500 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備選型研究

黃錦明（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門(mén)供電局，廣東江門(mén)529000）

500 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備選型研究

黃錦明
（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門(mén)供電局，廣東江門(mén)529000）

目前，常用的500 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備主要分為3種，常規(guī)敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)AIS）、復(fù)合式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)HGIS）以及氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）。該文探討了在工程實(shí)際中，如何選擇適宜的開(kāi)關(guān)設(shè)備種類(lèi)的問(wèn)題。介紹了這3種開(kāi)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)，并給出了各種開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)應(yīng)的總平面布置方案，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性也做了比較。結(jié)合500 kV江門(mén)站改造的工程實(shí)例，提出了每一種開(kāi)關(guān)設(shè)備的適用范圍，為工程應(yīng)用提供參考。

常規(guī)敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備；復(fù)合式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備；氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，變電站數(shù)量大幅增加，對(duì)超高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的性能、可靠性、小型化等方面的要求也越來(lái)越高。目前，超高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主要有：常規(guī)敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)AIS）、復(fù)合式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)HGIS）以及氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備（簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）等三大類(lèi)。這三類(lèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備有各自的特點(diǎn)，適用于不同的情況。本文對(duì)不同種類(lèi)的開(kāi)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行分析，比較各種開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)應(yīng)的總平面布置方案，并對(duì)這三類(lèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，有助于在特定條件下選擇合適的開(kāi)關(guān)設(shè)備，在工程實(shí)際中有一定的參考指導(dǎo)意義。

1　不同種類(lèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)

1.1常規(guī)敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備

常規(guī)開(kāi)關(guān)設(shè)備在電網(wǎng)中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，且價(jià)格相對(duì)便宜，故目前在變電站的設(shè)備選型中仍處于主導(dǎo)地位。同時(shí)近年來(lái)隨著設(shè)備制造水平的不斷提升，常規(guī)電氣設(shè)備的性能已有了很大的提高，如500 kV瓷柱式斷路器由原先的雙柱四斷口結(jié)構(gòu)發(fā)展到如今的單柱雙斷口結(jié)構(gòu)，開(kāi)斷能力由原來(lái)的40 kA發(fā)展為如今的63 kA。但常規(guī)設(shè)備占地面積較大，元件多、故障幾率相對(duì)較高，可靠性相對(duì)較差[1]。

1.2復(fù)合式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備

HGIS（hybrid gas insulate switchgear）是介于A(yíng)IS和GIS之間的一種復(fù)合式氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備，它兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，它將變電站中除變壓器、母線(xiàn)以外的一次設(shè)備，包括斷路器（GCB）、隔離開(kāi)關(guān)（DS）、接地開(kāi)關(guān)（ES）、快速接地開(kāi)關(guān)（FES）、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、避雷器（LA）、架空套管（BSG）等，按不同的主接線(xiàn)及平面布置的要求將有關(guān)元件聯(lián)成一體，構(gòu)成一種沒(méi)有母線(xiàn)的組合式高壓電器。它具有可靠性高，安裝周期短，維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，而且由于它母線(xiàn)敞開(kāi)，比GIS擴(kuò)建更方便。但和GIS相比，占地面積較大，同時(shí)設(shè)備造價(jià)高于A(yíng)IS[2]。

1.3氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設(shè)備

GIS（gas insulate switchgear）與HGIS結(jié)構(gòu)類(lèi)似，在HGIS的基礎(chǔ)上將母線(xiàn)也密封在金屬外殼中，受外界條件的影響更小。它具有占地面積小，運(yùn)行可靠性高，防污及抗震性能好，安裝周期短，維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)[3]。但存在設(shè)備造價(jià)高、內(nèi)部檢修及事故時(shí)的影響范圍大、遠(yuǎn)期擴(kuò)建不便等問(wèn)題，使得GIS的應(yīng)用受到一定限制。

2　總平面布置方案比較

不同種類(lèi)的開(kāi)關(guān)設(shè)備對(duì)應(yīng)不同的總平面布置方案，對(duì)三種開(kāi)關(guān)設(shè)備的布置方案進(jìn)行分析，給出各布置方案的特點(diǎn)。

2.1AIS設(shè)備布置方案

500 kV配電裝置選用常規(guī)開(kāi)關(guān)設(shè)備，采用懸吊式管型母線(xiàn)斷路器三列中型布置，即主變壓器進(jìn)線(xiàn)回路與出線(xiàn)回路相互垂直。母線(xiàn)布置在兩側(cè)，配電裝置采用三排中間構(gòu)架，出線(xiàn)間隔寬度為28 m。主變低進(jìn)，出線(xiàn)高出，500 kV主變進(jìn)線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)懸掛高度為19 m，主母線(xiàn)懸掛高度為20.5 m，間隔內(nèi)上導(dǎo)線(xiàn)懸掛高度為27 m。母線(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)采用單臂垂直伸縮式，串內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)采用組合式水平開(kāi)啟型。

根據(jù)配電裝置尺寸的校驗(yàn)，設(shè)備相間距離取8 m，相對(duì)地距離為6 m。設(shè)備支架高度，主要由設(shè)備間連線(xiàn)對(duì)地距離和連線(xiàn)對(duì)相間運(yùn)輸?shù)缆返陌踩嚯x所決定；構(gòu)架的高度由設(shè)備的高度以及相對(duì)地距離，不同時(shí)停電檢修等因素所決定。這種布置有下列特點(diǎn)：

1）布置緊湊，占地面積小。

2）布置與接線(xiàn)對(duì)應(yīng)，接線(xiàn)清晰。

3）主變采用低構(gòu)架橫穿方式，簡(jiǎn)化了構(gòu)架。

4）線(xiàn)路可以正向出線(xiàn)，也可反向出線(xiàn)，使電源分別接在兩組母線(xiàn)上。

5）構(gòu)架簡(jiǎn)單，鋼耗量低，可采用大檔距導(dǎo)線(xiàn)。

6）兩組母線(xiàn)布置在兩側(cè)，距離遠(yuǎn)，停電檢修時(shí)，感應(yīng)電壓小。

7）采用懸掛式硬管母線(xiàn)，具有施工較方便，抗震性能好，投資相當(dāng)，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)已有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

8）檢修與維護(hù)設(shè)備的工作量較大，土建支架較多。

9）施工安裝周期較長(zhǎng)，設(shè)備的安裝運(yùn)行受周?chē)h(huán)境的影響。

2.2HGIS設(shè)備布置方案

HGIS的布置有以下3種組合方式[4]：

1）“3+0”方式：以斷路器為單元，3個(gè)斷路器單元連成一個(gè)整體構(gòu)成一個(gè)完整串，如圖1所示。

圖1　方式1的HGIS布置圖Fig.1HGIS section of mode 1

此布置方式的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)出線(xiàn)側(cè)可配置隔離開(kāi)關(guān)，設(shè)備可靠性高，較適合于一個(gè)完整串一次性建成。缺點(diǎn)是擴(kuò)建及檢修不方便，布置不夠靈活，尤其是出線(xiàn)反跳時(shí)。

2）“2+1”方式：以斷路器為單元，2個(gè)斷路器單元聯(lián)成一個(gè)整體，另1斷路器單元獨(dú)立，中間通過(guò)軟導(dǎo)線(xiàn)連接構(gòu)成一個(gè)完整串，如圖2所示。

圖2　方式2的HGIS布置圖Fig.2HGIS section of mode 2

此布置方式的優(yōu)點(diǎn)是布置較靈活，尤其是出線(xiàn)反跳時(shí)，設(shè)備可靠性較高，較適合于首期為不完整串的建設(shè)，擴(kuò)建中間斷路器單元時(shí)解開(kāi)斷路器中間的連線(xiàn)后，線(xiàn)路仍可繼續(xù)運(yùn)行，擴(kuò)建后再將連線(xiàn)接回，僅解線(xiàn)和接線(xiàn)時(shí)短時(shí)停電。缺點(diǎn)是進(jìn)出線(xiàn)用軟導(dǎo)線(xiàn)連接側(cè)不能配置隔離開(kāi)關(guān)，與“3+0”方式相比每串設(shè)備增加3只出線(xiàn)套管，設(shè)備費(fèi)用投資稍大。

3）“1+1+1”方式：以斷路器為單元，3個(gè)斷路器單元均獨(dú)立，通過(guò)軟導(dǎo)線(xiàn)連接構(gòu)成一個(gè)完整串，如圖3所示。

圖3　方式3的HGIS布置圖Fig.3HGIS section of mode 3

此構(gòu)造方式的優(yōu)點(diǎn)是布置較靈活，較適合于首期為不完整串（線(xiàn)-線(xiàn)串）的建設(shè)，擴(kuò)建和更換設(shè)備時(shí)為插接式，非常方便，出線(xiàn)僅須短時(shí)停電（解開(kāi)中間的連線(xiàn)及擴(kuò)建后接回連接線(xiàn)時(shí)）。缺點(diǎn)是進(jìn)出線(xiàn)側(cè)不能配置隔離開(kāi)關(guān)且不適合出線(xiàn)反跳的布置（場(chǎng)地受不反跳串的限制，否則須加大場(chǎng)地），與“3+0”方式相比每串設(shè)備增加6只出線(xiàn)套管，設(shè)備費(fèi)用投資稍大。

目前廣東地區(qū)已投產(chǎn)的采用HGIS設(shè)備的500 kV變電站均采用“2+1”方式，布置型式采用懸吊式管型母線(xiàn)斷路器三列中型布置，主變壓器進(jìn)線(xiàn)回路與出線(xiàn)回路相互垂直。母線(xiàn)布置在兩側(cè)，配電裝置采用三排中間構(gòu)架，出線(xiàn)間隔寬度為28 m。主變低進(jìn)，出線(xiàn)高出，500 kV主變進(jìn)線(xiàn)、主母線(xiàn)的導(dǎo)線(xiàn)懸掛高度為20.5 m，間隔內(nèi)上導(dǎo)線(xiàn)懸掛高度為27 m。

根據(jù)配電裝置尺寸的校驗(yàn)，設(shè)備相間距離取8 m，相對(duì)地距離為6 m。設(shè)備支架高度，主要由設(shè)備間連線(xiàn)對(duì)地距離和連線(xiàn)對(duì)相間運(yùn)輸?shù)缆返陌踩嚯x所決定；構(gòu)架的高度由設(shè)備的高度以及相對(duì)地距離，不同時(shí)停電檢修等因素所決定。這種布置有下列特點(diǎn)：

1）布置緊湊，占地面積小。

2）間隔內(nèi)設(shè)備少，檢修方便，維護(hù)工作量小，土建支架大大減少。

3）布置與接線(xiàn)對(duì)應(yīng)，接線(xiàn)清晰。

4）主變采用低構(gòu)架橫穿方式，簡(jiǎn)化了構(gòu)架。

5）線(xiàn)路可以正向出線(xiàn)，也可反向出線(xiàn)，使電源分別接在兩組母線(xiàn)上。

6）構(gòu)架簡(jiǎn)單，鋼耗量低，可采用大檔距導(dǎo)線(xiàn)。

7）采用懸掛式硬管母線(xiàn)，具有施工較方便，抗震性能好，投資相當(dāng)，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)已有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

8）施工安裝周期較長(zhǎng)，設(shè)備的安裝運(yùn)行受周?chē)h(huán)境影響。

2.3GIS設(shè)備布置方案

目前廣東地區(qū)已投運(yùn)的采用500 kV GIS的變電站有2個(gè)，均采用戶(hù)內(nèi)單列式布置，兩個(gè)間隔中心距離寬27 m。GIS配電室寬13 m，高11 m，室內(nèi)配置安裝檢修吊車(chē)。出線(xiàn)通過(guò)GIS管道引出戶(hù)外與27 m寬、25 m高的門(mén)型構(gòu)架連接；主變進(jìn)線(xiàn)通過(guò)GIS管道引出戶(hù)外與主變套管連接。這種布置有下列特點(diǎn)：

1）布置緊湊，占地面積小。

2）施工安裝周期短，維護(hù)工作量小。3）布置與接線(xiàn)對(duì)應(yīng)，接線(xiàn)清晰。

4）GIS戶(hù)內(nèi)安裝，不受周?chē)h(huán)境影響。

5）500 kV設(shè)備支架大幅減少，500 kV構(gòu)架型式簡(jiǎn)單，只有出線(xiàn)門(mén)型構(gòu)架。

6）GIS內(nèi)部檢修或事故時(shí)影響的范圍較大。

3　AIS、HGIS、GIS方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

依據(jù)這3種開(kāi)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，如表1所示。

分析表1，AIS方案造價(jià)便宜，擴(kuò)建方便，運(yùn)行業(yè)績(jī)多，但安全可靠性、防污及抗震性等相對(duì)較差，同時(shí)維護(hù)的工作量大，施工安裝時(shí)間長(zhǎng)，占地面積大。HGIS方案的安全可靠性、防污及抗震性、擴(kuò)建的方便性較好，維護(hù)工作量與施工安裝工作量較小，占地面積較小，有一定的運(yùn)行業(yè)績(jī)，但造價(jià)較高。而GIS方案的安全可靠性、防污及抗震性好，維護(hù)工作量、施工安裝工作量小，占地面積小，有一定的運(yùn)行業(yè)績(jī)，但造價(jià)高，擴(kuò)建的方便性較差，同時(shí)維修時(shí)影響的范圍較大[5-6]。

4　工程設(shè)備選型實(shí)例

對(duì)3種開(kāi)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)、對(duì)應(yīng)的平面布置方案以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析與比較，接下來(lái)結(jié)合500 kV江門(mén)變電站改造時(shí)開(kāi)關(guān)設(shè)備選型的實(shí)例，依據(jù)變電站的地理位置、重要性與建設(shè)條件等選擇合適的開(kāi)關(guān)設(shè)備種類(lèi)。

表1　AIS、HGIS、GIS方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較Tab.1Techno-economical comparisons among AIS，HGIS and GIS

4.1從變電站的地理位置來(lái)看

500 kV江門(mén)變電站位于廣東省江門(mén)市東北8 km的蓬江區(qū)杜阮鎮(zhèn)松園鄉(xiāng)，是廣東省第一座500 kV變電站，由于變電站建設(shè)初期按照交直流合建規(guī)劃，因此站內(nèi)有大片空余場(chǎng)地，從AIS、GIS、HGIS設(shè)備占地情況來(lái)看，目前，空地的位置僅適于布置GIS、HGIS設(shè)備，但GIS設(shè)備價(jià)格過(guò)于昂貴，故采用設(shè)備費(fèi)用相對(duì)較低，檢修與擴(kuò)建方便的HGIS設(shè)備是很適宜的。

4.2從變電站在電網(wǎng)中的重要性來(lái)看

500 kV江門(mén)變電站對(duì)于改善江門(mén)地區(qū)220 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)的安全性和可靠性，滿(mǎn)足江門(mén)市西部負(fù)荷的發(fā)展起到重要作用。而且它是糯扎渡直流電力送入江門(mén)的第一個(gè)樞紐變電站，要求有很高的可靠性。HGIS與GIS設(shè)備由于其主要組成元件均封閉在金屬殼體內(nèi)，故其可靠性?xún)?yōu)于常規(guī)開(kāi)關(guān)設(shè)備[7]。由于HGIS設(shè)備的母線(xiàn)布置于戶(hù)外，一旦故障對(duì)HGIS設(shè)備本體的影響較小，因此，采用HGIS更加合理。

4.3從分期建設(shè)情況來(lái)看

若采用GIS則擴(kuò)建時(shí)運(yùn)行中的設(shè)備需停電對(duì)接，而采用HGIS則不存在此問(wèn)題，首期為不完整串的建設(shè)，在擴(kuò)建中間斷路器單元時(shí)解開(kāi)斷路器中間的連線(xiàn)后，線(xiàn)路仍可繼續(xù)運(yùn)行，擴(kuò)建后再將連線(xiàn)接回，僅解線(xiàn)和接線(xiàn)時(shí)短時(shí)停電，擴(kuò)建十分方便。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)AIS、HGIS、GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的總平面布置方案與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，并結(jié)合500 kV江門(mén)變電站改造時(shí)開(kāi)關(guān)設(shè)備的選型實(shí)例，得出如下結(jié)論：

1）AIS方案造價(jià)便宜、擴(kuò)建方便，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，但占地面積大，安全可靠性相對(duì)較差，同時(shí)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)工作量大。HGIS方案擴(kuò)建較方便、占地面積較小，安全可靠性較好，維護(hù)工作量較小，但造價(jià)較高。而GIS方案占地面積小、安全可靠性好，維護(hù)工作量小，但造價(jià)高、擴(kuò)建不方便，同時(shí)維修時(shí)影響的范圍較大。

2）有足夠的設(shè)備場(chǎng)地、對(duì)變電站的安全可靠性沒(méi)有很高的要求，并考慮后期的擴(kuò)建，建議選用價(jià)格便宜同時(shí)有豐富運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的AIS方案。

3）設(shè)備場(chǎng)地較緊張，對(duì)變電站的安全可靠性要求高，并考慮擴(kuò)建靈活方便，建議選用綜合成本較低、維護(hù)工作量較小的HGIS方案。

4）設(shè)備場(chǎng)地緊張，建設(shè)周期短，環(huán)境條件惡劣，對(duì)變電站的安全可靠性要求高，建議選用維護(hù)工作量小的GIS方案。

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（編輯徐花榮）

Research on Selection of the 500 kV Switchgears Equipment

HUANG Jinming
（Jiangmen Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Jiangmen 529000，Guangdong，China）

At present，there are three kinds of common 500 kV switchgears，namely air insulated switchgear（AIS），hybrid gas insulated switchgear（HGIS）and gas insulated switchgear（GIS）.This paper focuses on how to choose the most appropriate type of switchgear.The characteristics and the corresponding scheme of general layout of each kind of the switchgears are elaborated，and techno-economical comparisons are made.Based on the actual case of the 500 kV Jiangmen Substation Innovation project，the paper recommends the application scope of each kind of switchgear with useful reference for engineering applications.

air insulated switchgear；hybrid gas insulated switchgear；gas insulated switchgear

1674-3814（2015）06-0083-05

TM56

A

2014-12-17。

黃錦明（1974—），男，大學(xué)本科，電氣工程師，認(rèn)證的國(guó)際項(xiàng)目經(jīng)理IPMP，現(xiàn)從事電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行管理。