]。

在?國網基建部關于發布輸變電工程通用設計、通用設備應用目錄(2021 年版) 的通知? (基建技術〔2021〕 2 號) 中，220 kV 及以上電壓等級變電站均有采用HGIS 設備的布置方案。110 kV 變電站因規模較小，接線簡單，HGIS 較多用在改造站[5]、臨時過渡、車載移動變[6]等特殊場合，國家電網有限公司2021 年版110 kV 變電站通用設計中沒有采用HGIS 設備的通用布置方案。國網湖南省電力有限公司(簡稱國網湖南公司) 結合本地實際情況，已在2021 年版通用設計HN－110－C－4方案中將110 kV 配電裝置調整為HGIS 設備。

本文研究一種基于HGIS 的110 kV 配電裝置優化布置方案，通過調整母線側套管布置方向，實現出線間隔、主變壓器間隔呈拉鏈式布置。方案比較表明，拉鏈式布置具有占地小、設備價格合理、全壽命周期費用低、高可靠性、符合使用習慣等優點。

1 110－C－4 方案

1.1 方案簡介

110－C－4 方案是國家電網有限公司2021 版通用設計方案中常用的AIS 建設方案。該方案設置戶外主變壓器兩臺，容量為2×50 MVA；110 kV、35 kV、10 kV 均采用單母分段接線，規劃110 kV架空出線4 回，35 kV 出線6 回，10 kV 出線16 回，35 kV、10 kV 戶內開關柜雙列布置，并聯電容器4 組。

國網湖南公司結合本地實際情況，在2021 版通用設計方案中，將HN－110－C－4 方案的110 kV配電裝置調整為HGIS 設備，110 kV 出線均安裝避雷器，取消母線避雷器，具備擴展第三臺主變壓器的條件。

1.2 方案特點

國家電網有限公司110－C－4 方案采用戶外敞開式AIS 設備，適用于場地大、投資少的場合，推薦圍墻內區域71.5 m×69.6 m，110 kV 區域道路中線至圍墻占地51.7 m×34 m。

國網湖南公司HN－110－C－4 方案采用戶外HGIS 設備，傳動部件密封，可靠性高，具備擴建第三臺主變的場地。推薦圍墻內區域78.6 m×57.6 m，110 kV 區域道路中線至圍墻占地70 m×19 m。

2 方案改進

AIS 受帶電距離影響，設備間距較為固定[7－8]；GIS 占地已壓縮到極致[9]，進一步壓縮會帶來更大的場強、更小的絕緣裕度、更高的故障概率，反而降低設備可靠性[10]；HGIS 具有較強的可塑性和組合特性，空間布局具有較大的優化空間。

為便于比對，以國家電網有限公司通用設計110－C－4 方案內容為基準，規模為戶外110 kV 主變壓器2 臺，容量2×50 MVA，4 回110 kV 架空出線，110 kV采用單母線分段接線，主要研究110 kV配電裝置布置及改進。

2.1 HGIS 設備改進

HGIS 設備外部結構可以根據實際需要進行調整，這為配電裝置優化布置提供了有利條件。為實現出線間隔、主變壓器間隔的交錯、咬合的拉鏈式布置，將HGIS 的出線套管由橫向布置調整為縱向布置。

圖1 為改進后110 kV HGIS 側視圖。從圖1 右半部分可以看到，母線側套管改用縱向布置，可減少各間隔母線側寬度。

圖1 改進后110 kV HGIS 側視圖

圖2 為改進后110 kV HGIS 俯視圖。從圖2看，母線側套管改用縱向布置，縱向距離與110 kV母線寬度基本保持一致；出線側套管采用橫向布置，與傳統出線間隔布置相同。

圖2 改進后110 kV HGIS 俯視圖

圖3 為改進后110 kV HGIS 外觀圖。從圖3 可以看到，母線側套管改用縱向布置，不影響出線側套管橫向布置，間隔設備相對位置與通用設計完全一致。

圖3 改進后110 kV HGIS 外觀圖

圖4 為改進后110 kV HGIS 出線間隔斷面圖，母線構架對地高5.6 m，出線門架對地高10.15 m，采用支撐管母，相間距離取1 500 mm，大于A2 距離(1 000 mm)，出線套管對地圍墻頂大于D 距離(2 900 mm)，符合安全距離要求[7－8]。

圖4 改進后110 kV HGIS 出線間隔斷面圖(單位:mm)

2.2 拉鏈式布置

通過調整母線側套管布置，各間隔母線側寬度由8 m 縮短至3.5 m，出線側采用兩回線共一跨，出線間隔寬度可縮小到7 m。國網湖南公司2021年版通用設計110－C－4 方案采用單回出線一跨，出線間隔寬度7.5 m。

如圖5 所示，拉鏈式HGIS 相間距離2 000 mm，大于A2 距離(1 000 mm)；相對地(構架) 距離1 500 mm，大于A1 距離(900 mm)；兩回出線間距3 000 mm，大于D 距離(2 900 mm)。均滿足安全距離要求[7－8]，在工程中也有應用案例，文獻[11] 給出了核算方法。

改進后的HGIS 單間隔占地呈“凸” 字型布置，如圖2 改進后110 kV HGIS 俯視圖。在母線側將主變壓器間隔和分段間隔與線路間隔交錯布置。為使場地布置緊湊，考慮將110 kV 電壓互感器布置在主變壓器HGIS 設備內部或者母線端部。通過優化布置，110 kV場地橫向寬度減少到34 m，場地縱向長度減少到10.5 m。通過調整HGIS 設備及布局，實現間隔咬合，類似拉鏈型式。即便是擴建第三臺主變壓器，也可以通過對稱延拓實現。

3 方案比較

以110－C－4 通用設計配置為基準，選取AIS、戶外GIS、常規HGIS、拉鏈式HGIS 進行比較。

3.1 占地比較

占地比較以110 kV 配電裝置場地橫向、縱向尺寸作為比較對象，AIS 縱、橫向距離取自國家電網有限公司2021 年版110－C－4 方案，戶外GIS縱、橫向距離取自國家電網有限公司2010 年版110－A1－1 方案，常規HGIS 取自國網湖南公司HN－110－C－4方案，比較結果見表1。

表1 幾種布置方案占地比較 m

通過比較可以看到，在4 回110 kV 出線的條件下，場地橫向距離主要受出線回數的限制，拉鏈式HGIS 布置的橫向距離與戶外GIS 布置相當。拉鏈式HGIS 布置110 kV 場地面積只相當于AIS 場地面積的20.47%，相當于常規HGIS 占地面積的44.16%。對比表明，拉鏈式HGIS 布置能顯著減少橫向、縱向距離，布局緊湊，節省占地效果明顯。

3.2 費用比較

隨著HGIS 設備日臻成熟，設備價格也趨于穩定。制造商調研數據顯示，110 kV HGIS 設備價格約為同類GIS 設備價格的90%。AIS 設備價格雖然只有GIS 設備的50～60%，但不符合變電站模塊化建設的發展方向。

對一項工程而言，設備費用只是全壽命周期費用的一部分，更應該考慮設備全壽命周期總費用。考慮到日常維護工作量及穩定性，有研究表明，HGIS 設備全壽命周期費用最低[12]。

3.3 其他比較

AIS 以節省初期投資成本為特征，GIS 以最小的空間需求為特征，HGIS 則以可靠性極高的單線布置為特征。

從安全角度看。AIS 占地面積大且設備外露部件多，套管和絕緣支柱數量多，易受氣候環境條件影響，不利于安全可靠運行。GIS 因母線采用大量盆式絕緣子，易引發絕緣薄弱事故[13]，故障定位難度大[14－15]，故障檢修時間長。因其結構原因，GIS 產生的特快速瞬態過電壓 (VFTO) 也高于HGIS[16]。HGIS 綜合了GIS 與AIS 的優點，安全性好，可靠性高。

從安裝方便性看。AIS 采用獨立元件安裝，帶電部位多，安全風險大，施工周期長，質量風險點多，不利于模塊化施工。GIS 集成度高，對安裝工藝、環境等要求高，間隔擴建時，一般采用“單一來源” 采購原廠設備，需要母線全停來完成整體耐壓試驗，母線停電時間長。HGIS 各間隔模塊獨立，可采用不同廠家設備，安裝工藝簡單，模塊化施工方便，只需完成單間隔耐壓試驗，母線停電時間短。

從運維便利性看。AIS 設備布置零散，巡視點多，運維便利性差。GIS 設備高度集中，運維便利性好。HGIS 設備雖然母線外露，但各間隔獨立性、直觀性、區分度優于GIS，降低了運維難度。

從故障概率看。AIS 外露部件多，布置零散，易受氣候環境條件影響，故障概率高，雖然故障元件易于更換，但隨著GIS、HGIS 可靠性提高，這一優勢已不明顯。GIS 母線全封閉，母線采用大量盆式絕緣子，易引發絕緣薄弱事故。HGIS 設備雖然母線外露，但母線故障概率低，且HGIS 各間隔隔離性能優于GIS，HGIS 故障概率更低，且故障定位較GIS 更容易。

從應用場景看。AIS 占地面積大，外露部件多，適用于戶外布置。GIS 在戶內、戶外均有應用，將GIS 應用于戶內時，可將其布置緊湊、占地小的優勢發揮到極致。HGIS 在戶內、戶外、非標間隔、移動變電站均有應用，適用性非常廣泛。

從電壓等級適用性看。AIS、GIS、HGIS 均適用于各類電壓等級，均有各類產品應用案例，由用戶根據需要進行選擇。

綜合上述分析，比較結果見表2。結果表明，采用戶外布置時，HGIS 具有占地面積小、全壽命周期費用低、安全性高、安裝方便、運維便利、故障概率低、適用性好等特征。拉鏈式HGIS 較常規HGIS、戶外GIS 占地面積更小，布局清晰，具有很好的應用前景。

表2 幾種布置方案綜合比較

4 結論

本文介紹了HGIS 設備的特點及應用。通過研究國家電網有限公司110－C－4 通用設計方案，提出一種基于改進HGIS 設備的拉鏈式布置。改進的HGIS 設備母線側套管方向由常規的橫向布置改為縱向布置，單間隔占地呈“凸” 字型布置，各間隔在母線下互相咬合，實現雙列交叉，類似拉鏈型式。綜合比較表明，HGIS 具有高度可靠、全壽命周期費用低、安裝運維方便、占地小、適用性好等特征。戶外布置時，拉鏈式HGIS 布置較常規HGIS、戶外GIS 占地更小，布置清晰，易于實現，具有很好的應用前景和推廣價值。