GIS變電站電纜倉戶外布置優(yōu)化設計

毛毳閩，付 磊，宋 昭，馬 吉，李聲威,2

(1.湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢430000；2.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢430000)

氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear，GIS）采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，將斷路器、母線、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管等高壓電器密封在接地金屬筒中，具有可靠性高、維護工作量少、檢修周期長的特點。20世紀60年代中期美國制造了第一套GIS設備，高壓電器由此發(fā)生了質(zhì)的飛躍，世界各地電力部門開始注重GIS設備的研究[1]。此后幾十年，GIS設備迅速發(fā)展，歐洲、美洲、中東的電力公司都規(guī)定配電裝置要用GIS設備，在亞洲、非洲、澳洲的發(fā)達國家也大規(guī)模使用GIS設備。我國GIS的發(fā)展始于20世紀60年代末，為提高GIS設備的生產(chǎn)制造水平，我國積極引進了國外先進的技術，經(jīng)過不斷的學習與吸收，20世紀80年代中期GIS設備全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化[2]。

目前我國電網(wǎng)工程的建設持續(xù)發(fā)展，投資重點已逐步轉(zhuǎn)向電網(wǎng)智能化以及配電網(wǎng)建設。在配電網(wǎng)中高壓配電裝置是關鍵組成部分，由于GIS配電裝置相比于敞開式開關設備（air insulated switchgear，AIS）具有占地面積小、維護周期長、可靠性高、環(huán)境適應性強等特點，已經(jīng)被廣泛應用于智能變電站中。據(jù)報告預測2021年我國GIS設備的數(shù)量將達到28000個，GIS配電裝置越來越受到電網(wǎng)企業(yè)的青睞[3]。隨著GIS設備在城郊區(qū)域大量應用，對其與周邊環(huán)境規(guī)劃匹配性和建設成本提出了更高的要求，因此本文設計了一種戶內(nèi)GIS單層布置改進方案，將主變、10 kV室及GIS室三列布置，并將出線TV、避雷器、電纜倉布置于GIS室外以降低建筑物高度和節(jié)約成本，該方法既可以保證GIS的可靠性和穩(wěn)定性，又能大大降低建設成本，在城郊區(qū)域具有廣泛的實際推廣價值。

1 城郊變電站GIS發(fā)展趨勢

由于社會經(jīng)濟水平的提高以及城市化進程的快速發(fā)展，城市周邊的郊區(qū)大部分被規(guī)劃為開發(fā)區(qū)或新城區(qū)。在這些地區(qū)建設變電站不僅要滿足運行安全可靠，還要滿足城市規(guī)劃發(fā)展和環(huán)境評估等要求。另外，由于城郊區(qū)征地價格連年攀升導致變電站占地面積減小，變電站的出線條件往往受城市規(guī)劃影響導致通道走廊狹窄。常規(guī)GIS設備的布置方案一般分為戶內(nèi)型和戶外型，戶內(nèi)型GIS方案將絕緣組合電器等相關設備安裝在室內(nèi)，而戶外型GIS方案則將開關設備安裝在戶外，為了提高設備的安全性而增加相關的防雨和防塵措施。兩種類型的GIS變電站由于建筑物的作用具有不同的特點，二者的主要區(qū)別如下：戶內(nèi)GIS變電站相對于戶外GIS變電站土建費用高、建設周期長、檢修次數(shù)少、占地面積小、抗腐蝕性強。為了適應城市規(guī)劃的要求和配合城市的長期規(guī)劃，戶內(nèi)型GIS變電站設備布置于室內(nèi)，沒有明顯的工業(yè)設施特征而更有利于變電站融入城市環(huán)境，且受環(huán)境因素影響小，能夠更加穩(wěn)定可靠地運行。建設成本是戶內(nèi)型GIS變電站需要考慮的重要因素，由于比戶外型GIS變電站需要更多的建筑施工，由此帶來的建設成本約占總成本的35.3%[4]。隨著變電站裝配化水平和機械化施工水平的不斷提升，戶內(nèi)型GIS方案的土建費用越來越低，與戶外型GIS方案的施工工期差距也在逐漸減小，因此城郊變電站越來越傾向于采用受環(huán)境因素影響小的戶內(nèi)型GIS方案。在出線配置方面，由于出線受阻和通道走廊狹窄，采用架空出線對城市規(guī)劃與市政景觀產(chǎn)生較大影響，因此多采用全電纜出線。實際工程應用中，因為戶內(nèi)型GIS變電站占地面積小、設備布置靈活、受環(huán)境因素影響小等特點，目前城郊變電站布置方案的趨勢為采用戶內(nèi)型GIS配電裝置與全電纜出線。

2 常規(guī)戶內(nèi)型GIS布置方案

變電站的GIS布置方案一般分為雙層布置和單層布置，以220 kV的城郊變電站為例，雙層布置方案通常將無功功率補償室與10 kV室布置于第一層，GIS設備布置于第二層，通過第一層的電纜夾間向下引線至電纜夾層出線，主變壓器中壓側(cè)采用電纜進線，高壓側(cè)通過架空線連接，其布置方案如圖1所示。

圖1 雙層戶內(nèi)變電站變壓器進線布置斷面

單層布置將GIS室、10 kV室和主變壓器室按順序三列布置于第一層，10 kV室左側(cè)和GIS室靠近變壓器一側(cè)區(qū)域設置電纜夾層，主變壓器高壓、中壓側(cè)采用電纜進線，其布置方案如圖2所示。

圖2 單層戶內(nèi)變電站變壓器進線布置斷面

兩種布置方案有著各自的優(yōu)缺點，其中雙層布置方案的主要優(yōu)點是建筑物占地面積小，主變壓器高壓側(cè)可以采用架空線連接，但其也存在如下不足之處：需要設置樓梯、電纜夾間等輔助設施，不僅使得建筑面積增加，且不便于布置設備和電纜；需要設置消防登高面和室內(nèi)專用消防通道以滿足消防要求，進一步增加了建筑面積和占地面積；GIS設備布置于第二層，由于開關設備的重量較大，需要對第二層的承重進行加固，增加了建筑成本。

對于單層布置方案，其主要優(yōu)點在于省去了樓梯、電纜夾間、消防登高面等輔助設施，不僅縮短了設備連接之間的電纜長度，還因GIS設備布置于一層而降低了建筑物的結(jié)構(gòu)成本。單層布置方案主要不足之處如下：單層布置方案的占地面積比雙層布置方案更大；單層布置方案的電纜通道規(guī)劃比雙層布置方案更復雜；單層布置方案的防火隔離措施比雙層布置方案更復雜。

對于戶內(nèi)GIS設備的布置方式，還需要考慮耐壓試驗的帶電距離。工程中一般通過兩種方法進行耐壓試驗：一種方法是增加GIS室層高從而在戶內(nèi)試驗；另一種方法為通過氣體絕緣輸電線（gas insulated transmission line，GIL）分支母線引出戶外試驗。由于第二種方法使用的GIL分支母線必須由GIS廠家提供，帶有GIL分支母線的GIS設備價格高于常規(guī)GIS設備，其導致整個變電站成本增加。GIL只在耐壓試驗時使用，由于利用率較低而通常被設計單位放棄，因此戶內(nèi)GIS室的耐壓試驗一般采用第一種方法實現(xiàn)。然而，增加GIS室層高進行戶內(nèi)耐壓試驗也存在如下不足之處：對于雙層布置方案，該方案將使建筑物整體高度超過15 m，需要設置消防登高面從而導致占地面積隨之增加；對于單層布置方案，8.5 m高的GIS室和5 m高的10 kV室不匹配，影響建筑物整體一致性；無論是單層配置還是雙層配置，增加層高都增加了建筑物體積和土建工程量。

3 戶內(nèi)型GIS變電站優(yōu)化設計

結(jié)合上述戶內(nèi)型GIS單層和雙層布置方案的各種優(yōu)缺點，本文從耐壓試驗和電纜倉布置兩方面綜合考慮，設計了一種適用于城郊區(qū)域變電站的單層戶內(nèi)型GIS電纜艙戶外布置方案。

3.1 優(yōu)化方案

在單層戶內(nèi)型GIS變電站中，為了進行耐壓試驗而需要增加建筑層高。圖3為220 kV變電站單層布置時結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可知耐壓套管的安全距離為1.8 m，在進行母線電纜倉耐壓試驗時，加上套管自身高度則要求最大室內(nèi)凈空高度為8.5 m。增加GIS設備室高度不僅增加了建設成本，還導致單層并列的10 kV室與GIS室高度不協(xié)調(diào)，影響整體的城市規(guī)劃。

圖3 戶內(nèi)型單層GIS設備戶內(nèi)耐壓試驗布置圖

為了降低GIS室的層高以節(jié)省建設成本和保持建筑的協(xié)調(diào)性，本文將電壓互感器罐體、避雷器、電纜艙、出線空氣套管、出線電纜頭等固定設備布置于室外，將GIS母線部分、斷路器機構(gòu)箱、開關機構(gòu)箱、連桿、智能組件柜、表計、壓力釋放閥等需要重點防護的設備置于室內(nèi)，詳細布置如圖4所示。此方案中電纜倉在GIS室圍墻以外，GIS耐壓試驗可在戶外進行，通過GIL分支母線穿墻對單獨間隔進行耐壓試驗從而完成與戶內(nèi)耐壓試驗相同的測試。出線TV、避雷器連同電纜倉一并戶外布置便于拆卸和試驗，而GIS室建筑物高度僅需滿足GIS設備吊運要求，不需要增加GIL管道等額外試驗設置。從圖4中可知，由于GIS室內(nèi)設備布置無需考慮耐壓試驗的安全距離，因此GIS室高度依舊為5.5 m，此高度與10 kV室高度一致。相對于單層室內(nèi)耐壓試驗方案，此方案既能夠減小建筑物的建設成本和縮短建設周期，還能夠確保建筑物整體一致性。由于電纜艙布置于戶外，室內(nèi)不需要設置電纜夾間和電纜夾層，減少了輔助設施和地下相關設施的建設，尤其是減少了土方開挖量。另外，戶外布置的高壓電纜采用電纜隧道或電纜溝鋪設時，不僅便于電纜規(guī)劃和機械化施工，還避免了與室內(nèi)其他設施交叉干涉，簡化了站外電纜設施接口。由于高壓電纜布置于戶外，電纜故障時不影響戶內(nèi)部分，減小了事故范圍，提高了高壓電纜運行安全性。

圖4 戶外型單層GIS設備戶外耐壓試驗布置圖

上述方案中TV、避雷器、電纜倉布置于戶外，設備元件受到氣候環(huán)境的影響出現(xiàn)故障的概率增加，因此整體的運行維護成本隨之增加。另外，由于電纜倉與GIS室墻壁之間需要進行開孔和封堵處理，特別是GIS室裝配式建筑金屬面板開口和接縫處較易生銹，上述戶外電纜倉布置在高寒、高溫、高濕、大風沙等環(huán)境時需要對建筑物采取更復雜的維護措施。由于TV、避雷器設備直接布置在戶外，突兀的外形與周圍的居民區(qū)、廠房不相協(xié)調(diào)，對整體的市政規(guī)劃造成一定影響，在環(huán)境美觀要求較高的中心區(qū)域則需采用實體圍墻和圍欄等進行遮擋。

3.2 經(jīng)濟性分析

上述改進方案與單層戶內(nèi)GIS布置方案相比，在建筑成本、電纜成本等方面具有較大經(jīng)濟優(yōu)勢，以220 kV變電站為例進行具體分析。

3.2.1 建筑成本分析

由于GIS電纜倉布置不占用戶內(nèi)空間，此時220 kV變電站GIS室縱向尺寸由12 m減小至10 m，則建筑面積節(jié)約率為16.7%和空間節(jié)約率為46.1%。

根據(jù)上述優(yōu)化方案，一座3×180 MVA規(guī)模的220 kV變電站大約減少裝配式建筑面積120 m2，減小建筑物體積360 m3，按照單位成本0.165萬元，節(jié)約投資額度約為60萬元/m3。

3.2.2 輔助設施成本分析

容量為3×180 MVA的220 kV變電站，常規(guī)布置時電纜夾層面積約500 m2，土方量約1500 m3，總建設成本約為150萬元。當按照本方案進行電纜倉外置時，高壓電纜經(jīng)過電纜隧道出現(xiàn)而無需布置電纜夾層，此時開挖電纜隧道和鋪設輔助設施成本約為70萬元，則優(yōu)化方案節(jié)約輔助設施投資額度約為80萬元。

3.2.3 高壓電纜成本分析

220 kV變電站終期220 kV出線6回，110 kV電壓出線12回，上述改進方案與雙層戶內(nèi)變電站布置方案相比，每回出線節(jié)約高壓電纜15 m，若電纜價格為0.075萬元/m，則節(jié)約電纜設備投資額度約為20萬元。

綜上所述，如果采用上述電纜倉外置方案進行布置，一座3×180 MVA規(guī)模的220 kV變電站整體投資節(jié)約資金為160萬元。

3.3 可靠性分析

GIS裝置具備維修周期長、檢修次數(shù)少、故障率低等優(yōu)點，但若有故障發(fā)生則會造成大面積停電，若大型變電站發(fā)生GIS故障，將會帶來巨大的社會影響和經(jīng)濟損失，因此確保GIS設備可靠運行是設計過程中需要優(yōu)先考慮的問題。根據(jù)國家電網(wǎng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，GIS設備元件中斷路器、隔離開關設備和母線部分故障率最高，三者故障分別占整體故障的35.4%、22.4%和15.9%；避雷器、電壓互感器的故障較低，分別占整體故障的0.9%和3.7%；其他故障占整體故障的21.7%[5]。在上述優(yōu)化方案中，母線部分、開關設備和表計等設備布置于室內(nèi)，工作環(huán)境和運行條件能得到保證，為GIS設備整體穩(wěn)定運行提供了基本保障。優(yōu)化方案中出線空氣套管、出線電纜頭、電壓互感器罐體、避雷器、電纜艙等設備布置于戶外，雖然戶外設備穩(wěn)定性受到環(huán)境因素的影響，但布置于戶外的出線空氣套管在國內(nèi)外均有大量實施案例，其可靠性能得到保證；另外，GIS設備廠家罐體大部分采用全鋁合金制造，本身已經(jīng)具有很好的防腐能力，在氣候環(huán)境不太惡劣的地區(qū)仍能可靠運行。

從上述分析可知，本文所提出的改進方案能夠確保GIS系統(tǒng)穩(wěn)定運行，對于諸如空氣污染嚴重、降雨充沛、多酸雨的惡劣運行環(huán)境，則需要采取增加頂棚、遮雨棚以及加裝防雨罩等措施來保護戶外設備免受環(huán)境影響。因此，除了在氣候環(huán)境非常惡劣的地區(qū)，本文提出的優(yōu)化方案能夠保障GIS設備安全和穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

在確保GIS設備安全穩(wěn)定運行的基礎上，本文提出的方案適合應用于城市郊區(qū)、對變電站規(guī)劃用地有一定限制、采用全電纜出線、且氣候環(huán)境條件不太惡劣的變電站。結(jié)合城郊區(qū)域規(guī)劃和土地政策，本文所設計的電纜倉外置方案不僅滿足城郊區(qū)域?qū)Τ鞘姓w外觀的要求，又能夠減小變電站的建筑工程量而降低整體建設成本，具備大規(guī)模推廣應用的前景。