小型化220 kV HGIS設備的緊湊布置研究

楊 洸，付 磊，朱 克，程子豪，周圣枝

（1.湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

小型化220 kV HGIS設備的緊湊布置研究

楊 洸1，付 磊1，朱 克2，程子豪1，周圣枝1

（1.湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

針對混合氣體絕緣開關（HGIS）的應用現狀和功能特點，提出一種基于小型化HGIS設備的220 kV緊湊型配電裝置形式，介紹了該配電裝置的優(yōu)化思路與優(yōu)化效益。通過模擬仿真驗證了該配電裝置在雷電侵入波、空間電場強度、母線感應電壓等方面的技術合理性，為該配電裝置的應用提供了依據。

小型化；混合氣體絕緣開關（HGIS）；緊湊布置；雷電侵入波；空間電場；母線感應電壓

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，土地資源日益稀缺，變電站建設受用地規(guī)劃等各種外部條件限制的情況日益增多。建設單位對變電站進一步朝集約化、小型化方向發(fā)展有了更強烈的現實需求。混合氣體絕緣開關（hybrid gas insulation switchgear, HGIS）是一種緊湊型電氣設備，其結構與GIS基本相同，將除母線以外的設備，如斷路器(CB)、隔離開關(DS)、接地開關(ES)、快速接地開關(FES)、電流互感器(TA)等以單相方式全部封閉在一個可靠接地的鋁制金屬殼體內，并充入一定壓力的SF6氣體作為導電體對地的主絕緣。

與同為緊湊型設備的GIS相比，HGIS有很多實用的功能性優(yōu)點，如擴建方便，停電時間短；對土建基礎接口要求不高；間隔互換通用性強，擴建時對廠家沒有特殊要求等。但是HGIS占地面積比GIS大，限制了其應用范圍。為了發(fā)揮HGIS的眾多功能優(yōu)勢，值得對其布置進行深入研究，為工程應用提供一種新的選項[1]。

1 HGIS配電裝置的應用現狀

國家電網公司輸變電工程通用設計（2011年版）中，220 kV變電站的HGIS方案共有3個基本方案，方案中220 kV均采用HGIS設備，110 kV均采用GIS設備。220 kV配電裝置的典型基本模塊為6線3變，雙母線接線，尺寸為Φ86 mm×55 m，其平斷面示意圖如圖1、圖2所示[2]。其主要特點有：1）HGIS采用雙列布置；2）2組母線構架并列布置，進、出線構架獨立布置；3）線路側設置橫向運輸道路，間隔之間設置縱向的運輸道路；4）HGIS設備縱向尺寸按11.5 m控制。其主要指標如下：間隔寬度12.5 m，配電裝置橫向距離86 m；母線相間距取3.5 m，兩組母線邊相管母距離6 m，配電裝置縱向尺寸為55.5 m。

圖1 220 kV配電裝置平面布置圖Fig.1 The layout of 220 kV power distribution unit

圖2 220 kV配電裝置斷面圖Fig.2 The profile of 220 kV power distribution unit

2 HGIS設備的技術現狀

經調研，國內HGIS設備有3種技術路線分別為GIS路線、罐式斷路器路線和國外引進的PASS設備。GIS路線將GIS設備中的主母線取消，主回路中與母線連接的導體改為SF6充氣套管，該路線的代表廠家有上海思源和山東泰開。罐式斷路器路線則通過將罐式斷路器兩側增加隔離開關和SF6充氣套管形成，該路線的代表廠家為西安西電[3]。PASS為國外引進設備，其代表廠家為ABB。上述各廠家的HGIS設備外形圖如圖3所示。

圖3 HGIS設備外形圖（單位：mm）Fig.3 The Outline drawing of HGIS(unit:mm)

表1為以上四種廠家的HGIS設備尺寸。

表1 四種廠家HGIS設備尺寸對比表Tab.1 The size Comparison table of 4 kinds of HGIS from different manufacturers

3 緊湊型配電裝置

根據HGIS應用現狀和HGIS設備技術現狀，對HGIS的緊湊布置提出以下優(yōu)化思路。

1）HGIS設備的研發(fā)和制造經過多年發(fā)展，已有長足進步。在單間隔縱向尺寸上，各廠家設備均較國網通用設計的取值有較大優(yōu)化。考慮縱向尺寸的取值，兼顧各制造廠家的通用性，取調研廠家尺寸中的最大值，即8 m。

2）設備縱向尺寸減少后，兩組HGIS設備外側套管的距離更近，進出線構架與母線構架的距離更加接近，故提出將主變進線構架、出線構架與母線構架合并，形成一體化整體構架。

3）原通用設計中運輸道路設置過于復雜，3條縱向道路不僅增加了道路建設造價，也對橫向間隔尺寸優(yōu)化造成了障礙。采用一體化構架后，考慮取消母線構架中間的支柱，在母線下方增加1條橫向道路，與主變側橫向道路形成環(huán)形運輸道路[4]。

4）采用雙列布置。線路側布置6個出線間隔，主變側布置3個主變間隔與母聯、母設間隔。

5）HGIS配電裝置中各設備電氣上的距離很近，為充分利用避雷器的保護能力，考慮利用母線避雷器和線路避雷器來保護主變，取消主變進線避雷器，該設想將在4.1節(jié)中進行論證。

6）母線相間距離取3 m，可進一步優(yōu)化斷面尺寸。優(yōu)化后通過感應電壓計算，合理配置接地開關，確保母線檢修時的安全性，該設想將在4.3節(jié)中進行論證。

通過以上優(yōu)化思路，得出的220 kV緊湊型HGIS配電裝置如圖4、圖5所示。

圖4 220 kV緊湊型HGIS配電裝置平面布置圖(單位：m)Fig.4 The layout of compact 220 kV power distribution unit

圖5 220 kV緊湊型HGIS配電裝置進出線斷面圖（單位：m）Fig.5 The profile of compact 220 kV power distribution unit

緊湊型配電裝置的主要指標如下：間隔寬度12 m，配電裝置橫向距離83 m；母線相間距取3 m，兩組母線邊相管母距離5.5 m，配電裝置縱向尺寸37 m，縱向尺寸較通用設計節(jié)省33%；配電裝置面積較通用設計節(jié)省35%。

4 緊湊布置的技術可靠性與合理性

針對優(yōu)化后的緊湊配電裝置，對雷電侵入波、空間電場、母線感應電壓等進行了仿真和計算，以驗證方案的合理性。

4.1 雷電侵入波仿真

采用EMTP-ATP仿真軟件，對雷電、鐵塔、避雷器、HGIS、絕緣子串等相關電氣元件進行建模分析，搭建相應的仿真模型來模擬雷擊過電壓情況下變電站內設備的過電壓水平，對過電壓波形與設備的標準雷電沖擊絕緣水平進行對比分析，驗證現有避雷器配置的合理性，仿真結果如下。

（1）雙母線并列運行時，1回線路運行，1臺變壓器運行，各種情況下的仿真結果見表2。

表2 雙母線運行時仿真結果 (單位：kV)Tab.2 The simulation result of double bus bar are in operation

根據雙母線運行時的仿真結果（表2）及220 kV主要電氣設備的雷電沖擊絕緣水平（DL/T 5222-2005附錄B）可知：變電站220 kV側雙母線運行時，變壓器側和IM、IIM母設避雷器均可以省略。

（2）單母線運行時，各種情況下的仿真結果見表3。

根據單母線運行時的仿真結果（表3）及220 kV主要電氣設備的雷電沖擊絕緣水平（DL/T 5222-2005附錄B）可知，當省略變壓器避雷器時，設備過電壓水平在耐受能力內；當省略變壓器和母線避雷器時，母線PT的過電壓水平超過了設備耐受能力的配合系數要求。

綜合以上兩種運行方式的仿真結果可知，當母線保留避雷器，取消主變避雷器時，各設備的過電壓水平均在設備耐受能力內。

表3 單母線運行時的仿真結果 (單位：kV)Tab.3 The simulation result of single bus bar is in operation

4.2 空間電場強度仿真

采用COMSOL Multiphysics軟件，根據電場計算原理，利用有限元法，建立電場仿真模型并計算出線間隔外部電場強度。分析電場的分布規(guī)律，判斷是否符合電場曝露限值標準。220 kV配電裝置出線間隔縱向截面的電場分布如圖6所示，對地1.5 m高度處的電場分布如圖7所示。

圖6 HGIS設備出線間隔縱向斷面（A相）電場分布Fig.6 Distribution of electric field in HGIS equipment outlet interval(A phase)

由圖6、圖7可以看到，該變電站220 kV出線側工頻電場強度大都處在3～10 kV/m之間，場強畸變集中在跨路管母下方，中間相線下方的場強值較邊相導線小。220 kV間隔內對地1.5 m處的電場強度的控制主要針對跨路管母下方的區(qū)域。

由于電場云圖只能反應電場分布的大致趨勢，故選取以下幾條對地1.5 m高的研究路徑來對電場分布趨勢進行準確分析，路徑與區(qū)域的選取如圖8所示。路徑1處于邊相導線（A相）正下方，路徑2橫穿跨路管母中間區(qū)域，分別用于研究邊相導線下方縱向走廊和兩個HGIS配電裝置之間的電場分布情況。兩條研究路徑上的電場分布曲線如圖9和圖10所示。

圖7 HGIS設備出線間隔對地1.5m處電場分布Fig.7 Distribution of electric field at the outlet of HGIS equipment in the field of 1.5m

從計算結果可知，研究路徑上的最大電場強度出現在邊相（A相）跨路管母下方的檢修通道處，約為6.3 kV/m，小于DL/T 5352-2006中的要求值（10 kV/ m），滿足要求。

研究路徑上各相跨路管母下方的最大場強數值，如表4所示。

圖8 研究路徑選取圖Fig.8 The diagram of study path

圖9 路徑1電場分布曲線Fig.9 Electric field distribution curve of path 1

圖10 路徑2電場分布曲線Fig.10 Electric field distribution curve of path 2

表4 各研究區(qū)域的最大電場強度Tab.4 The table of maximum electric field strength of each study area

4.3 母線感應電壓計算

兩組平行布置的母線，當1組母線停電檢修時，作用在該母線上的電磁感應電壓有2種類型：1）正常工況下的電磁感應電壓：2）瞬時電磁感應電壓。前者是由工作母線通過正常工作電流產生作用，是長期的，后者是當工作母線發(fā)生三相或單相接地短路故障造成的，其作用是瞬時的。接地開關的配置需要滿足當發(fā)生瞬時感應時，確保檢修母線上工作人員的人身安全。根據《電力工程電氣設計手冊》[5]中相關公式的計算結果如表5～8所示。

表5 長期電磁感應電壓下最大接地開關距離Tab.5 Distance of maximum ground switch under longterm electromagnetic induction voltage

表6 短路電流30 kA時最大接地開關距離Tab.6 The distance of maximum ground switch for short circuit current 30 kA

表7 短路電流50 kA時最大接地開關距離Tab.7 The distance of maximum ground switch for short circuit current 50 kA

表8 開關切斷時間0.5 s時不同短路電流的最小安裝間距Tab.8 Minimum installation distance of different short circuit current when switching off time is 0.5 s

從以上計算結果，可以得到以下接地開關的配置原則：

（1）當母線短路電流為18 kA時，考慮到斷路器切除三相、單相短路故障所需的時間，母線接地開關只需要安裝1個就能滿足要求，且接地刀開關可以放置在母線上任意位置處。

（2）當母線短路電流為20 kA時，母線接地開關安裝一個就能滿足要求，接地開關距離母線端部的距離不超過66.1 m。

（3）當母線短路電流為30 kA時，母線接地開關安裝一個就能滿足要求，如若考慮到斷路器的切斷時間為0.2 s，則接地開關距離母線端部不超過69.7 m；如若考慮到斷路器的切斷時間為0.5 s，則接地開關距離母線端部不超過44.1 m。

（4）當母線短路電流為50 kA時，分為以下三種情況：a.斷路器的切斷時間如若為0.1 s，則母線接地開關只需安裝一個即可，且接地開關距離母線端部不超過59.1 m；b.斷路器的切斷時間若為0.15 s，則母線接地開關只需安裝一個，距離母線端部不超過48.3 m；c.當斷路器的切斷時間為0.2 s時，母線接地開關只需安裝一個，距離母線端部不超過41.8 m；d.當斷路器的切斷時間為0.5 s時，必須安裝兩個接地開關才能符合要求，兩接地開關的安裝間距不超過52.9 m，且距離母線端部的距離不超過26.4 m。

5 結語

本文在廣泛調研的基礎上，經系統(tǒng)優(yōu)化，提出了一種220 kV小型化HGIS配電裝置，新方案有如下特點。

（1）與國網公司通用設計方案相比，優(yōu)化效果顯著,其中縱向尺寸節(jié)省33%，占地面積節(jié)省35%。（2）經仿真研究，采取優(yōu)化措施后，新方案滿足相關標準規(guī)程的各項要求：a.取消主變進線避雷器，保留母線和線路避雷器，各設備過電壓水平均在設備絕緣水平的裕度內；b.配電裝置空間電場強度最大值在各相跨路管母下方，仿真值約為6.3 kV/m，滿足國家標準；c.接地開關應根據系統(tǒng)短路電流情況靈活配置，當短路電流不超過30 kA時，每組母線配1組接地開關即可滿足檢修安全要求。

（References）

[1]藍增玨,袁達夫.35-500千伏鋁管母線配電裝置[M].北京：電力工業(yè)出版社，1982.

LAN Zengjue,YUAN Dafu.35-500 kV distribution unit using aluminum bus[M].Beijing：Electric Pow?er Industry Press,1982.

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LIU Zhenya.The general design of SGCC power transmission project[M].Beijing： China Electric Power Press,2011.

[3] 古王榮,來東,張延超．ZHW□-252復合式組合電器簡介[J].電氣開關，2012（2）：99-101．

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[4]沈婷.變電站中使用HGIS設備應注意的問題[J].電力建設，2008（10）：98.

SHEN Ting.Problems to be noticed in the use of HGIS equipment in Substation[J].Electric Power Construction,2008(10)：98.

[5]水利電力西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1989.

Northwest Electric Power Design Institute of water conservancyand electric power.Electricalengi?neering design manual[M].Beijing：China Electric Power Press,1989.

Research on the Compact Layout of Miniaturized 220 kV HGIS Equipment

YANG Guang1，FU Lei1，ZHU Ke2，CHENG Zihao1，ZHOU Shengzhi1
(1.Hubei Electric Engineering Corporation，Wuhan Hubei 430040，China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan Hubei 430077，China)

Aiming at the application status and functional characteristics of hybrid gas insulation switchgear(HGIS),a form of 220 kV compact power distribution device based on miniaturized HGIS equipment is proposed in this paper,and the optimization ideas and benefits of the power distribu?tion device are introduced.The power distribution device is verified through simulation in the light?ning invasion wave,the space electric field intensity,the technical rationality of bus voltage induc?tion and so on,which provides the basis for the application of the power distribution equipment.

miniaturized;hybrid gas insulation switchgear(HGIS);compact layout;lightning inva?sion wave;the space electric field;the technical rationality of bus voltage

TM642;TM862

A

1006-3986(2016)07-0006-07

10.19308/j.hep.2016.07.002

2016-06-05

楊 洸（1986），男，湖北京山人，工程師。