緩沖氣室在封閉式組合電器中的應用研究

淡炳雄 沈 威

上海西門子高壓開關有限公司 上海 200245

1 封閉式組合電器概述

封閉式組合電器具有占地面積小、體積小、質量輕、元件全部密封不受環(huán)境干擾、運行高度可靠等優(yōu)點,長期以來是變電站開關設備的首選。早期國內對封閉式組合電器運行連續(xù)性概念的討論并不多,隨著運行經(jīng)驗的積累,以及用戶對供電可靠性要求的不斷提高,越來越多的用戶要求在維護、維修、擴建中盡可能避免停電或減小停電范圍,相關學者也開始越來越關注封閉式組合電器運行可靠性方面的研究[1-4]。電力行業(yè)標準DL/T 617—2019《氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件》附錄F對運行連續(xù)性進行了描述,系統(tǒng)運行連續(xù)性需求通過單線圖選擇及饋電順序和組件的物理布置來滿足,首要考慮正常維護、故障后修理或擴建造成的損失。國家標準GB/T 7674—2020《額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》附錄C對此也進行了相同的描述[5-6]。

西門子公司對封閉式組合電器技術的應用已經(jīng)有超過50 a的歷史,其可靠的產(chǎn)品質量得到了用戶廣泛認可,1968年交付的第一個123 kV封閉式組合電器變電站經(jīng)過維護保養(yǎng),至今仍在運行,如圖1所示。除了自身產(chǎn)品質量可靠以外,西門子公司也在產(chǎn)品開發(fā)中考慮了封閉式組合電器的運行連續(xù)性要求,結合國際電工委員會標準IEC 62271-203《高壓開關設備和控制設備-第203部分:額定電壓為52 kV以上的氣體絕緣金屬封閉開關設備》,與用戶合作,不斷研究提高運行連續(xù)性的可行性,總結出行之有效的設計和應用[7-8]。

2 運行連續(xù)性定義及要求

每個變電站的用途及在電力系統(tǒng)中的戰(zhàn)略位置都是不同的,停電所造成的影響也不一樣。因此,在投標階段,除變電站基本信息外,用戶還應對封閉式組合電器的正常維護、故障后修理或擴建提出運行連續(xù)性要求,并與制造廠交換信息。

DL/T 617—2019附錄F對封閉式組合電器的運行連續(xù)性要求進行了初步定義:第一,不允許斷電,通常適用于較少的維護,如目視檢查;第二,允許運行靈活性的喪失,如母線喪失、饋線不喪失下的母線分段喪失或母聯(lián)喪失;第三,允許饋線喪失,包括一個或多個饋線喪失;第四,允許整個變電站喪失,在沒有變電站的情況下,由電網(wǎng)來暫時支持負荷供電和電力傳輸。

DL/T 617—2019附錄F提出了用戶及制造廠在運行連續(xù)性方面的責任劃分。用戶可以規(guī)定在維護、故障修理或擴建期間運行連續(xù)性的量化考核總體說明。如在維護及修理期間至少要有一條線路和變壓器饋線保持運行,維護維修期間最多只允許一段母線和一段饋線停止運行,擴展期間特定的饋線間隔有功率流。用戶還可以規(guī)定更為詳細的運行連續(xù)性要求,DL/T 617—2019附錄F中表F.1給出了相應的參考模板。制造廠有責任設計和定義氣室分隔來滿足用戶的要求。

3 封閉式組合電器相關要求

封閉式組合電器維護、維修及擴建時的安全性是基本的考慮要素,每家封閉式組合電器制造廠都會對安全操作提出基本要求。一般來說,直接在受壓隔板上工作或是在緊鄰受壓氣室內工作是被禁止的,如圖2所示。針對這種情況,通常將需要作業(yè)的相鄰氣室壓力降低到一定程度[9],對此,不同的制造廠和用戶,規(guī)定是不同的,如圖3所示。

圖2 禁止工作

圖3 允許工作

另一個對運行連續(xù)性有重要影響的因素是維修及擴建后的現(xiàn)場絕緣試驗。一般而言,要求試驗電壓和運行電壓之間至少要有兩個隔離斷口,如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場絕緣試驗要求

4 三工位開關模塊

目前,72.5 kV～145 kV封閉式組合電器通常采用三相外殼設計,優(yōu)點是高度緊湊、模塊組成靈活。很多制造廠還采用隔離開關和檢修接地開關一體的三工位開關模塊,如圖5所示。這種模塊在一個氣室內提供隔離合閘、隔離斷開、接地合閘三個工作位置。每個模塊只需要一個機構,就可以執(zhí)行全部操作,接地開關還可以實現(xiàn)對外殼絕緣,進而實現(xiàn)不同的試驗功能,如電流互感器試驗等。

圖5 三工位開關模塊

圖6 145 kV雙母線封閉式組合電器接線

圖7 145 kV雙母線封閉式組合電器布置

采用主母線與隔離接地相結合的母線三工位開關,發(fā)生絕緣故障時,隔離功能會喪失。檢修時,除了該三工位開關所屬母線需要退出運行外,該三工位開關所屬間隔的相鄰兩側饋線間隔也需要退出運行。退出運行間隔的數(shù)量與母線劃分氣室有關,氣室劃分越少,停電范圍越大。

5 增加緩沖氣室提高運行連續(xù)性

增加緩沖氣室,可以有效減少停電間隔的數(shù)量,提高運行連續(xù)性。根據(jù)國網(wǎng)公司統(tǒng)計,封閉式組合電器故障主要集中在斷路器、隔離開關、接地開關等可動模塊之間。由此,筆者主要分析母線隔離開關與斷路器的維護、維修、更換,只考慮在間隔與間隔之間,以及間隔內母線三工位開關與斷路器之間增加緩沖氣室,接線如圖8所示,布置如圖9所示。

圖8 增加緩沖氣室接線

圖9 增加緩沖氣室布置

先分析間隔與間隔之間母線上增加緩沖氣室,這種設計可以實現(xiàn)一條母線或母線上隔離開關需要維護作業(yè)時,另外一條母線依然帶電運行,只影響相鄰一個間隔的運行。拆除故障母線隔離開關如圖10所示,間隔E04母線M2上的隔離開關出現(xiàn)故障,斷路器跳閘,運行負荷從母線M2倒至M1[10]。為了保證安全性,隔離開關相鄰緩沖氣室壓力要降低到一個定值,這樣才可以對故障模塊進行更換或維修操作。由于間隔E05上母線隔離開關氣室壓力降低,隔離斷口絕緣無法滿足,進而影響到間隔E05的供電,因此除了間隔E04和E05外,其它間隔都通過母線M1供電。

圖10 拆除故障母線隔離開關

有些重要電站,客戶要求除故障間隔不允許長時間停電外,其它間隔要保持雙母線供電。此時可以采用旁路母線加蓋板的方案。旁路母線連接如圖11所示,旁路母線加蓋板如圖12所示。間隔E04母線隔離開關拆除后,外露觸頭用蓋板重新封上,間隔E03和E05之間用旁路母線連接。充氣后母線M2通電,間隔E04由母線M1供電運行,包括E05在內的其它間隔仍然滿足雙母線帶電運行要求。需要注意的是,間隔E04在換回母線隔離開關時,間隔E05依然需要停電。

圖11 旁路母線連接

圖12 旁路母線加蓋板

某些特別重要的電站要求更高,除故障模塊間隔允許停電外,其它間隔都不允許停電。對此可以在兩個間隔之間增加兩個緩沖氣室,如圖13所示。顯然此時除了間隔E04外,其余間隔都通過母線M1供電。如果采用旁路母線連接方案,不僅間隔E04可以繼續(xù)帶電運行,而且其它間隔也均滿足雙母線帶電運行要求,供電可靠性更高,并且間隔E04母線隔離開關拆除和更換時,間隔E03和E05都不受影響。

增加雙緩沖氣室還有一個優(yōu)點,即可以滿足母線上任意故障模塊的更換,并且只影響故障模塊所屬的間隔,其余間隔都不受影響。顯然此時母線連續(xù)運行的可靠性最高,當然,同樣模塊的數(shù)量也隨之增加。

母線和斷路器之間的緩沖氣室主要用于斷路器的維護與維修。滅弧室拆除如圖14所示,間隔母線隔離開關斷開后,緩沖氣室壓力降低,作為過渡氣室,可以使隔離開關壓力保持不變。此時可以打開斷路器氣室,對滅弧室進行維修或更換。

s.e. 0.0167 0.0080 0.0215 0.0347 0.0457 0.0562 0.0568 0.0442

圖14 滅弧室拆除

如果需要拆除斷路器,并且緩沖氣室的氣密隔板也屬于斷路器,那么可以在母線和斷路器之間增加兩個緩沖氣室來解決,如圖15所示。

圖15 增加雙緩沖氣室拆除斷路器

對于一些特殊設計,當緩沖氣室的氣密隔板不屬于斷路器時,拆除斷路器時可以只增加一個緩沖氣室,如圖16所示。

圖16 增加單緩沖氣室拆除斷路器

6 主動母線結構封閉式組合電器擴建

6.1 常見擴建類型

在一些有擴建需求的變電站,擴建接口的預留及擴建設備的布置對系統(tǒng)的運行連續(xù)性也有影響。常見的雙母線擴建類型有兩種[11-12]。第一種是母線上預留接口,母線端部擴建完整間隔,如圖17所示。第二種是母線隔離和接地開關隨母線設備在一期上齊,遠期以母線處隔離開關作為擴建接口,如圖18所示。

6.2 母線端部擴建完整間隔步驟

緩沖氣室在擴建工程中對系統(tǒng)的運行連續(xù)性有重要影響,基于緩沖氣室在擴建工程中所起的作用,對母線端部擴建完整間隔的步驟進行介紹。

第一步,根據(jù)操作規(guī)程,運行負荷由母線M1倒至M2,母線M1隔離斷開,主回路及外殼安全接地,緩沖氣室邊上的對接端蓋打開,新的擴建設備間隔E06安裝就位,并留出相應的操作空間,準備對接現(xiàn)有的封閉式組合電器,如圖19所示。

圖19 擴建第一步

第二步,母線M1與擴建設備的母線之間預留可拆卸高壓試驗斷口,斷口設在擴建設備的對接母線上。母線連接后,充氣至工作壓力,之后母線M1重新通電,如圖20所示。

圖20 擴建第二步

第三步,將負荷由母線M2倒至M1,母線M2所有隔離斷開,主回路及外殼安全接地,緩沖氣室邊上的對接氣室打開,安裝擴建設備與母線M2之間的對接母線。安裝完成后,間隔E06充氣,此時可以在擴建設備的母線M2上進行高壓試驗[13-15],如圖21所示。

圖21 擴建第三步

第四步,試驗成功后,再將負荷倒至母線M2。由于第三步已經(jīng)通過擴建設備的母線M2進行了高壓試驗,因此第二次高壓試驗只對擴建設備的母線M1進行,如圖22所示。

圖22 擴建第四步

第五步,所有試驗結束后,安裝母線M1與對接模塊之間的連接導體,完成后將負荷倒回至母線M1,如圖23所示。

圖23 擴建第五步

第六步,將母線M2與對接模塊的連接導體安裝好,然后充氣通電,整個擴建工作完成,如圖24所示。

圖24 擴建第六步

由以上介紹可以看到,借助于母線緩沖氣室,可以實現(xiàn)完全不停電擴建。如果將可拆卸斷口改為手動隔離開關,那么試驗結束后合上手動隔離開關,第三步和第四步中安裝導體的工作可以省略,節(jié)省現(xiàn)場工作量。上述方法同樣適用于遠期以母線處隔離接地開關作為擴建接口的情況,可拆卸斷口設置在擴建設備上,其它步驟相同。

7 結束語

封閉式組合電器的運行連續(xù)性和運行可靠性取決于諸多因素的影響。筆者研究表明,應用緩沖氣室,在封閉式組合電器維護、維修、擴建過程中可以大大減小停電范圍,縮短停電時間,是提高運行連續(xù)性和運行可靠性的重要方法。當然,成本會相應增加,使用占地面積也會增大。

DL/T 617—2019附錄F明確,基于新變電站的特定用途及其所在電網(wǎng)中的戰(zhàn)略位置,斷電的影響可能是不同的。因此,除基本信息外,用戶和制造廠還應在投標時進行充分溝通,包括在維護、維修、擴建等方面提出運行連續(xù)性要求。用戶有責任規(guī)定關于運行連續(xù)性的維護策略,包括停電范圍、停電時間等。制造廠結合自身產(chǎn)品的特點,設計緩沖氣室,以滿足用戶要求。