基于GIS設備的智能變電站電氣接線方案優化研究

王椿豐，熊　靜，衛銀忠，陳　斌

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京211102）

基于GIS設備的智能變電站電氣接線方案優化研究

王椿豐，熊靜，衛銀忠，陳斌

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇南京211102）

根據新一代智能變電站"系統高度集成、結構布局合理、裝備先進適用、經濟節能環保、支撐調控一體"的指導思想，結合江蘇某220 kV新一代智能變電站的特點，深入研究了變電站主接線型式。提出了基于封閉組合電器（GIS）設備的電氣主接線優化設計方案，并與目前常規變電站的接線型式進行了技術經濟比較，對于今后智能變電站的建設具有一定的借鑒意義。

智能變電站；GIS；電氣主接線；優化設計；可靠性分析

智能變電站是伴隨著智能電網的概念而出現的，是智能電網的重要基礎和支撐［1，2］。自2009年7月，國家電網公司先后組織開展了2批智能變電站試點建設工作，并在此基礎上總結成果經驗，并融合了全壽命周期、兩型一化等創新設計理念，于2011年開始全面推廣“兩型一化”型智能變電站建設工作［3-6］。伴隨著智能電網技術的發展以及一次設備和電子技術的最新成果，智能變電站的發展進入到一個新的階段，為促進新技術新設備的應用，引導設備研制，從設計的角度，積極探索和開展新一代智能變電站設計和優化是及其必要的［7，8］。本文通過研究智能變電站電氣一次設備的特點和可靠性，結合最新的一次設備制造成果和運行管理經驗，對新一代智能變電站接線型式進行了研究和優化。

1　封閉組合電器的特點

隨著電氣設備技術的進步以及制造工藝的提高，氣體絕緣開關設備（GIS）在智能變電站建設中得到越來越廣泛的應用。GIS憑借著電氣元件的高度集成和精湛的制造工藝，實現了20年基本免維護。組合電器設備制造水平的提高主要表現在以下幾個方面：

（1）斷路器的開斷能力和開斷次數大大提高，常規定時檢修的設備管理方法，已經被設備的狀態檢修理論代替。

（2）旋轉式多工位隔離開關的推廣使用，使得GIS隔離開關使用壽命大大提高。對于老式的AIS隔離開關，使用壽命是使用年限決定的，每年操作幾次的設備要比幾年都不操作一次的設備更耐用。這是因為老式的AIS隔離開關一次部分使用壽命一般取決定于設備的電腐蝕、表面氧化和絕緣子的老化等因素，二次部分使用壽命取決于直流電機絕緣老化和傳動機構的操作連桿、拐臂、轉軸的腐蝕、生銹、氧化等因素。對于GIS設備，由于一次設備大部分密封于SF6絕緣氣體的氣室內，二次傳動機構的連桿、拐臂、轉軸也全部或大部分是封閉狀態，從而避免了外界環境影響而造成的腐蝕、生銹、氧化等問題。

（3）GIS采用的三工位隔離/接地開關，使用新型觸指，可以使隔離開關（DS）與接地開關（ES）結構合二為一，動觸頭公用，變直動操作為轉動操作，且公用一個操動機構。這種新型全密封組合隔離開關的特點：

① 解決了戶外AIS高壓隔離開關的四大常見問題即：瓷瓶斷裂、操作失靈、導電回路過熱和銹蝕；

② DS-ES合一，整體結構優化，尺寸顯著變小；DS與ES結合的三工位結構，不存在常規DS和ES間各種可能的誤操作，因此可省略DS和ES的電氣操作聯鎖，提高產品運行可靠性；

③ DS-ES與母線緊湊布置，設備尺寸大大縮小；

④ 組合電器設備母線比AIS的母線少了很多閃點，而且GIS的套管達到了III級以上的防污水平，不需要清掃維護，也減少了母線停電檢修的幾率。

正是得益于電氣一次設備的發展及制造工藝的提高，使得基于GIS設備的智能變電站主接線型式優化成為了可能。本文以正在試點建設的新一代智能變電站——江蘇某新一代智能變電站工程為依托，研究基于GIS配置的智能變電站接線型式進行優化，并對優化后的主接線型式的可靠性、經濟性進行對比和分析。

2　常規GIS接線型式及元件配置

由于江蘇地處東南沿海，變電站站址污穢等級較高，同時，江蘇經濟發達，人口密度較高，為減少變電站占地面積，目前省內的新建220 kV智能變電站通常采用GIS設備，其220 kV/110 kV電氣主接線通常采用雙母線接線［9］，常規接線簡化示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，雖然采用了GIS組合電器，但電氣主接線中的電氣元件配置和常規AIS設備時并無區別。出線間隔采用1臺斷路器配置3組隔離開關；斷路器兩側、線路（主變）側均設置檢修用地刀。這樣的配置固然對傳統的運行、維護、檢修習慣沒有改變，但并沒有體現GIS設備的特點，可以進一步優化。

圖1　常規GIS接線簡化示意圖

3　GIS元件配置優化方案

3.1優化依據

目前在世界上很多國家的高壓組合電器產品，都在推廣使用更為簡化的接線方式：一臺斷路器配一組隔離開關，改變以往的固定模式：一臺斷路器的兩端各配一組隔離開關。目前國內很多電力公司已經接受了這種概念，實踐已經證明這種接線能夠適應絕大多數應用范疇。

斷路器兩端裝設隔離開關的初衷是為敞開式（AIS）斷路器現場檢修提供必要的安全隔離，以保證在周圍設備帶電運行的環境下，斷路器的正常檢修維護。GIS組合電器為斷路器、隔離接地開關、電流電壓互感器高度集成的設備，采用氣體絕緣，結構緊湊，即使斷路器兩側隔離開關都打開，檢修部分與帶電部分間僅有一個隔離開關斷口，也不能在線解體檢修。且斷路器氣室打開后，相鄰氣室也需降壓或放氣，相鄰氣室內設備需退出運行。GIS組合電器的隔離開關是為外部設備（例如線路、主變等）提供安全隔離的，對GIS內部也就是為調試斷路器提供安全隔離而已。由此可見GIS內部斷路器兩側的隔離開關的作用已經較傳統的功能發生了重要轉變。

通過咨詢調研，國內外很多制造廠明確指出其生產的斷路器在規定的運行環境下25年內沒必要解體維護或檢修。因此為斷路器檢修設計的斷路器兩側隔離開關就失去（或者說極大地消弱）了存在的必要性和實際應用價值。通過對系統運行方式的分析發現，雙母線/單母線接線方式下，出線側隔離開關總是與斷路器同時退出、投入運行，僅起到為斷路器檢修提供安全隔離的作用，本文正是基于此來研究取消出線側隔離開關對系統安全運行的影響。

220 kV GIS元件接線配置優化具體設想如下：線路間隔取消線路側隔離開關，僅保留快速接地開關，同時在原隔離開關位置設置隔離斷口。隔離斷口正常運行時作為回路導體的一部分，檢修時手動拉開形成一個斷口，起隔離保護作用。優化后的設計方案如圖2所示。

圖2　出線間隔取消線路隔離開關加裝隔離斷口

3.2優化方案與常規接線方案的技術經濟對比

3.2.1對操作運行的影響

2種接線方式技術比較如表1所示。

表1　2種接線方式技術比較表

由表1可見，2種接線方式均能滿足正常運行及檢修要求，不同處僅在于取消出線側隔離開關后斷路器檢修時，需對側開關分閘，而方案2無需對側分閘。從運行單位了解，方案2斷路器檢修時雖然理論上無需對側分閘，但實際檢修時對側仍然分閘。取消出線側隔離開關后，需注意工程啟動時不同運行單位職責的區分。送電線路的啟動試運行根據DL/T 782—2001《110 kV及以上送變電工程啟動及竣工驗收規程》6.4.1條要求：“系統調試完成后經連續帶電試運行時間不少于24 h，并對線路以額定電壓沖擊合閘3次（如沖擊合閘在系統調試時已做，試運行不必重復進行），線路的啟動試運行宣告結束”。

優化方案取消線路隔離開關，線路將直接沖擊至斷路器處，如果存在缺陷和異常情況，對于線路兩側屬于不同運行單位的情況，需要區分線路設備和變電設備職責。取消出線側隔離開關后，運行人員在線路改檢修操作時，需要先將開關的母差TA脫離母差回路；母差保護具備母差TA按母線閘刀位置自動切換的，應檢查切換情況，然后再合上線路接地閘刀。

3.2.2可靠性分析

簡單的結構設計將會帶來設備可靠性指標的提高，一組隔離開關的可靠性比兩組隔離開關串聯的可靠性要高。后者增加了一個操作機構、一組活動接觸點、多個密封法蘭，將會增加機械、通流、氣體泄漏故障的概率。隔離斷口在正常運行時作為導體的一部分，可以認為其作為斷路器的一部分。本文以正在開展的江蘇某新一代智能變電站工程為依托，分別采用常規GIS配置接線型式和采用優化后GIS配置接線型式進行可靠性分析和比較。江蘇某220 kV變電站主要建設規模及接線型式如下：

遠景3×240 MV·A主變壓器，電壓等級220/110/10 kV，本期建設1×240 MV·A主變壓器；

220 kV出線遠景10回，本期8回，本期及遠景均為雙母線接線；

110 kV出線遠景12回，本期8回，本期及遠景均為雙母線接線；

10 kV出線遠景36回，本期12回，本期單母線分段接線，遠景單母線六分段環形接線。

選取220 kV配電裝置本期電氣接線為計算實例，即1變8線的雙母線接線為型式，分析和研究采用優化后的接線型式對可靠性的影響，并與傳統的接線型式的可靠性進行對比。

計算中采用清華大學開發的發電廠/變電所電氣主接線可靠性評估軟件 SSRE-TH（station and substation reliability evaluation-Tsinghua University）。該軟件能夠對變電站的電氣主接線進行可靠性及經濟性評估，可靠性評估中考慮三重及以下元件故障。所計算的可靠性指標涵蓋了連續性、充裕度和安全性3個方面，其中故障概率、停電頻率、期望故障受阻電力、期望故障受阻電能是關注度比較高的幾個指標，分別反映了停電時間的長短、故障頻次的多少以及造成停電損失的大小［10］。

SSRE-TH中采用的電氣主接線可靠性指標如表2所示。通過計算得到的可靠性指標如表3所示，其故障率、年停電平均時間、期望故障受阻電力指標均有所改善。

表2　可靠性指標

表3　可靠性對比分析

3.2.3經濟性比較

通過咨詢國內的大多數GIS設備制造廠家，其對220 kV GIS的一組隔離開關加1組接地開關的報價在15萬元左右，110 kV約在10萬元左右。本工程220 kV本期出線8回，遠景10回，110 kV本期出線8回，遠景12回出線，取消出線側隔離開關本期可節省投資200萬元，遠景可節省投資270萬元。

4　結束語

綜合上述，對GIS進行元件配置的優化既能滿足系統運行的可靠性要求，又能提高運行操作的安全性。雖然由于元件配置的優化對傳統的運行、維護、檢修習慣需要作出改變，但是這些改變更加符合國網公司三集五大建設體系的要求。通過優化元件配置，不但可以節約大建設和大檢修階段設備全壽命周期的投資，還可以滿足大運行階段對于智能化變電站無人值守的要求。以新一代GIS智能變電站——江蘇某220 kV變電站為例，針對優化前后的主接線進行了可靠性和經濟性分析和對比，分析和計算結果表明優化后的主接線型式可靠性和經濟性均有所提高，本文的主接線優化結果已在國家電網公司新一代智能變電站試點工程——江蘇某220 kV變電站中得到應用。因此推薦220 kV/110 kV GIS采用優化元件配置的方案，即取消出線側隔離開關，僅保留快速接地開關，設置一個隔離斷口的主接線配置方案。

［1］Q/GDW 383—2009智能變電站技術導則［S］.

［2］沈富寶，王中秋.蘇州首座220 kV智能變電站分析［J］.江蘇電機工程，2015，34（2）：45-48.

［3］黃新波，賀 霞，王宵寬，等.智能變電站的關鍵技術及應用實例［J］.電力建設，2012，33（10）：29-33.

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［9］郭日彩，許子智，徐鑫乾.220 kV和110 kV變電站典型設計研究與應用［J］.電網技術，2007，31（6）：23-55.

［10］徐小寧.變電站主接線方式可靠性評估與方案優選［J］.電工技術學報，2015，30（12）：441-446.

王椿豐（1986），男，遼寧營口人，工程師，從事變電站電氣設計工作；

熊靜（1979），男，江蘇靖江人，高級工程師，從事變電站電氣設計工作；

衛銀忠（1969），男，寧夏銀川人，高級工程師，從事變電站電氣設計工作；

陳斌（1986），男，湖北黃岡人，工程師，從事變電站電氣設計工作。

Main Electrical Connection Optimization of Smart Substation Based on GIS Equipment

WANG Chunfeng，XIONG Jing，WEI Yinzhong，CHEN Bin
（Jiangsu Power Design Institute Co.Ltd.，of China Energy Engineering Group，Nanjing 211102，China）

According to the"highly integrated system，reasonable structure and layout，advanced and applicable equipment，economical，energy saving and environmental protection，support of integrated control"guiding ideology of the new generation of smart substation，and combing the characteristics of a new 220 kV generation of smart substation in Jiangsu province，this paper studies the main electrical connection mode in substations.The optimal design scheme of main electrical connection based on Gas Insulated Switchgears（GIS）equipment is proposed，and technical and economic comparisons to conventional electrical connection are made，which provides some referential significances in the construction of smart substation in future.

smart substation；gas Insulated Switchgears（GIS）；main electrical connection；optimal design；reliability analysis

TM76

A

1009-0665（2016）04-0011-04

2016-04-20；修回日期：2016-05-31