基于LCC的電子式互感器選型經(jīng)濟(jì)性分析

朱金搖，凌志勇，，胡宗耀，谷湘文

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.國家電網(wǎng)公司湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南 株洲 412011）

基于LCC的電子式互感器選型經(jīng)濟(jì)性分析

朱金搖1，凌志勇1，2，胡宗耀2，谷湘文2

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.國家電網(wǎng)公司湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南 株洲 412011）

針對電子式互感器在某新建110 kV智能變電站中如何選型的問題，分析了各種電子式互感器的應(yīng)用現(xiàn)狀和優(yōu)勢，并基于全壽命周期原理對互感器選型的3種方案進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析與對比，確定選擇方案2有源電子式互感器為最佳配置方案。

LCC；電子式互感器；選型；經(jīng)濟(jì)性

0　引言

近幾年，隨著智能電網(wǎng)［1］的迅速發(fā)展，我國正加快推進(jìn)智能變電站試點(diǎn)工程的建設(shè)工作。智能變電站試點(diǎn)工程應(yīng)用了許多新技術(shù)、新設(shè)備。電子式互感器是關(guān)鍵設(shè)備之一［2］，其技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量會影響智能變電站的安全可靠運(yùn)行。

國家電網(wǎng)公司從2009年正式啟動建設(shè)智能變電站試點(diǎn)工程，電子式互感器在試點(diǎn)工程中的應(yīng)用電壓等級范圍為10～1 000 kV。2012年國家電網(wǎng)公司對已投入運(yùn)行的90座66～750 kV不同電壓等級的智能變電站采用的電子式互感器及其他智能設(shè)備進(jìn)行調(diào)研分析，并提出整改方案。2012年國家電網(wǎng)公司啟動建設(shè)新一代智能變電站示范工程［3］。2015年，國家電網(wǎng)鞏固完善首批6座新一代智能變電站［4-5］的運(yùn)行成果，全面落實(shí)新一代智能變電站擴(kuò)大示范工程建設(shè)計(jì)劃，這都推進(jìn)了電子式互感器的研究與應(yīng)用進(jìn)程。

隨著電子式互感器在智能變電站中的應(yīng)用與推廣以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，其穩(wěn)定性和測量特性得到提高，技術(shù)越來越成熟，造價也明顯降低。相對常規(guī)電磁式互感器，電子式互感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能優(yōu)良，體積小，造價低；不存在磁飽和、鐵磁諧振問題；低壓側(cè)無開路或短路危險；頻率響應(yīng)范圍寬；不采用油或氣體絕緣，沒有易燃、易爆等危險；電磁兼容性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)［6］。因此，電子式互感器被廣泛應(yīng)用于智能變電站中。國內(nèi)外電子式互感器生產(chǎn)廠家的制造水平參差不齊，且不同類型互感器各有特點(diǎn)，產(chǎn)品價格相差較大，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，分析互感器選型的經(jīng)濟(jì)性十分必要。互感器的正確選取對電網(wǎng)安全運(yùn)行有重大影響。

因此，針對某110 kV智能變電站電子式互感器選型問題，根據(jù)GB/T 20840.7—2007《互感器第7部分：電子式電壓互感器》和GB/T 20840.8—2007《互感器第8部分：電子式電流互感器》兩個新的技術(shù)規(guī)范要求，本文提出了3種方案，采用全壽命周期原理對各種方案的工程建設(shè)成本進(jìn)行分析，最后給出最佳配置方案。

1　電子式互感器簡介

電子式互感器是一種裝置，由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成，用于傳輸正比于被測量的量，以供給測量儀器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置［7-8］。互感器在電力系統(tǒng)的作用主要是向系統(tǒng)傳送用于測量、計(jì)量、控制和繼電保護(hù)所需的信號，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、診斷和保護(hù)。

電子式互感器按原理分類，如圖1所示。

圖1　電子式互感器分類示意圖Fig.1　Classification diagram of electronic transformer

在實(shí)際工程應(yīng)用中，電子式互感器主流產(chǎn)品有：Rogowski線圈型、低功率線圈型LPCT（low power current transformer）、磁光玻璃型、全光纖型、電容分壓型、電阻分壓型、泡克爾斯效應(yīng)型。

2　110 kV變電站電子式互感器選型

現(xiàn)新建一座110 kV變電站，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境氣候條件，以及互感器需長期暴露于強(qiáng)輻射、強(qiáng)電磁場、強(qiáng)噪聲、強(qiáng)機(jī)械振動等惡劣環(huán)境和日曬、雨淋、覆冰等惡劣氣候條件下，需選用環(huán)境適應(yīng)性較好的互感器。

2.1變電站一次主接線

新建110 kV變電站一次主接線如附圖1所示。

建設(shè)規(guī)模為：變壓器容量1×50 MV·A；電壓等級110/35/10 kV；110 kV進(jìn)線2回，采用架空進(jìn)線；35 kV出線4回，采用電纜出線；10 kV出線10回，采用電纜出線；10 kV無功補(bǔ)償裝置容量1×（3 600+4 800） kvar。

電氣主接線為：110， 10 kV均采用單母線接線，35 kV采用單母線分段接線。

布置方式為：110 kV配電裝置采用戶外軟母線AIS普通中型布置；35， 10 kV配電裝置均采用戶內(nèi)開關(guān)柜布置。

2.2配置方案

新建變電站35， 10 kV開關(guān)柜以及主變中性點(diǎn)成套裝置中均采用常規(guī)互感器，110 kV配電裝置中互感器的選擇有以下3種方案。

1）方案1，選擇常規(guī)互感器。選用油浸倒立式電流互感器、電容分壓型電壓互感器，獨(dú)立設(shè)備支架安裝。

2）方案2，選擇有源電子式互感器。選用Rogowski線圈與低功率線圈LPCT混合型電子式電流互感器、電容分壓型電子式電壓互感器，進(jìn)出線間隔電子式互感器安裝于隔離斷路器（disconnectin circuit breaker，DCB）構(gòu)架上，母聯(lián)間隔電子式互感器與氣體絕緣母線（gas insulated bus，GIB）采用集成式安裝。

3）方案3，選擇全光纖電子式互感器，安裝方式與方案2相同。

2.3LCC計(jì)算

變電站全壽命周期成本（life cycle costs，LCC）管理是指變電站在經(jīng)濟(jì)壽命周期之內(nèi)，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上使工程全壽命成本最低的管理［9］。變電工程LCC 費(fèi)用組成可分為：一次建設(shè)投資成本IC（investment costs）、運(yùn)行成本OC（operation costs）、供電損失成本FC（failure costs）、報廢成本DC（discard costs）。

變電站LCC計(jì)算模型為

本工程LCC計(jì)算采用現(xiàn)值法［10］。

2.3.1設(shè)備造價

目前國內(nèi)互感器供貨價格相當(dāng)，詳見表1。表1中，CT（current transformer）為電流互感器，PT（potential transformer）為電壓互感器。

表1　110 kV互感器報價表Table 1　Quotations for 110 kV transformers萬元

2.3.2一次建設(shè)投資成本（IC）

一次建設(shè)投資成本是指變電站在建設(shè)和調(diào)試期間（投入運(yùn)行前）所付出的成本。本次計(jì)算主要考慮互感器、電纜（或光纜）以及土建所需費(fèi)用，詳見表2～4。所需設(shè)備單價按表1選擇，數(shù)量按整個變電站最終所需數(shù)量計(jì)算。由表2～4可以得出，方案1的一次建設(shè)投資成本約為79.1萬元，方案2的一次建設(shè)投資成本約為84.6萬元，方案3的一次建設(shè)投資成本約為351.6萬元。

由表2～4可知：電纜、光纜總費(fèi)用，方案2和3比方案1節(jié)省1.94萬元；土建費(fèi)用，由于方案2和3不需要占用土地，因此，它們比方案1節(jié)省22.5萬元，占地面積少165 m2；一次建設(shè)總費(fèi)用，方案3約為方案1和方案2的4倍。

表2　配電設(shè)備費(fèi)用表Table 2　Cost sheet of electric appliances and distribution

表3　電纜、光纜費(fèi)用表Table 3　Cost sheet of electric and optical cables

表4　方案1的土建費(fèi)用表Table 4　Construction cost sheet of Scheme 1

2.3.3運(yùn)行成本（OC）

運(yùn)行成本是指變電站運(yùn)行期間所需費(fèi)用的總和。本次計(jì)算主要考慮變電站30 a運(yùn)行周期內(nèi)設(shè)備維修、更換所需的費(fèi)用，詳見表5～6。

常規(guī)互感器例行檢查不計(jì)費(fèi)，投入運(yùn)行后需定期進(jìn)行狀態(tài)檢修。投運(yùn)后的前15 a每3 a檢修1次，后15 a每年檢修1次，綜合考慮按每臺0.05元/次計(jì)算。

電子式互感器在使用壽命周期內(nèi)基本免維護(hù)，主要是更換電子設(shè)備所需費(fèi)用，一般每10 a更換1次，按0.15萬元/次計(jì)算。電子式互感器使用壽命一般為20 a，20 a后需整套更換。

表5　30 a方案1運(yùn)行成本表Table 5　Operation cost of scheme 1 within 30 a

表6　方案2和方案3的30 a運(yùn)行成本表Table 6　Operation cost of scheme 2 and scheme 3 within 30 a

2.3.4供電損失成本（FC）

供電損失成本是指在發(fā)生故障后，停電所造成的損失。本次計(jì)算主要考慮互感器在變電站30 a運(yùn)行周期內(nèi)的供電損失費(fèi)用。

間隔檢修停電主要由本間隔出線回路斷路器設(shè)備故障引起，在進(jìn)行間隔檢修時，同時進(jìn)行互感器檢修，通過選擇檢修時間和改變運(yùn)行方式避免負(fù)荷缺電。因此互感器正常檢修產(chǎn)生的停電和缺電損失費(fèi)用忽略不計(jì)。

本站110 kV進(jìn)線采用雙回供電，供電可靠性高。由于雙回進(jìn)線同時故障引起的供電停電故障率較低，產(chǎn)生供電不足的情況也很少見，故忽略不計(jì)。

綜合考慮，可忽略供電損失成本。

2.3.5全壽命周期成本計(jì)算

根據(jù)上述分析結(jié)果，可得3種方案的全壽命周期成本，如表7所示。表中，報廢成本（DC）忽略不計(jì)。由表7可知3個方案的LCC比例為

表7　全壽命周期成本Table 7　Life cycle costs　萬元

2.4最佳方案選擇

3種互感器選擇方案均能滿足變電站110 kV配電裝置的技術(shù)要求。方案1～3中供電損失成本和報廢成本對整體影響都很小，可忽略不計(jì)。3種方案從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，分析結(jié)果如下。

1）方案2和方案3較方案1降低了土建費(fèi)用，節(jié)約土地，減少銅材用量，但是由于電纜、光纜、土建部分成本占整體比例不大。可知，一次建設(shè)投資成本主要取決于設(shè)備自身成本。目前，方案3設(shè)備制造難度大，價格相對較高。因此，方案3的一次建設(shè)投資成本約是方案1和方案2的4倍。

2）方案2和方案3采用電子式互感器，在全壽命周期內(nèi)檢修維護(hù)只需更換電子元件或更換整套設(shè)備，工作量小。而方案1則需定期檢修，檢修量相對方案2和方案3較大，工作量大。因此，方案2和方案3在設(shè)備維護(hù)上具有優(yōu)勢。方案1的設(shè)備技術(shù)成熟，可靠性高，但測量性能一般，而方案2和方案3測量性能和技術(shù)先進(jìn)性具有很大優(yōu)勢。因此，運(yùn)行成本方面，方案3最高，方案1次之，方案2最低。

3）式（2）表明采用方案2時，變電站互感器全壽命周期成本最低，經(jīng)濟(jì)性最佳。

綜上所述，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較，方案2為最佳方案，故本新建110 kV變電站的配置方案采用方案2。

2.5電子式互感器配置

根據(jù)方案2，變電站110 kV側(cè)電子式互感器第一期建設(shè)配置情況如下。

1）110 kV線路間隔CT、PT的配置。110 kV線路間隔每相配置1臺有源電子式電流互感器。每臺電子式電流互感器都包含2個Rogowski線圈（準(zhǔn)確級5TPE，額定輸出01CFH）和1個低功率線圈（準(zhǔn)確級0.2S，額定輸出2D41H）。Rogowski線圈滿足保護(hù)要求（配置2個，是因?yàn)榈谝黄诠こ倘∠酥髯兏邏簜?cè)DCB，由110 kV線路間隔DCB實(shí)現(xiàn)主變保護(hù)的采樣和跳閘）。低功率線圈滿足測量和計(jì)量要求，集成式安裝在DCB上。線路側(cè)配置1臺有源電子式電壓互感器（準(zhǔn)確級0.2S，額定輸出2D41H）， 每組CT配置2臺合并單元，用于接入保護(hù)、測量電流以及線路PT的相電壓。

2）110 kV母線PT的配置。母線每相配置1臺有源電子式電壓互感器。每臺含2個二次繞組，準(zhǔn)確級為0.2（3P）/0.2（3P），額定輸出均為2D41H。戶外集成安裝在GIB母線上。母線PT均配置1臺合并單元，用于接入母線的三相電壓。

3　結(jié)語

電子式互感器作為智能變電站關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備之一，是實(shí)現(xiàn)智能化變電站集成化、智能化、數(shù)字化的基礎(chǔ)。在智能變電站建設(shè)中，用LCC理念分析電子式互感器選型的經(jīng)濟(jì)性是一種比較可行的方法。因此，針對新建110 kV變電站，本文提出了3種方案，并從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，得到最優(yōu)的全壽命周期成本方案，即方案2。方案2可大大提高變電站的運(yùn)行效率。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

An Economic Analysis of Type Selection of Electronic Transformers Based on LCC

ZHU Jinyao1，LING Zhiyong1，2，HU Zongyao2，GU Xiangwen2
（1.School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2.Zhuzhou Power Supply of State Grid Corporation，Zhuzhou Hunan 412011，China）

In view of the type selection of the electronic transformers applied to a newly-built 110 kV digital substation，an overall analysis has been made of the current application and advantages of various types of electronic transformers.Based on LCC， a detailed efficiency analysis of and a comparison between the three different proposed selections of electronic transformers shows that the active electronic transformer proves to be the best configuration scheme among all the three options.

LCC ；electronic transformers ； type selection ；economical efficiency

附圖1　110 kV變電站一次主接線圖Fig.1　110 kV substation main wiring diagram

TM452

A

1673-9833（2016）04-0010-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.04.003

2016-05-14

朱金搖（1991-），男，湖南邵陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄茏冸娬镜膽?yīng)用，E-mail：zjyao0113@163.com