500 kV智能變電站220 kV HGIS配電裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

況驕庭，周毅，陳建華

(浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州市 310012)

0 引言

500kV變電站采用復(fù)合組合電器(hybrid gas insulated switchgear，HGIS)，可以節(jié)約土地、提高開(kāi)關(guān)設(shè)備壽命、減少設(shè)備維護(hù)、提高變電站可靠性、減少擴(kuò)建停電時(shí)間、提高工程可用率。目前，我國(guó)500 kV變電站高壓側(cè)采用HGIS配電裝置已較為普遍，其設(shè)計(jì)、運(yùn)行及維護(hù)均較為成熟，然而500 kV變電站中壓側(cè)采用HGIS的工程案例尚不多見(jiàn)［1-4］。本文針對(duì)500 kV智能變電站220 kV HGIS配電裝置進(jìn)行間隔設(shè)備配置整合、布置形式和構(gòu)架設(shè)計(jì)優(yōu)化，并通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析驗(yàn)證其可行性。

1 220kV HGIS裝置的工程適應(yīng)性分析

220kV配電裝置根據(jù)其開(kāi)關(guān)設(shè)備可分為以下幾種類(lèi)型:(1)空氣絕緣開(kāi)關(guān)(air insulated switchgear，AIS)型;(2)罐式斷路器型;(3)HGIS型;(4)氣體絕緣開(kāi)關(guān)(gas insulated switchgear，GIS)型。罐式斷路器型僅僅將電流互感器與斷路器進(jìn)行設(shè)備一體化整合，因此可將(1)和(2)劃歸為敞開(kāi)式類(lèi)型。而HGIS型與GIS型均將配電裝置各電氣單元設(shè)備按間隔進(jìn)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(xiàn)外露。因此，可將(3)和(4)歸為緊湊型。

敞開(kāi)式配電裝置設(shè)備價(jià)格便宜，更換單個(gè)設(shè)備相對(duì)容易。但由于設(shè)備的電氣部件以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等長(zhǎng)期暴露在空氣中，承受各種氣候環(huán)境的影響，特別是隔離開(kāi)關(guān)，容易出現(xiàn)瓷瓶斷裂、操作失靈、導(dǎo)電回路過(guò)熱、銹蝕等問(wèn)題［5-10］。因此，后期維護(hù)、維修甚至更換的費(fèi)用較高;而且，敞開(kāi)式配電裝置占地面積大，對(duì)周邊環(huán)境的影響大，難以適應(yīng)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境等方面的要求。

緊湊型配電裝置中GIS在國(guó)內(nèi)已應(yīng)用較多，其最大的特點(diǎn)就是設(shè)備布置高度集成、緊湊，外形尺寸小，適宜布置成全戶(hù)內(nèi)或半戶(hù)內(nèi)變電站，或布置于戶(hù)外并與電纜出線(xiàn)相配合，對(duì)節(jié)省變電站的占地面積、減少配電裝置對(duì)周邊環(huán)境的影響效果十分明顯。但由于GIS設(shè)備集成度過(guò)高，擴(kuò)建需對(duì)原有部分放、充SF6氣體，并進(jìn)行整體耐壓試驗(yàn)等，停電影響范圍大，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組裝的工作環(huán)境和施工工藝要求較高，遠(yuǎn)景擴(kuò)建較為不便。

HGIS配電裝置兼具AIS和GIS的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)備造價(jià)方面，220 kV HGIS價(jià)格約為GIS的70%;在布置占地方面，HGIS比AIS配電裝置節(jié)省約50%。既具有與GIS相同的設(shè)備集成度高、技術(shù)先進(jìn)、布置緊湊、維護(hù)少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有以間隔為單位施工安裝、擴(kuò)建方便且停電時(shí)間短、影響范圍小等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

我國(guó)500 kV變電站的220 kV出線(xiàn)回路數(shù)較多(通常不少于16回)，且多采用架空出線(xiàn)，若采用GIS裝置，則往往需要延伸母線(xiàn)，既增加投資又無(wú)法有效利用GIS布置緊湊的優(yōu)點(diǎn)。因此，在500 kV變電站采用220 kV HGIS經(jīng)濟(jì)效益顯著，值得推廣。

2 220kV HGIS間隔設(shè)備整合與布置優(yōu)化

以某500 kV智能變電站工程為依托，進(jìn)行220 kV HGIS間隔設(shè)備整合與布置優(yōu)化。該工程遠(yuǎn)景16線(xiàn)4變，采用雙母線(xiàn)、雙分段接線(xiàn);本期4線(xiàn)(出線(xiàn)1、2、11、12)2變(1、2號(hào)主變壓器)，采用雙母線(xiàn)接線(xiàn);進(jìn)/出線(xiàn)單元采用電子式電流電壓組合型互感器，母分/母聯(lián)單元采用電子式電流互感器。

2.1 母線(xiàn)設(shè)備間隔與母線(xiàn)分段間隔設(shè)備整合

常規(guī)設(shè)計(jì)中HGIS配電裝置母線(xiàn)設(shè)備間隔通常采用AIS設(shè)備，主要原因是GIS電壓互感器、避雷器價(jià)格為AIS設(shè)備的3倍左右，獨(dú)立配置HGIS母設(shè)間隔的價(jià)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(shè)間隔與母分間隔設(shè)備整合，220 kV HGIS配電裝置各進(jìn)/出線(xiàn)間隔均裝設(shè)避雷器，母設(shè)間隔可不裝設(shè)避雷器。同時(shí)，母設(shè)間隔采用電子式互感器，母設(shè)間隔與母分間隔合用SF6－空氣套管。整合后的HGIS間隔母設(shè)部分造價(jià)約為30.5萬(wàn)元，與采用電子式互感器的AIS母設(shè)間隔造價(jià)基本相當(dāng)，從節(jié)約母設(shè)間隔占地、提高設(shè)備先進(jìn)性和工程設(shè)計(jì)使用壽命等方面考慮，該整合方案綜合效益顯著。

2.2 母線(xiàn)檢修接地閘刀與間隔單元設(shè)備整合

敞開(kāi)式平行布置的2組管形母線(xiàn)，當(dāng)一組母線(xiàn)檢修而另一組運(yùn)行時(shí)，因電磁耦合，將在被檢修的母線(xiàn)上感應(yīng)出較高的電壓，可能危及檢修人員的安全，因此，母線(xiàn)需配置檢修接地開(kāi)關(guān)。常規(guī)設(shè)計(jì)往往配置AIS獨(dú)立式接地閘刀，原因是如果單獨(dú)設(shè)計(jì)HGIS母線(xiàn)接地閘刀模塊則工程造價(jià)很高，約為AIS獨(dú)立式接地閘刀的3倍。

將母線(xiàn)檢修接地閘刀與間隔單元設(shè)備整合，220 kV“出線(xiàn)Ⅰ”間隔、“出線(xiàn)Ⅱ”間隔HGIS母線(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)母線(xiàn)側(cè)配置接地閘刀。由于節(jié)省了單獨(dú)配置的SF6－空氣套管，使得HGIS母線(xiàn)檢修接地閘刀模塊的造價(jià)與AIS獨(dú)立式接地閘刀基本相當(dāng)，甚至還略有節(jié)省。

2.3 電子式互感器與間隔單元設(shè)備整合

本工程對(duì)電子式互感器與HGIS設(shè)備進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)、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(guī)電磁式互感器減少很多。以220 kV出線(xiàn)間隔為例，常規(guī)電磁式電流互感器需配置6～7個(gè)二次繞組，而電子式互感器則僅需配置2個(gè)空芯線(xiàn)圈+1個(gè)低功率線(xiàn)圈，大大節(jié)約了HGIS互感器艙體空間，減小了HGIS設(shè)備縱向尺寸。采用電容環(huán)分壓結(jié)構(gòu)電子式電壓互感器，并與羅氏線(xiàn)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(jìn)一步壓縮。

3 新型220 kV HGIS配電裝置設(shè)計(jì)方案

3.1 采用局部雙層出線(xiàn)，優(yōu)化配電裝置總體布局

本工程220 kV接線(xiàn)形式為雙母線(xiàn)雙分段接線(xiàn)，采用戶(hù)外懸吊管母線(xiàn)中型、HGIS雙列布置。為使得整個(gè)配電裝置場(chǎng)地橫向尺寸與高壓側(cè)配電裝置場(chǎng)地相適應(yīng)，便于圍墻建設(shè)規(guī)整，提高土地的利用率，220 kV配電裝置局部采用雙層出線(xiàn)。2回出線(xiàn)共用1個(gè)跨構(gòu)架，間隔寬度25 m，為提高高層出線(xiàn)下引線(xiàn)風(fēng)偏影響電氣距離裕度，雙層出線(xiàn)2回間隔26 m。

3.2 采用大跨度母線(xiàn)梁構(gòu)架，優(yōu)化配電裝置縱向尺寸

國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)500－B－4方案220 kV出線(xiàn)間隔斷面如圖1所示。由于500－B－4方案存在母線(xiàn)架中間構(gòu)架柱a，雙列布置的HGIS之間無(wú)法設(shè)置道路。本工程220 kV采用雙母線(xiàn)大跨度橫梁，取消母線(xiàn)中間構(gòu)架柱a，同時(shí)取消支柱絕緣子b，出線(xiàn)間隔HGIS與正母線(xiàn)A、B相連接的導(dǎo)線(xiàn)采用鋁管母線(xiàn)。這樣，可將出線(xiàn)排架處檢修道路移至雙列布置的HGIS之間，這為出線(xiàn)排架與母線(xiàn)架設(shè)計(jì)成聯(lián)合構(gòu)架創(chuàng)造了條件。本工程方案將出線(xiàn)架、進(jìn)線(xiàn)架以及母線(xiàn)架設(shè)計(jì)成聯(lián)合構(gòu)架，如圖2所示。

由圖1、2可看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較之通用設(shè)計(jì)方案節(jié)約縱向占地13 m，節(jié)約占地面積2 800 m2，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 雙層出線(xiàn)引線(xiàn)上翻解決方案

220kV出線(xiàn)局部采用雙層出線(xiàn)，由于采用了聯(lián)合構(gòu)架設(shè)計(jì)方案，縱向空間尺寸緊湊，上層出線(xiàn)引線(xiàn)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(lián)方式解決高層出線(xiàn)引線(xiàn)上翻，合理利用空間距離，避免了構(gòu)架梁懸挑并采用復(fù)合棒式絕緣子斜撐過(guò)渡(方案II)，節(jié)約投資并降低了施工難度?？稍诮^緣子串聯(lián)處引線(xiàn)上加裝TJ型引線(xiàn)間隔棒避免導(dǎo)線(xiàn)連接處摩擦受損。

3.4 220kV聯(lián)合構(gòu)架設(shè)計(jì)方案

圖3 高層出線(xiàn)引下線(xiàn)方案Fig.3Scheme of high outgoing line's down lead

220kV HGIS聯(lián)合構(gòu)架設(shè)計(jì)參照500 kV HGIS聯(lián)合構(gòu)架的形式進(jìn)行，結(jié)合分段間隔布置采用2個(gè)聯(lián)合部分設(shè)計(jì)，每個(gè)聯(lián)合構(gòu)架部分總長(zhǎng)76 m，縮短了構(gòu)架溫度區(qū)段，顯著減少了溫度作用效應(yīng)，有效減小部分構(gòu)件的內(nèi)力，從而減小部分構(gòu)件斷面，節(jié)省用鋼量。出線(xiàn)側(cè)構(gòu)架柱采用垂直單桿柱，并取消聯(lián)合構(gòu)架聯(lián)系梁，在高架柱處設(shè)置斜桿與母線(xiàn)梁相連，整體受力仍穩(wěn)定安全，從而大大減少用鋼量。

構(gòu)架單桿鋼管柱選用φ500 mm×8 mm(Q345)，梁主材選用φ127 mm×8 mm(Q235)。經(jīng)計(jì)算，單桿柱和梁的內(nèi)力受單側(cè)出線(xiàn)覆冰工況組合控制，單桿柱底的最大應(yīng)力為234、－172 N/mm2，應(yīng)力比達(dá)到75.5%、55.5%左右。在大風(fēng)工況下，單桿柱頂位移為35 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。風(fēng)速10 m/s時(shí)，梁跨中最大位移為60 mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。220 kV HGIS聯(lián)合構(gòu)架設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 220kV HGIS聯(lián)合構(gòu)架Fig.4220 kV HGIS's united framework

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

與500－B－4方案相比，本工程方案有以下優(yōu)點(diǎn):(1)整個(gè)220 kV構(gòu)架布置采用聯(lián)合構(gòu)架形式，取消了220 kV場(chǎng)地中間構(gòu)架A字柱，布置檢修通道，優(yōu)化220 kV場(chǎng)地道路布置，減少新建檢修道路面積540 m2;(2)其中一跨出線(xiàn)采用雙層出線(xiàn)，整個(gè)220 kV構(gòu)架縱向尺寸減少48 m;(3)采用聯(lián)合構(gòu)架形式，橫向尺寸縮減為32 m。這2種方案的經(jīng)濟(jì)性比較如表1所示。

表1 本工程方案與500－B－4方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)景設(shè)備投資與通用設(shè)計(jì)方案基本相當(dāng);本工程方案的占地指標(biāo)相當(dāng)于通用設(shè)計(jì)方案的65.9%;本工程方案的構(gòu)架用鋼量相當(dāng)于通用設(shè)計(jì)方案的71.4%。本工程方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)化。

5 結(jié)論

通過(guò)間隔設(shè)備整合與布置優(yōu)化可進(jìn)一步降低220 kV HGIS配電裝置工程造價(jià)。本文提出了母線(xiàn)設(shè)備間隔與母線(xiàn)分段間隔設(shè)備整合方案，母線(xiàn)檢修接地閘刀與間隔單元設(shè)備整合方案，電子式互感器與間隔單元設(shè)備整合方案。在上述設(shè)備整合與布置優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本文提出了針對(duì)220 kV HGIS配電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將出線(xiàn)架、進(jìn)線(xiàn)架以及母線(xiàn)架設(shè)計(jì)成聯(lián)合構(gòu)架，將出線(xiàn)排架處檢修道路移至雙列布置的HGIS之間，同時(shí)局部采用雙層出線(xiàn)。與通用設(shè)計(jì)500－B－4方案相比，設(shè)備投資基本相當(dāng)、占地面積節(jié)省34.1%、結(jié)構(gòu)用鋼量減少28.6%。

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(編輯:蔣毅恒)