疊層配電裝置方案研究

孔繁力，劉 剛，崔永勝，王沛芳，李艾擇，王 春

（1.東北電力設(shè)計(jì)院，長春 130021；2.黑龍江安泰監(jiān)理公司，哈爾濱 150000）

最早配電裝置為AIS（空氣絕緣組合電器）型，為減少配電裝置占地研發(fā)出GIS（六氟化硫絕緣封閉式組合電器）型和H－GIS（混合絕緣封閉式組合電器）型［1］，上述三種配電裝置都布置在一個(gè)平面上。從利用空間的角度出發(fā)，將現(xiàn)今的配電裝置由平層布置轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw空間布置，于是提出一種全新的配電裝置方案——疊層配電裝置方案［2］，即利用原有配電裝置上面的空間，布置若干個(gè)（層）配電間隔，將平面布置變成立體布置。近年來由于高層建筑設(shè)計(jì)技術(shù)、鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)和施工機(jī)械的快速發(fā)展，疊層配電裝置方案無論從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是施工機(jī)械與施工能力，都有了可靠的保證，使疊層配電裝置成為現(xiàn)實(shí)。

1 配電裝置類型及占地面積及造價(jià)的比較

1.1 配電裝置類型

配電裝置是控制、接受和分配電能的配電電氣設(shè)備的總稱，根據(jù)電氣設(shè)備絕緣方式，目前有AIS、GIS和H－GIS三種配電裝置。

GIS配電裝置把母線和隔離開關(guān)、斷路器、電流互感器、電壓互感器及避雷器等設(shè)備全封閉在SF6氣室內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，缺點(diǎn)是若某個(gè)配電間隔出現(xiàn)問題，需要把與之相關(guān)的配電間隔一起停電，造成廣泛的停電，而且停電持續(xù)時(shí)間比較長；另外，投資造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都特別高，SF6氣體不環(huán)保。

為改善GIS 配電裝置生產(chǎn)運(yùn)行和檢修維護(hù)中的缺點(diǎn)，又能生產(chǎn)出介于AIS和GIS之間的新型高壓開關(guān)設(shè)備H－GIS，其結(jié)構(gòu)與GIS 基本相同，但不包括母線設(shè)備。H－GIS 優(yōu)點(diǎn)是母線不裝于SF6氣室內(nèi)，與AIS 相同是外露的，因而結(jié)線清晰、簡潔、緊湊，安裝及維護(hù)檢修比GIS 方便，但占地比GIS稍大。

由于現(xiàn)在變電站征地過程存在鄉(xiāng)村占用農(nóng)民耕地問題、城市居民動遷以及工廠、企業(yè)拆遷問題，形成占地地價(jià)寸土寸金，于是目前我國開始大量使用GIS配電裝置或H－GIS配電裝置。以上幾種配電裝置在設(shè)計(jì)上均為平面布置，也就是說所有電氣設(shè)備、進(jìn)出線間隔以及母線，都布置在一個(gè)平面上。

1.2 占地面積及造價(jià)的比較

［1］中，在變電站內(nèi)裝500kV 變壓器3組，裝3組60 Mvar低壓電抗器和3 組60 Mvar電容器；500kV 出線8回，其中2回500kV 出線上各裝1組500kV 高壓電抗器，500kV為1個(gè)半結(jié)線，最終6串；220kV 出線16回，220為雙母線單分段結(jié)線（最終24個(gè)間隔）情況下，當(dāng)采用AIS配電裝置方案、H－GIS配電裝置方案或GIS配電裝置方案時(shí)，變電站圍墻內(nèi)占地面積見表1，投資造價(jià)見表2。

表1 變電站圍墻內(nèi)占地面積 m2

由表1可知，變電站主變壓器、低壓電抗器、電容器無功補(bǔ)償設(shè)備占地面積，是全變電站占地面積的19.6%；高壓配電裝置占地面積，是全變電站占地面積的48.68%；低壓配電裝置占地面積，是全變電站占地面積的31.72%（其中低壓母線占地面積，是全變電站占地面積的9.94%，低壓進(jìn)出線占地面積，是全變電站占地面積的21.78%）。為減少變電站占地面積，在保持原有變電站設(shè)備容量、進(jìn)出線條件下，應(yīng)從減少高、低壓配電裝置的布置方式著手，于是研制生產(chǎn)出GIS和H－GIS設(shè)備。

3種配電裝置占地面積基本相同（12 690～11 840m2），但占本類型全變電站占地面積的百分比不同（19.6%～39.4%）。高壓配電裝置占地面積以AIS配電裝置方案最大，H－GIS配電裝置方案占地面積次之，GIS配電裝置方案占地面積最少。低壓配電裝置占地面積也是AIS配電裝置方案最大，H－GIS配電裝置方案占地面積和GIS 配電裝置方案占地面積相差不大，但3種電氣設(shè)備投資造價(jià)相差很多（見表2）。

表2 典型設(shè)計(jì)中各種類型配電裝置的投資造價(jià) 萬元

由表2可知，3種配電裝置布置方式主變壓器投資造價(jià)基本相同，但整個(gè)變電站的投資造價(jià)相差較大，H－GIS配電裝置布置方案投資造價(jià)是AIS配電裝置布置方案的1.16倍，GIS配電裝置布置方案投資造價(jià)是AIS配電裝置布置方案的1.35倍。高壓配電裝置投資造價(jià)相差更大，H－GIS配電裝置布置方案投資造價(jià)是AIS配電裝置布置方案的1.42倍，GIS配電裝置布置方案投資造價(jià)是AIS配電裝置布置方案的2.21倍。低壓配電裝置投資造價(jià)相差也大，H－GIS配電裝置布置方案投資造價(jià)是AIS配電裝置布置方案的1.66倍，GIS配電裝置布置方案投資造價(jià)是AIS配電裝置布置方案的1.57倍。為節(jié)省工程投資造價(jià)，應(yīng)采用AIS配電裝置布置方案。若要既節(jié)省占地面積又節(jié)省投資，則應(yīng)采用新型的配電裝置——疊層配電裝置。

2 疊層配電裝置方案研究

2.1 疊層配電裝置概述

AlS配電裝置采用技術(shù)成熟、價(jià)廉、安全可靠的電氣設(shè)備，每個(gè)間隔從母線至出線裝設(shè)的電氣設(shè)備有：隔離開關(guān)、斷路器、電流互感器、隔離開關(guān)、電壓互感器、避雷器，雙母線AIS 配電裝置設(shè)備及布置示意圖如圖1 所示［1，3］，而AIS疊層配電裝置每個(gè)間隔所用電氣設(shè)備與AlS配電裝置完全一樣。

依據(jù)2017年各季節(jié)網(wǎng)絡(luò)關(guān)注度數(shù)據(jù)，計(jì)算張家界春夏秋冬四季客源市場地理集中度指數(shù)、首位度、首位度省區(qū)市場占有率(表2)，可以發(fā)現(xiàn)，冬季地理集中度指數(shù)最高，客源市場相對集中，其次是夏季和秋季，春季地理集中度指數(shù)最低，客源市場相對更為穩(wěn)定。首位度指數(shù)存在一定的差異，其中春季和秋季二省區(qū)指數(shù)度指數(shù)較高，秋季和冬季四省區(qū)指數(shù)和十一省區(qū)指數(shù)較高。在4個(gè)季節(jié)中，除了夏季的首位省區(qū)是廣東省外，其余3個(gè)季節(jié)的首位省區(qū)都是湖南省。各季節(jié)的市場占有率差值較小，說明客源市場穩(wěn)定，季節(jié)波動小。

為了新建變電站節(jié)約占地以及原有變電站擴(kuò)建或升壓改建不增加用地面積，從利用空間的角度出發(fā)，將現(xiàn)今的配電裝置由平層布置轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw空間布置，于是發(fā)明并設(shè)計(jì)出一種全新的配電裝置方案——疊層配電裝置方案［2］，即：利用原有配電裝置上面的空間，布置若干個(gè)（層）配電間隔，將平面布置變成立體布置，有如將平房改建為高樓一樣。例如本文1.2節(jié)中介紹的500kV 典型設(shè)計(jì)的500kV 配電裝置為6串（11～12 個(gè)進(jìn)出線），220kV 配電裝置為24 個(gè)間隔，按每個(gè)疊層由二個(gè)間隔構(gòu)成，則500kV 疊層配電裝置為3 層，220kV 疊層配電裝置為12層（每層2個(gè)間隔）或2個(gè)220kV 疊層配電裝置（每個(gè)疊層由2個(gè)間隔構(gòu)成）6層。形成的疊層配電裝置立體布置見圖2。疊層配電裝置的電氣設(shè)備可采用常規(guī)AIS配電裝置設(shè)備、H－GIS配電裝置設(shè)備或GIS配電裝置設(shè)備。

圖1 雙母線AIS配電裝置設(shè)備及布置示意圖

2.2 疊層配電裝置建筑結(jié)構(gòu)

疊層配電裝置屬于多層或高層建筑，可采用框架結(jié)構(gòu)或框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)梁、板、柱可以采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土材料或裝配式鋼結(jié)構(gòu)材料。采取組合式鋼結(jié)構(gòu)梁、板、柱，可實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制、現(xiàn)場安裝（其中梁、柱可采用高強(qiáng)鋼管發(fā)泡混凝土構(gòu)件，以降低結(jié)構(gòu)造價(jià)），使施工進(jìn)度大大加快；由于高層建筑設(shè)計(jì)技術(shù)、鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)和施工機(jī)械近年來的發(fā)展，疊層配電裝置方案無論從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是施工機(jī)械與施工能力都有了可靠的保證，使疊層配電裝置成為現(xiàn)實(shí)。

母線位于兩個(gè)配電間隔之外垂直布置，再通過T 接的水平母線進(jìn)入各層的配電間隔，從而使得疊層布置的各個(gè)配電間隔與母線能順利連接。

圖2 疊層配電裝置方案

疊層配電裝置可以是無維護(hù)墻、屋蓋的敞開式結(jié)構(gòu)，也可以是有外墻、屋蓋的戶內(nèi)結(jié)構(gòu)。戶內(nèi)結(jié)構(gòu)適用于嚴(yán)寒和高污染、高腐蝕性環(huán)境，除此外的常規(guī)環(huán)境適用敞開式結(jié)構(gòu)。配電裝置分別設(shè)有兩部貨運(yùn)電梯和樓梯，電梯一備一用，用于運(yùn)輸設(shè)備、人員、施工及維護(hù)機(jī)具、檢修叉車等，各層配電設(shè)備周圍設(shè)有巡視檢修道，用于設(shè)備檢修、人員巡視及叉車運(yùn)輸設(shè)備等，樓梯用于人員緊急疏散和交通。

通過將現(xiàn)今的配電裝置由平層布置轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw空間布置，可以大幅度地節(jié)約用地，從而大大地降低配電裝置的占地面積（AIS疊層配電裝置占地可僅為常規(guī)配電裝置的25%～35%），AIS 疊層配電裝置占地面積與GIS 配電裝置占地面積相當(dāng)甚至還低，工程造價(jià)大大低于GIS配電裝置；若某個(gè)單獨(dú)配電間隔出現(xiàn)問題，可以像AIS配電裝置一樣，在保證其他配電間隔不停電狀況下單獨(dú)檢修有問題的配電間隔，不會造成大面積停電，故常規(guī)AIS配電裝置采用疊層方案后，占地、造價(jià)、維護(hù)、運(yùn)行等各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于GIS配電裝置。

對參考文獻(xiàn)［3］所列13個(gè)方案進(jìn)行對比分析可知，由于各方案中變壓器容量、數(shù)量不同，高、中、低壓主結(jié)線和送出線回路數(shù)不同，無功補(bǔ)償容量不同，不能像500kV 那樣進(jìn)行全面的比較，只能將220 kV、110（66）kV 單個(gè)配電間隔占地面積和投資造價(jià)列入表3內(nèi)。

表3 單個(gè)配電間隔指標(biāo)

由表3 可知，AIS 占地面積最大，投資造價(jià)最??；GIS占地面積最小，投資造價(jià)最大，這點(diǎn)與表1和表2分析結(jié)果一致。

將220kV 典型設(shè)計(jì)220kV 高壓配電裝置方案每個(gè)立面布置5層，則220kV 的AIS疊層配電裝置方案的高壓配電裝置占地面積689m2，比220 kV 的GIS配電裝置方案高壓配電裝置占地面積700m2少；將220kV 變電站110（66）kV 低壓配電裝置方案每個(gè)立面布置4層，則110（66）kV 的AIS疊層配電裝置方案的占地面積288m2，比110（66）kV 的GIS配電裝置方案低壓配電裝置占地面積384m2少。AIS疊層配電裝置與AIS配電裝置不同之處，在于AIS（或GIS）疊層配電裝置的母線位于兩個(gè)配電間隔之外垂直布置，通過T 接的水平母線進(jìn)入各層的配電間隔。

3 疊層配電裝置技術(shù)優(yōu)勢及特點(diǎn)

3.1 減少占地

當(dāng)AIS疊層配電裝置為2層時(shí)，可節(jié)省配電裝置占地面積接近1／2；當(dāng)疊層配電裝置為3層時(shí)，可節(jié)省配電裝置占地面積接近2／3；當(dāng)疊層配電裝置為4 層時(shí)，可節(jié)省配電裝置占地面積接近3／4；當(dāng)AIS疊層配電裝置為5層時(shí)，可節(jié)省配電裝置占地面積接近4／5。

3.2 供變電站擴(kuò)建或升壓改造用

由表4知，在變電站內(nèi)低壓電抗器、電容器無功補(bǔ)償設(shè)備、站用變壓器等建筑物占地面積上面，可建500kV 或220kV 疊層配電裝置，這樣不僅可以節(jié)省新建變電站占地面積，還可以在己建變電站中無功補(bǔ)償設(shè)備上面，建疊層配電裝置供各級電壓擴(kuò)建出線用。

表4 低壓電抗器、電容器、站用變壓器等設(shè)備占地面積

隨著城市的發(fā)展，城市用電負(fù)荷在迅速增加，往往要求原有變電站進(jìn)行擴(kuò)建或升壓改建以滿足地區(qū)用電，原建于城外或城郊的變電站，因城市發(fā)展在原有變電站四周己建成新建筑物，使得原有變電站擴(kuò)建不能再增加占地面積。采用疊層配電裝置，對位于城區(qū)老變電站進(jìn)行擴(kuò)建或升壓改造變成可能。

3.3 減少投資造價(jià)

由表2知，對500kV 配電裝置500kV 的GIS投資造價(jià)是AIS 的2.2 倍，220kV 配電裝置220 kV 的GIS投資造價(jià)是AIS的1.57倍。因疊層配電裝置采用AIS 常規(guī)設(shè)備，其投資造價(jià)是GIS 的45.45%～63.69%。AIS疊層配電裝置投資造價(jià)與AIS配電裝置相比僅增加土建部分投資。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)對原有變電站擴(kuò)建，采用疊層配電裝置的土建增加費(fèi)用與站內(nèi)、外拆遷補(bǔ)償費(fèi)用相當(dāng)，采用疊層配電裝置投資造價(jià)約為GIS的50%～70%。

AIS疊層配電裝置結(jié)線清楚、簡潔、安裝及維護(hù)方便，運(yùn)行維修費(fèi)用低，而且沒有SF6等有害氣體。

4 結(jié)束語

疊層配電裝置可減少占地面積，疊層越多減少占地面積越大。當(dāng)疊層配電裝置為4層時(shí)，占地面積為常規(guī)AIS配電裝置占地面積的1／4或稍多，可節(jié)省配電裝置占地面積接近3／4；疊層配電裝置投資造價(jià)為GIS配電裝置的50%～70%，而運(yùn)行維護(hù)條件比GIS好得多；對原有變電站AIS配電裝置擴(kuò)建，采用疊層配電裝置的土建增加費(fèi)用與變電站內(nèi)、外拆遷補(bǔ)償費(fèi)用相當(dāng)；疊層配電裝置，給老城區(qū)變電站擴(kuò)建或升壓改造創(chuàng)造了條件。

參考文獻(xiàn)：

［1］國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司500kV 變電站典型設(shè)計(jì)［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］孔繁力，劉鋼，王春.變電站疊層配電裝置：中國，201210459414.1［P］.2013－03－20.

［3］國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計(jì)220kV 變電站分冊［M］.北京：中國電力出版社，2005.