220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關技術在變電站中的應用研究

程子豪 毛毳閩 姜 文 王家鵬 殷建剛 鄢旭冉

（1.湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北武漢430040；2.國網湖北省電力有限公司，湖北武漢430077；3.電子科技大學，四川成都610054）

0 引言

目前國內220 kV變電站的高壓側及500 kV變電站的中壓側在新建工程中大多數采用雙母線接線方式，并預留有部分備用間隔。經調研，當前國內主流組合電器廠家設計的220 kV母線隔離開關均為單斷口結構。該型結構應用于GIS設備改擴建耐壓試驗時，需對原運行母線進行停電處理，以規避隔離斷口過電壓疊加引起的放電擊穿問題[1]。然而在實際工程建設中，已投運變電站的220 kV雙母線全停不僅意味著巨大的停電經濟性損失，還將對地區電網的安全穩定運行造成風險。該問題已成為制約GIS改擴建工程建設的頑疾[2]。

1 220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關的技術優勢

220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關技術的應用，能有效解決上述問題，保障電網的安全可靠運行[3]，大幅降低變電站建設的全壽命周期費用。其技術優勢在于：

（1）雙斷口隔離開關的任一個斷口均能滿足試驗或運行電壓的絕緣要求。兩個斷口的組合，使整體設備的斷口間能承受最極端的電壓，即試驗電壓和運行電壓之和。

（2）在設置有兩個斷口的基礎上，該型設備的動觸頭中間設置有一組手動接地開關。當其中一個斷口發生擊穿故障時，作為中間接地點，能避免影響母線正常運行，有效控制事故范圍。

2 雙斷口隔離開關技術在變電站中的應用

雙斷口隔離開關的技術特點已凸顯其良好的應用前景。為滿足舊站改造及設計標準化要求，含雙斷口隔離開關的組合電器應與常規GIS設備保持一定的通用性。下面以全戶內220 kV變電站為例，對雙斷口隔離開關設備在變電站中的應用進行分析。

2.1 接線方式的差異

常規220 kV配電裝置在一期建設中一般終/本期均為雙母線接線。母聯及母線PT間隔一次上齊，預留若干備用出線及主變進線間隔。若采用雙斷口設備，建議雙母線在一期建設中一次性上齊，且所有備用出線及備用主變進線回路均采用雙斷口式母線隔離開關。其他一期建設的完整220 kV間隔可采用常規母線隔離開關，以減少工程造價。

以國家電網通用設計A2-2方案[4]為例，220 kV配電裝置接線圖如圖1所示。

圖1 220 kV配電裝置接線圖

雙斷口母線隔離開關的應用沒有改變220 kV配電裝置的接線形式，也沒有增加整體設備氣室數量，符合設計規范要求。

2.2 設備的通用性

經調研，目前國內已有廣州±800 kV東方變電站、武漢220 kV黃金口變電站投運了該類型設備。后文中雙斷口母線隔離開關的設備參數均來源于已投運站設備資料。

2.2.1 設備結構差異

常規母線隔離開關多采用三工位結構，如圖2所示，其存在3種運行工況，即隔離位置、合閘位置、接地位置，采用三胞胎殼體、三相機械聯動設計。

220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關采用的結構與常規隔離開關相似。差異在于雙斷口隔離開關內部配置了兩個能同時進行分合操作的動觸頭，以及一個后裝配的輔助接地開關。雙斷口母線隔離開關同樣采用三胞胎殼體、三相機械聯動設計，其內部結構如圖3所示。

圖2 常規母線隔離開關三工位狀態示意圖

圖3 雙斷口母線隔離開關內部結構示意圖

2.2.2 設備尺寸差異

獨特的結構使得雙斷口母線隔離開關具有同開同閉的技術特點，尺寸有所增加。與常規母線隔離開關相比，雙斷口母線隔離開關的尺寸如圖4所示。

圖4 雙斷口母線隔離開關尺寸

雙斷口母線隔離開關由于在普通三工位隔離開關基礎上增加了一個斷口，并且增加了擴建端氣室，隔離開關本體總長度增加約1 m。此外，還增加了一個中間接地刀閘，設備高度增加約0.6 m。

2.2.3 整體設計方案差異

以國家電網通用設計A2-2方案為例，采用雙斷口母線隔離開關設備的間隔斷面如圖5所示，雙斷口母線隔離開關比常規設備高0.6 m，但并非戶內GIS設備的最高點，所以不影響室內空高配置及吊裝。但縱向尺寸的增加將對帶電距離、運輸尺寸產生影響。經核實，目前國家電網通用設計[4]中戶內220 kV GIS室縱向尺寸為12.5 m，220 kV GIS間隔長度為9.5 m，國家電網通用設備尺寸要求如圖6所示。雙斷口設備雖然單體長度比常規隔離開關增加了1 m，但供貨廠家對自身GIS設備整體進行了緊湊化處理，對臥式斷路器及互感器等組件尺寸進行了優化，使得設備總尺寸滿足通用設備9.5 m的要求[4]。

通過比較圖5、圖6不難看出，雙斷口母線隔離開關設備的縱向尺寸有所增加，但由于進行了緊湊化處理，GIS整體尺寸滿足通用設備要求。GIS母線至避雷器中心距為5 098 mm。戶內主運輸通道、巡視通道距離均滿足通用設備要求。綜上，該新型設備適用于220 kV變電站。

2.3 對接安裝施工及耐壓試驗

雙斷口GIS間隔遠期擴建安裝及耐壓試驗示意圖如圖7所示，前期備用出線間隔建設有雙斷口母線隔離開關，當遠期擴建時需采取如下操作：（1）氣室1、氣室2中保持額定壓力；（2）將氣室3、氣室4中氣體降半壓；（3）將擴建端屏蔽罩換成觸頭座結構，將擴建部分從一側吊入進行對接安裝；（4）對接安裝完畢后，氣室3、氣室4充入額定壓力的SF6氣體，并進行耐壓試驗。

由上述施工過程不難看出，雙斷口設備安裝方便快捷，且由于采用高性能隔離開關及地刀，能在改擴建工程施工時減少試驗及充放氣次數，有利于抑制SF6氣體的擴散，為促進環保型社會發展貢獻一份力量。

2.4 其他技術特點

雙斷口母線隔離開關的輔助地刀僅在遠期擴建及檢修工況下啟用，平時處于常分狀態。基于安全考慮，采用手動地刀，并設置機械鎖具，變電站二次設計中該地刀不進五防邏輯。各地區對于手動地刀是否設調度編號等要求不統一，故該地刀存在一定的運行管理風險。

3 經濟及社會效益

經濟性比較是雙斷口母線隔離開關技術應用的重要指標。常規母線隔離開關在備用間隔擴建的耐壓試驗及因設備故障引起的大修等工況下都需要母線停電，這將造成直接經濟損失。而雙斷口母線隔離開關無論是在擴建還是其自身發生故障的工況下，都能規避母線停電。下面就以上述兩種工況下的直接停電損失進行分析。

3.1 輸入條件

以國網通用設計A2-2方案為例，終期3臺主變容量240 MVA，本期1臺，按負載率50%考慮，下網容量120 MVA；遠期接入3臺主變，下網容量360 MVA。

220 kV出線終期6回，本期3回，終期、本期采用雙母線接線。

目前國內平均工業用電電價K=0.668 4元/kWh。計劃停運期間，停電損失按正常電費計列。非計劃停電期間，根據參考文獻[5]，停電損失按正常電費的20倍計列。

雙斷口母線隔離開關與常規GIS設備的差價Δ≈40萬元/臺。

變電站運行周期Z1=50年，假定在Z2=20年完成全部擴建達到終期規模，且假定220 kV配電裝置擴建周期恒定。

3.2 擴建及檢修工況預估

圖5 采用雙斷口母線隔離開關設備的間隔斷面圖

圖6 國家電網通用設備尺寸要求

擴建及計劃內停電檢修方式下，考慮到220 kV系統可以通過其他路徑送電，220 kV片區非故障停電的負荷約為正常下網容量的10%，停電時間T1=24 h。即本期Q1=12 MVA，遠期（20年后）Q2=36 MVA。由于擴建周期恒定，前20年非故障停電負荷為：

設備故障情況下，考慮到220 kV系統通過其他路徑送電需要調度運行時間，220 kV故障停電的負荷為正常下網容量的100%，調度負荷轉供時間T2=1 h。即本期Q3=120 MVA，遠期（20年后）Q4=360 MVA。同理，前20年故障停電負荷為：

轉供完成后，考慮計劃停電檢修方式下的電能受阻負荷，停電時間考慮到故障元件需要從設備廠家原廠調配更換，總停電時間T3=48 h。

關于元件的可靠性，根據文獻[6]、文獻[7]、文獻[8]可知，影響GIS母線停電的單間隔故障率為：

投產年220 kV配電裝置進出線及母聯回路共有5個間隔，故第1年GIS整體年故障率為：

投產后第20年220 kV配電裝置全部擴建完畢，此時220 kV配電裝置進出線及母聯回路共有10個間隔，故第20年后GIS整體年故障率為：

假定220 kV配電裝置擴建周期恒定，即可測算出前20年GIS每年的故障率為：

20年后GIS整體年故障率維持λ20不變。

3.3 經濟性比較

下文以一個備用間隔為例，首先計算采用常規母線隔離開關時的停電損失。

（1）因備用間隔擴建引起的停電損失為：

式中：0.1為單位換算，下同。

（2）投產20年內，因故障引起的停電損失為：

（3）投產20年后，達到終期規模。此時因故障引起的停電損失為：

以上為采用常規母線隔離開關時產生的停電損失。若采用雙斷口設備將規避以上停電過程，但雙斷口設備費用較高，按終期規模考慮，設備費用總差價為：

圖7 雙斷口GIS間隔遠期擴建安裝及耐壓試驗示意圖

綜上，采用雙斷口設備在變電站運行50年周期內產生的經濟效益為：

3.4 應用效益

由上述計算可知，采用雙斷口母線隔離開關技術，具有顯著的直接經濟優勢。此外，雙斷口母線隔離開關的應用還能降低電網運行風險，減少運維及管理成本，保障用戶用電可靠性，創造了良好的間接經濟效益及社會效益。

4 結語

本文從功能性、適用性及經濟性等角度出發，對220 kV雙斷口母線隔離開關技術進行了分析，對其母線不停電擴建的功能進行了論述，驗證了其滿足設計規范要求，且能帶來良好的社會及經濟效益，是一種值得推廣應用的新技術。