內蒙古電網全戶內GIS變電站設計特點分析

侯國柱

(內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

隨著內蒙古電網第一座220 kV全戶內變電站——烏海納林220 kV變電站于2016年投產，內蒙古電網的全戶內GIS變電站的建設進入了快車道。內蒙古電網近幾年超過50%的新建220 kV及以下電壓等級變電站采用了全戶內GIS的設計方案。全戶內GIS變電站具有對外部環境友好、布置緊湊、占地面積小、設備全部封閉不受環境干擾、運行可靠方便、檢修維護工作量少、可靠性高等優點。內蒙古電網大量全戶內GIS變電站的投運標志著內蒙古電網建設水平站上了一個新臺階，不僅有利于電網安全可靠供電，還有利于節省變電站征地及減少社會矛盾。目前變電站設計參考的重要依據是國網和南網編制的“通用設計”，“通用設計”設置了一定的環境邊界條件，以國網“通用設計”為例，其環境邊界條件為：海拔1 000 m以下；地震動峰值加速度0.01g；設計風速為30 m/s；地基承載力特征值fax=150 kPa；地下水無影響；國標III級(d級)污穢區。該環境條件可適應國家電網公司系統內大部分地區的工程建設需要[1]。鑒于內蒙古電網所在區域的經濟發展水平和地理環境條件有別于“通用設計”設定的環境邊界條件，內蒙古電網的全戶內變電站設計方案相比國網和南網的通用設計方案有一定的地域特點。

1 內蒙古電網變電站建設條件

內蒙古電網供電區域含自治區西部的六市二盟，包括呼和浩特市、包頭市、烏海市、阿拉善盟、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟。為了更深入地探討內蒙古電網全戶內變電站的特點，需先了解內蒙古電網所處地域的社會發展情況和環境條件等電網建設條件。

1.1 經濟發展對變電站選址的影響

內蒙古電網所在區域的呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市共同構成內蒙古自治區黃河“金腰帶”上的“金三角”，經濟發達，人口集中，工業和服務業增長迅猛，這些區域負荷集中，用電量增長較快。另外，以包頭石拐工業園區和烏蘭察布市察右中旗高載能工業園區為代表的工業園區成為了新的負荷增長點，近幾年負荷增長較快，電網加強和升級的需求旺盛。因此，近幾年越來越多的變電站選址集中于經濟發展較快的城市周邊以及負荷增長較快的工業園區內，這對變電站選址及方案設計提出了更高、更嚴苛的要求。

1.2 內蒙古電網的污區分布情況

內蒙古電網的e級污穢區主要集中在包頭、鄂爾多斯、烏海等幾個盟市，伴隨著工業經濟快速發展，近幾年烏蘭察布市的重污穢區也在逐年增加。《內蒙古電力公司污區分布圖使用手冊》(2017年版)顯示：呼和浩特地區中南部、包頭地區南部、烏海地區中南部、巴彥淖爾地區中南部，以及鄂爾多斯地區、阿拉善地區和烏蘭察布地區工業發展較快的零星區域都廣泛分布著e級污穢區。相比“2011年版污區分布圖”，內蒙古電網所在區域e級污穢區范圍有明顯的擴大趨勢。這些重污穢區往往是電力需求比較旺盛的區域，在變電站選址階段無法做到完全避讓這些重污穢地區。因此，在e級污穢地區選址建設變電站已成為內蒙古電網基建的新常態。

1.3 內蒙古電網變電站站址海拔情況

內蒙古自治區地貌以蒙古高原為主體，屬于海拔較高區域。內蒙古電網所在區域除了錫林郭勒盟部分地區海拔900 m左右外，其他地區海拔均高于1 000 m。內蒙古電網變電站大部分都建在海拔高于1 000 m的地區。其中，巴彥淖爾市北部、包頭地區北部、呼和浩特地區北部和烏蘭察布市大部海拔都在1 500 m左右，這些區域廣泛分布著工業園區和廠礦企業，電網建設必不可少。目前內蒙古電網已建的海拔最高的220 kV及以上電壓等級變電站為獲各琦220 kV變電站，海拔高度1 870 m。內蒙古電網在變電站設計方案制定和設備選型時需要考慮高海拔的影響。

1.4 內蒙古電網低溫環境條件

內蒙古電網所在區域各氣象資料對各盟市極端最低溫度統計如表1所示。

表1 內蒙古部分盟市累年極端最低溫度統計表

由表1可以看出，內蒙古電網所在地區除了烏海市外，其它盟市都有極端溫度低于-35℃的地區存在。依據DL/T 5352《高壓配電裝置設計規范》規定，SF6絕緣的電氣設備需要耐受極端最低溫度下的環境條件，“十八項反措”規定：用于低溫(年最低溫度為-30℃及以下)、日溫差超過25 K的GIS應采用戶內安裝方式。因此低溫環境條件是內蒙古電網變電站采用戶內設計的重要參考依據。

1.5 內蒙古電網高地震烈度地區分布

依據GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》，內蒙古電網所在區域8度地震烈度區分布廣泛。其中包括，呼和浩特市區及土左旗，包頭市市區及土右旗，烏海市，鄂爾多斯市的達拉特旗，巴彥淖爾市的烏拉特前旗、烏拉特中旗及烏拉特后旗，阿拉善盟的阿拉善左旗、阿拉善右旗。上述區域廣泛分布著基本地震動峰值加速度大于等于0.2g的8度及以上地震烈度區。因此，內蒙古電網變電站選址及方案設計需考慮地震烈度的影響。

1.6 環境條件對變電站設計的影響

依據DL/T 5218—2012《220 kV～750 kV變電站設計技術規程》規定，在大氣污穢嚴重、場地限制、高地震烈度、高海拔環境條件，以及城市區域變電站，經技術經濟論證，可采用氣體絕緣金屬封閉組合電器。同時，大氣重污穢地區，配電裝置可采用屋內式。綜合上述環境條件，在內蒙古部分區域適合建設全戶內變電站。基于內蒙古電網發展情況和地理環境特點，在全戶內變電站設計過程中形成了區別于國網和南網“通用設計”的設計方案。

2 GIS配電室布置的特點

2.1 GIS布置樓層

GIS設備戶內布置時，為了壓縮變電站占地面積，經常采用多層建筑結構。國網通用設計就采用了將GIS布置在了建筑二層的方案。GIS作為變電站內的重要電氣設備，按照GB 50556—2010《工業企業電氣設備抗震設計規范》要求，“樓層設備的地震作用為地面設備地震作用的兩倍”。因此，GIS布置在建筑二層不利于抗震，布置在建筑一層的設計方案具有較好的抗震性能。內蒙古電網的所在區域中變電站建設需求旺盛的呼包鄂等地區與內蒙古西部的8級及以上地震烈度區的含蓋范圍高度重合，因此在內蒙古電網的全戶內變電站大部分都采用了220 kV和110 kV GIS設備布置在建筑一層的設計方案。GIS布置在建筑一層的方案適用于內蒙古電網高地震烈度區的全戶內變電站設計[2]。

2.2 GIS配電室的設計

通常，220 kV戶內GIS間隔寬度(本體)按照2.2 m考慮，間隔縱向距離6.9 m(不包含控制柜)，配電室縱向寬度12.5 m。戶內GIS設備室內運輸采用墊滾杠拖拽或氣墊運輸的方式，主要部件采用電動葫蘆或行車的方式進行設備吊裝，最大起吊重量不大于10 t，配電室高度按吊裝和試驗考慮，室內吊鉤凈高不小于8 m。110 kV戶內GIS間隔寬度(本體)宜按照0.8 m考慮，兩間隔間距1.2 m，間隔縱向距離5.2 m(不包含控制柜)，配電室縱向寬度10 m。戶內GIS設備室內運輸采用墊滾杠拖拽或氣墊運輸的方式進入室內，吊裝設備就位，最大起吊重量不大于5 t，配電室高度按吊裝和試驗考慮，室內吊鉤凈高不小于6.5 m。近期內蒙古電網全戶內GIS變電站采用了220 kV GIS與110 kV GIS共用一個配電室的方案，由于該方案220 kV配電裝置和110 kV配電裝置共用一個運維通道，可節省配電室寬度1 m。如圖1所示，220 kV GIS與110 kV GIS共用一個配電室具有一定優勢，已在內蒙古電網推廣。

圖1 220 kV、110 kV GIS配電室平面布置圖

3 主變壓器布置的特點

3.1 主變散熱器的布置方式

內蒙古電網110 kV全戶內GIS變電站遠期規模一般設置2臺或3臺容量63 MVA、油浸自冷式主變壓器。220 kV全戶內GIS變電站遠期規模一般設置3臺180 MVA油浸自冷式主變壓器或3臺240 MVA油浸風冷式主變壓器。按照主變散熱器的結構分類，主變壓器可分為散熱器與主變本體“一體式”和散熱器與主變本體水平“分體式”兩種結構。內蒙古電網已投運的變電站中，這兩種變壓器結構均有采用。如海亮110 kV變電站、棉紡110 kV變電站等采用了“一體式”結構(如圖2所示)；呼和浩特萬達110 kV變電站、烏海納林220 kV變電站等則采用了“分體式”結構(如圖3所示)。

圖2 “一體式”主變壓器平面布置

圖3 “分體式”主變壓器平面布置

“一體式”和“分體式”各有利弊，“一體式”結構的主要優點是節省占地，以110 kV、3×63 MVA規模主變為例，一個“一體式”主變壓器室的跨度可比“分體式”變壓器室加散熱器室節省大約2.7 m，3臺主變共節省約300 m3建筑體積，在節省建筑體積方面優勢明顯。但一體式布置時，主變壓器的通風散熱和噪音治理是一對矛盾體，通風散熱良好的變壓器室往往噪音控制差一些，很難兼顧，用在通風設施和降噪的費用比較大。變壓器“分體式”布置是將散熱器布置在了通風條件較好的散熱器室，這有利于變壓器散熱。一般變壓器本體發熱量只占變壓器發熱量的約10%，如果將變壓器本體布置在戶內，散熱器分體布置在戶外，則變壓器所產生的總熱量的約90%將由散熱器帶走，獨立的變壓器散熱器室更方便設置進、出風道，變壓器室內需由通風系統帶走的熱量將不大于10%，可大大減少主變壓器室用于通風散熱的風機的功率，同時也有利于噪聲控制。分體式布置降低了通風、降噪設備的投資及運行費用，符合變電站全壽命周期管理的理念，目前在內蒙古電網大力推廣[3]。

3.2 主變壓器與GIS的連接方式

全戶內變電站的主變進線方案是設計過程中的重點和難點。110 kV全戶內GIS變電站GIS與主變的連接通常采用架空導線連接方式。220 kV全戶內GIS變電站個別布置方案中GIS主變進線套管可伸入到主變壓器室時，采用架空連接或油氣套管外，除此之外的絕大多數布置方案采用電纜連接方式。GIS與主變電纜連接分為兩種方式，一種是插拔式電纜終端連接方式(如圖4所示)，另一種是電纜終端通過架空導線與主變套管連接的方式(如圖5所示)。

圖4 插拔式電纜頭與主變連接方式安裝圖

圖5 電纜終端通過導線與主變套管連接方式安裝圖

國網通用設計(2017版)220 kV部分的A2-1、A2-2、A2-4、A2-5設計方案中GIS與主變連接方式兩種方式都有采用[4]。插拔式電纜終端連接的方式具有節省安裝空間的優點，相較于架空導線連接方式，其變壓器室寬度可縮小約2 m，變壓器室凈高可縮小約1 m。但是該方案缺點是在投運后的試驗方面有一定缺陷。對于插拔式電纜終端連接的變壓器，對其做預防性試驗時需要購置專用的試驗套管，試驗時將連接變壓器的插拔式電纜頭拔出后，插入專用試驗套管進行試驗。由于此試驗方法拆裝難度大，在安裝試驗套管和回復變壓器與電纜頭連接時，需要較長停電時間。給后期的運行維護帶來不便[5]。與之相比，電纜終端通過架空導線與主變套管連接的方式的優點是方便后期運維和試驗，由于電纜頭與主變套管通過架空導線連接，變壓器試驗時解開架空導線即可完成相關試驗，試驗步驟與常規戶外變壓器無異，停電時間短。其缺點是布置電纜頭支架需增加變壓器室寬度，變壓器配帶高中壓套管會增加變壓器室凈空高度，該方式下變壓器室建筑體積較大，經濟性差。內蒙古電網已投產的烏海納林220 kV變電站、攸攸板220 kV變電站和金海工業園220 kV變電站都采用插拔式電纜終端的連接方式。由于后期試驗復雜，給生產運行單位帶來不便，近期內蒙古電網的220 kV全戶內GIS變電站不再采用該方案，基本都采用了電纜終端通過架空導線與主變套管連接的方案。

4 結語

全戶內變電站采用小型化、組合型設備，立體化布置，配合電纜進出線和二次設備智能化的設計，不但能解決環境協調問題，提高土地資源利用率，還可以提高變電站運行可靠性及減少運維工作量，必將為電網建設發揮越來越重要的作用。

內蒙古電網所在區域的部分地區具有環境溫度較低、海拔高度較高、地震烈度較高、污穢較嚴重等環境特點，設計全戶內變電站時應依據當地自然條件，因地制宜，選擇合適的設計方案。