株洲茶陵城關110 kV變電站優化設計

楊　洋，李祥飛，王　星

（1. 湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007 ；2. 衡陽雁能電力勘探設計咨詢有限公司，湖南 衡陽 421000）

株洲茶陵城關110 kV變電站優化設計

楊洋1，李祥飛1，王星2

（1. 湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007 ；2. 衡陽雁能電力勘探設計咨詢有限公司，湖南 衡陽 421000）

按照資源型、環境友好型、工業化的智能變電站的要求，針對湖南省株洲市茶陵城關110 kV變電站站址特點進行了變電站優化設計。該優化方案主要從總平面布置和設備選型優化方面進行了詳細設計，并且與常規設計方案進行了對比。通過計算，變電站總用地為常規方案的53.39%，靜態投資相對常規方案減少了20.30%，優化方案不僅完成了變電站緊湊化布置而且節省了投資費用，實現了變電站優化。

變電站優化；變電站緊湊化布置；設備選型優化

0　引言

為了滿足國內經濟快速增長對電力的需求，我國電力工業在不斷地高速發展，電網規模也在不斷擴大，同時也為電力工程設計人員提出了一些問題，比如，由于變電站深入負荷中心所造成的占地問題、環境兼容等問題［1-2］。作為我國輸配線路組成的一部分，110 kV網架扮演著非常重要的角色，隨著110 kV等級網架的逐步完善，110 kV變電站規模急劇增加。提出合理利用土地面積且高質量的技術經濟方案變得越來越重要，所以對110 kV變電站的優化勢在必行。本文在參照通用設計方案基礎上，結合株洲市茶陵縣城關110 kV變電站的特點，提出了變電站平面布置優化方案以及相應設備選型方案。通過與通用方案在設計用地面積以及其它技術指標的對比，實現了該變電站優化。

1　變電站總平面布置優化

平面布置是變電站設計的重要內容，是變電站可靠性、節省造價的體現［3］。平面優化布置主要依照站址特點、出線情況及電氣主接線等方面的要求，提出既能合理利用土地資源又符合技術經濟指標的方案。

1.1站址基本信息與工程建設規模

茶陵城關110 kV變電站站址位于湖南省茶陵縣南部下東鄉孟溪村一組，在茶陵縣城南側約3 km處，地處茶陵經濟開發園區中部。其所處地形為丘陵地形，由北至南地勢逐漸增高，最大高差達11 m左右，站址土地為茶陵經濟開發區規劃建設用地，現使用權歸當地村組集體所有。站址以北70 m處有工業園區內主干道，現有一條村用道路由主干道經過站址，該道路為混凝土路面，路面寬度4 m。變電站的建設規模如表1所示。

表1　建設規模一覽表Table 1　A list of construction scale

1.2常規與優化方案平面布置的對比

常規設計方案采用國家電網公司輸變電工程通用設計《110（66）～220 kV智能變電站施工圖設計》中110-A-1方案［4］。變電站圍墻內尺寸為61.2 m× 62.9 m=3 850 m2，變電站110 kV向北向出線，35 kV向東向出線，10 kV由電纜經電纜溝向南向出線至站外，如圖1所示。

圖1　常規設計的總平面圖Fig. 1　Conventional design before optimization

優化方案中110 kV配電裝置采用戶外HGIS（half gas insulated switchgear）設備單列布置進行優化，35，10 kV配電裝置采用預制艙，主變位于110 kV配電裝置與10 kV預制艙之間，10 kV電容補償裝置采用箱式電容器戶外布置，布置于35 kV預制艙東側。變電站圍墻內尺寸為79.0 m×37.6 m=2 861 m2，優化后的布置圖如圖2所示。

圖2　優化后的總平面圖Fig. 2　A general layout after optimization

站址所在用地為非城區用地，本次優化設計建議不考慮采用全戶內或半戶內方案，而采用戶外布置方案，站址地形為丘陵地形，由北至南地勢逐漸增高，最大高差達11 m左右，東西向較寬敞平緩，有94 m。

本次優化充分考慮地形實際情況，將站區設計為東西向長、南北向短的設計方案，避開站址南側山包，減少土石方開挖工程量，如圖3所示。因此，本站110 kV配電裝置采用HGIS單列布置，極大地壓縮了南北向尺寸，節約了占地面積。此外，站址西南角地形高差較大，為盡可能地減少土石方開挖及擋墻、護坡等工程量，本次優化在滿足本工程需要的同時，壓縮了西側南北方向尺寸，站區西側南北向尺寸為29 m。

圖3　土石方開挖工程量前后對比圖Fig. 3　A comparison graph of earthwork excavation volumes

常規方案總土石方工程量為6 806 m3，檔墻體積為80 m3，建筑面積為450 m2。

在優化方案中，變電站總用地為3 292 m2；圍墻內占地面積為2 861 m2；進站道路長24 m，總土石方工程量為2 137 m3，檔墻體積為0 m3；建筑面積為22.6 m2。

由以上數據可以看出，采用110 kV戶外HGIS設備單列布置，極大地壓縮了站內南北向尺寸，避開了南側山包，大大減少了站區檔墻及護坡工程量，從而減少了變電站總占地面積，減少了土石方開挖工程量；35，10 kV設備采用預制艙，極大減少了現場濕作業，提高了機械化施工范圍，減少現場勞動力投入，縮短建設施工周期，降低現場安全風險，提高了工程建設質量、工藝水平。表2為變電站總平面布置的主要技術指標。由表2可知，優化方案較常規設計方案節省了225萬元的投資。優化方案的電氣總平面布置圖如圖4所示。

表2　變電站總平面布置主要技術指標Table 2　Major technical indicators for a general layout of substations

圖4　優化后的電氣總平面布置圖Fig. 4　An optimized general electrical layout plan

2　設備選型優化

新一代的智能變電站的設計原則是“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”［5］。在電氣平面布置中，設備尺寸是影響變電站占地面積的決定性因素之一，所以設備選型優化顯得尤為重要。

2.1110 kV 設備優化

設計者常常根據地理位置以及人口稠密情況進行分析，選取最佳的110 kV變電站110 kV等級設備。常規設計模塊劃分合理，接口靈活方便，組合方案多樣，體現了“以人為本”的設計理念，減少占地、注重環保［6］。由于110 kV敞開式電氣設備生產水平較為成熟，且工程上對GIS（gas insulation switch）設備有著嚴格控制要求，所以常規設計方案中，110 kV設備采用常規AIS（air insulated substation）設備戶外布置，110 kV配電裝置區尺寸為61.2 m×32.4 m。雖然戶外常規設備具有價格低廉、制造技術成熟等優點，但是其占地面積太大，且戶外操作繁復，維護工作量大，由于其主要組部件均裸露于自然環境中，設備銹蝕快，導致設備全壽命周期成本高。

在優化方案中，110 kV配電設備選用戶外半封閉緊湊型組合電器（HGIS）設備，110 kV配電裝置區尺寸為17 m×79 m，為常規方案面積的67.7%。HGIS是將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器等裝置組合封閉在接地且充滿一定要求壓力的SF6（六氟化硫）氣體的金屬殼體中。其主要適用于三相交流50 Hz，額定電壓為72.5～126 kV電力系統中，具有開斷及關合線路負載電流與短路電流，進行電力線路的聯絡、切換、控制、測量、系統調節以及線路和設備檢修時的安全隔離功能［7］。圖5為半封閉緊湊型組合電器示意圖。

圖5　半封閉緊湊型組合電器Fig. 5　Half gas insulated switchgear

HGIS既具有氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）結構緊湊、占地面積小、可靠性高、運行維護工作量小的優點，又具有空氣絕緣開關設備（AIS）價格低、檢修方便靈活的優點。HGIS與GIS的主要區別在于：GIS把整個變電站的一次設備集成在充滿SF6氣體的金屬殼體中，因此集成度過高，只要設備中一個元件出現問題就會容易造成其他設備的聯動性影響，使得變電站無法正常運行。如果變電站又處在主干網上，則很容易造成大面積停電甚至失步，嚴重影響人們的生產和生活。GIS設備雖然提高了一體化但也增加了維修的難度，即維修問題器件的同時還要盡可能地避免失誤造成其他器件的損壞。而HGIS把電流互感器、電壓互感器、斷路器、接地開關以及隔離開關根據設計需求放在不同的充滿SF6密封艙中組成一個模塊，每一個模塊獨立于其中模塊，有較高的可靠性和靈活性［8］。如果設備出現問題，只要在HGIS中找到問題設備所在的模塊進行更換即可，這樣既快速地處理了問題設備同時又不會影響其他設備的正常運行，維修時間也將大大地減小。

HGIS的工程造價比敞開式設備價格多出兩百多萬元，所以在設計中到底采取什么樣的裝置方案，必須結合技術，比較采取方案的經濟指標，使其既要節省投資又要縮小占地面積。從之前的總平面布置的經濟指標對比，采用HGIS是最佳方案［9］。

2.210，35kV設備優化

在常規設計中，10，35 kV設備采用戶內SF6充氣式固定開關柜戶內布置。文獻［10］的優化方案也是使用智能環境友好型金屬封閉式開關柜，其特點是占地面積小、產品經濟運行、成本低。根據實地計算，在10 kV設備采用戶內金屬鎧裝中置式開關柜戶內布置，它們的占地面積分別為15.8 m×5.7 m、32.4 m× 6.0 m。而優化方案中，35，10 kV設備采用預制艙式組合設備，它們的占地面積分別為14.58 m×3.86 m、29.27 m×4.10 m，與常規方案比較，分別為常規方案的62.5%， 61.7%。預制艙的布置如圖6所示。

圖6　預制艙式配電室布置Fig. 6　A layout of prefabricated-cabin-style power distribution rooms

35，10 kV預制艙式的結構緊湊、占地面積小、強度高、運輸安裝方便。一般的箱體是由鋼板做支架鋪以FC（fiber cement）板等構成即金屬性艙體，但是該箱體外墻材料采用金邦板，它是以水泥、粉煤灰、硅粉等非金屬為主要原料，加入復合抗堿纖維，經真空高壓噴模具成型組裝一體化，整個箱體的基本承重框架用高強度型鋼（工字鋼）組成的骨架構成相對于金屬性預制艙室其具有更強的抗熱抗風性適用壽命更長［11］。預制艙式配電室采用現場干式施工，沒有污染，鋼材可完全回收再利用，預制艙板材也可回收再利用［12］。

預制艙是國家電網在新一代智能電網建設過程中取得的重大成果，它的使用帶動了組合二次設備的一次創新與革命。預制艙式組合設備不僅具有倉儲、運輸上的便利優勢，大大縮短了變電站土建和電氣安裝的建設工期，又能保證變電站的工程質量的優勢。

2.310 kV電容器優化

在常規方案中，10 kV電容器采用戶外框架裝式電容器，傳統戶外框架式電容器占地面積大，特別是電抗器采用品型安裝后，占地面積進一步擴大，同時戶外框架式電容器長期裸露于空氣中，不利于防塵、防腐、防潮，縮短了設備使用壽命。

在優化方案中，10 kV電容器采用了箱式電容器。如圖7所示。

圖7　箱式電容器Fig. 7　A tank capacitor

箱式電容器是在集合式電容器的基礎上產生的一種電容器，其結構與集合式主要的不同是內部的單元電容器沒有外殼，單元電容直接浸入絕緣油中，排除了單元電容器擊穿電容器外殼的可能性，提高了使用的可靠性［13］。此類電容器用油量也較少，相對于別的同級集合式電容器重量減輕30%左右，在比特性、制造成本、消耗金屬材料、冷卻介質以及重量等技術經濟指標上均優于集合式電容器。

箱式電容器心子由若干個元件串并聯組成，元件在產品中立放布置，每個元件均帶有內熔絲，采用新型內熔絲技術，其特點是將內熔絲放在元件之間，熔絲與熔絲完全隔離，一根熔絲的熔斷是在絕熱狀態下進行的，不會影響到相鄰完好的熔絲，既可以防止群爆或誤動作現象，又防止了熔絲動作對絕緣油的污染。該產品占地面積少，免維護，防塵、防腐、防潮、防火性能好，設備使用壽命長。

3　結論

綜上所述，課題組通過對變電站總平面布置進行了優化研究，合理選擇設備，并結合現有站址實際地形條件，形成了最終的優化設計平面布置方案。

優化后，變電站采用戶外HGIS設備單列布置，110 kV母線采用支撐式硬管母，壓縮南北向尺寸，站內道路采用L型布置方案，縮短站內道路面積；10 kV電容器采用箱式電容器，減少占地面積，提高設備防塵、防腐、防潮、防火性能，延長設備使用壽命。10，35 kV配電裝置及主控室采用預制艙組合設備，減少占地面積，減少現場濕作業，減少現場勞動力投入，設備費用相比常規設計減少了8萬元，縮短建設施工周期，降低現場安全風險，提高機械化施工范圍，提高工程建設質量，工藝水平。主要技術經濟指標如表3所示。

表3　 技術經濟指標對比Table 3　A comparison between technical and economic indicators　萬元

整個站區布置緊湊，形狀為矩形，長為79.0 m，寬為37.6 m，變電站總用地3 292 m2為常規方案的53.39% ；圍墻內占地面積2 861 m2為優化方案的74.31% ；進站道路24 m，為常規方案的52.17%；總土石方工程量2 137 m3，為常規方案的31.40%；檔墻體積0 m3；建筑面積22.6 m2，為常規方案的5.00%；施工周期為3個月，較一般變電站建設周期縮短了三分之二。從表3可以看出優化后的靜態投資比常規設計節省了473 萬元，減少了20.30%。該優化設計滿足了資源型、環境友好型、工業化的要求，即減少了用地面積又降低了投資費用，為其他類似的工程提供了很好的借鑒。

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（責任編輯：申劍）

Optimized Design of 110 kV Substations in Chengguan District of Chaling County

YANG Yang1，LI Xiangfei1，WANG Xing2
（1. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Yanneng Electric Power Exploration and Design Consultation Co.， Ltd.，Hengyang Hunan 421000，China）

An optimized design， in accordance with the standards as required by resource-based， environmentfriendly and industrialized intelligence substations， has been made of 110 kV substations in Chengguan District of Chaling County. This optimized method mainly involves an improved design of the overall layout and device selection optimization，followed by a comparison between characteristics of the improved design and the conventional one. By calculation， the gross floor area for the improved design accounts for only 53.39% of what the conventional design requires， and reduces the static investment by 20.30% correspondingly. The optimized method fulfills the compact layout as well as decreases the investment cost， thus ultimately achieving the goal of the substation optimization.

substation optimization ；a compact layout for substations ；equipment selection optimization

TM63

A

1673-9833（2016）03-0037-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.03.007

2016-02-05

楊洋（1991-），男，湖南耒陽人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為電力網絡自動化技術及應用，E-mail：553801884@qq.com

王星（1984-），男，湖南衡陽人，湖南衡陽雁能電力勘探設計咨詢有限公司助理工程師，主要研究方向為變電站一次設計，E-mail：270579896@qq.com