基于GIS設(shè)備的智能變電站電氣接線方案優(yōu)化研究

王椿豐，熊　靜，衛(wèi)銀忠，陳　斌

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京211102）

基于GIS設(shè)備的智能變電站電氣接線方案優(yōu)化研究

王椿豐，熊靜，衛(wèi)銀忠，陳斌

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京211102）

根據(jù)新一代智能變電站"系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保、支撐調(diào)控一體"的指導(dǎo)思想，結(jié)合江蘇某220 kV新一代智能變電站的特點(diǎn)，深入研究了變電站主接線型式。提出了基于封閉組合電器（GIS）設(shè)備的電氣主接線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并與目前常規(guī)變電站的接線型式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)于今后智能變電站的建設(shè)具有一定的借鑒意義。

智能變電站；GIS；電氣主接線；優(yōu)化設(shè)計(jì)；可靠性分析

智能變電站是伴隨著智能電網(wǎng)的概念而出現(xiàn)的，是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐［1，2］。自2009年7月，國家電網(wǎng)公司先后組織開展了2批智能變電站試點(diǎn)建設(shè)工作，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)成果經(jīng)驗(yàn)，并融合了全壽命周期、兩型一化等創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，于2011年開始全面推廣“兩型一化”型智能變電站建設(shè)工作［3-6］。伴隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及一次設(shè)備和電子技術(shù)的最新成果，智能變電站的發(fā)展進(jìn)入到一個(gè)新的階段，為促進(jìn)新技術(shù)新設(shè)備的應(yīng)用，引導(dǎo)設(shè)備研制，從設(shè)計(jì)的角度，積極探索和開展新一代智能變電站設(shè)計(jì)和優(yōu)化是及其必要的［7，8］。本文通過研究智能變電站電氣一次設(shè)備的特點(diǎn)和可靠性，結(jié)合最新的一次設(shè)備制造成果和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新一代智能變電站接線型式進(jìn)行了研究和優(yōu)化。

1　封閉組合電器的特點(diǎn)

隨著電氣設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步以及制造工藝的提高，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS）在智能變電站建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。GIS憑借著電氣元件的高度集成和精湛的制造工藝，實(shí)現(xiàn)了20年基本免維護(hù)。組合電器設(shè)備制造水平的提高主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）斷路器的開斷能力和開斷次數(shù)大大提高，常規(guī)定時(shí)檢修的設(shè)備管理方法，已經(jīng)被設(shè)備的狀態(tài)檢修理論代替。

（2）旋轉(zhuǎn)式多工位隔離開關(guān)的推廣使用，使得GIS隔離開關(guān)使用壽命大大提高。對(duì)于老式的AIS隔離開關(guān)，使用壽命是使用年限決定的，每年操作幾次的設(shè)備要比幾年都不操作一次的設(shè)備更耐用。這是因?yàn)槔鲜降腁IS隔離開關(guān)一次部分使用壽命一般取決定于設(shè)備的電腐蝕、表面氧化和絕緣子的老化等因素，二次部分使用壽命取決于直流電機(jī)絕緣老化和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作連桿、拐臂、轉(zhuǎn)軸的腐蝕、生銹、氧化等因素。對(duì)于GIS設(shè)備，由于一次設(shè)備大部分密封于SF6絕緣氣體的氣室內(nèi)，二次傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連桿、拐臂、轉(zhuǎn)軸也全部或大部分是封閉狀態(tài)，從而避免了外界環(huán)境影響而造成的腐蝕、生銹、氧化等問題。

（3）GIS采用的三工位隔離/接地開關(guān)，使用新型觸指，可以使隔離開關(guān)（DS）與接地開關(guān)（ES）結(jié)構(gòu)合二為一，動(dòng)觸頭公用，變直動(dòng)操作為轉(zhuǎn)動(dòng)操作，且公用一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種新型全密封組合隔離開關(guān)的特點(diǎn)：

① 解決了戶外AIS高壓隔離開關(guān)的四大常見問題即：瓷瓶斷裂、操作失靈、導(dǎo)電回路過熱和銹蝕；

② DS-ES合一，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，尺寸顯著變??；DS與ES結(jié)合的三工位結(jié)構(gòu)，不存在常規(guī)DS和ES間各種可能的誤操作，因此可省略DS和ES的電氣操作聯(lián)鎖，提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性；

③ DS-ES與母線緊湊布置，設(shè)備尺寸大大縮??；

④ 組合電器設(shè)備母線比AIS的母線少了很多閃點(diǎn)，而且GIS的套管達(dá)到了III級(jí)以上的防污水平，不需要清掃維護(hù)，也減少了母線停電檢修的幾率。

正是得益于電氣一次設(shè)備的發(fā)展及制造工藝的提高，使得基于GIS設(shè)備的智能變電站主接線型式優(yōu)化成為了可能。本文以正在試點(diǎn)建設(shè)的新一代智能變電站——江蘇某新一代智能變電站工程為依托，研究基于GIS配置的智能變電站接線型式進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的主接線型式的可靠性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比和分析。

2　常規(guī)GIS接線型式及元件配置

由于江蘇地處東南沿海，變電站站址污穢等級(jí)較高，同時(shí)，江蘇經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密度較高，為減少變電站占地面積，目前省內(nèi)的新建220 kV智能變電站通常采用GIS設(shè)備，其220 kV/110 kV電氣主接線通常采用雙母線接線［9］，常規(guī)接線簡化示意圖如圖1所示。

從圖1中可以看出，雖然采用了GIS組合電器，但電氣主接線中的電氣元件配置和常規(guī)AIS設(shè)備時(shí)并無區(qū)別。出線間隔采用1臺(tái)斷路器配置3組隔離開關(guān)；斷路器兩側(cè)、線路（主變）側(cè)均設(shè)置檢修用地刀。這樣的配置固然對(duì)傳統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)、檢修習(xí)慣沒有改變，但并沒有體現(xiàn)GIS設(shè)備的特點(diǎn)，可以進(jìn)一步優(yōu)化。

圖1　常規(guī)GIS接線簡化示意圖

3　GIS元件配置優(yōu)化方案

3.1優(yōu)化依據(jù)

目前在世界上很多國家的高壓組合電器產(chǎn)品，都在推廣使用更為簡化的接線方式：一臺(tái)斷路器配一組隔離開關(guān)，改變以往的固定模式：一臺(tái)斷路器的兩端各配一組隔離開關(guān)。目前國內(nèi)很多電力公司已經(jīng)接受了這種概念，實(shí)踐已經(jīng)證明這種接線能夠適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用范疇。

斷路器兩端裝設(shè)隔離開關(guān)的初衷是為敞開式（AIS）斷路器現(xiàn)場檢修提供必要的安全隔離，以保證在周圍設(shè)備帶電運(yùn)行的環(huán)境下，斷路器的正常檢修維護(hù)。GIS組合電器為斷路器、隔離接地開關(guān)、電流電壓互感器高度集成的設(shè)備，采用氣體絕緣，結(jié)構(gòu)緊湊，即使斷路器兩側(cè)隔離開關(guān)都打開，檢修部分與帶電部分間僅有一個(gè)隔離開關(guān)斷口，也不能在線解體檢修。且斷路器氣室打開后，相鄰氣室也需降壓或放氣，相鄰氣室內(nèi)設(shè)備需退出運(yùn)行。GIS組合電器的隔離開關(guān)是為外部設(shè)備（例如線路、主變等）提供安全隔離的，對(duì)GIS內(nèi)部也就是為調(diào)試斷路器提供安全隔離而已。由此可見GIS內(nèi)部斷路器兩側(cè)的隔離開關(guān)的作用已經(jīng)較傳統(tǒng)的功能發(fā)生了重要轉(zhuǎn)變。

通過咨詢調(diào)研，國內(nèi)外很多制造廠明確指出其生產(chǎn)的斷路器在規(guī)定的運(yùn)行環(huán)境下25年內(nèi)沒必要解體維護(hù)或檢修。因此為斷路器檢修設(shè)計(jì)的斷路器兩側(cè)隔離開關(guān)就失去（或者說極大地消弱）了存在的必要性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式的分析發(fā)現(xiàn)，雙母線/單母線接線方式下，出線側(cè)隔離開關(guān)總是與斷路器同時(shí)退出、投入運(yùn)行，僅起到為斷路器檢修提供安全隔離的作用，本文正是基于此來研究取消出線側(cè)隔離開關(guān)對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響。

220 kV GIS元件接線配置優(yōu)化具體設(shè)想如下：線路間隔取消線路側(cè)隔離開關(guān)，僅保留快速接地開關(guān)，同時(shí)在原隔離開關(guān)位置設(shè)置隔離斷口。隔離斷口正常運(yùn)行時(shí)作為回路導(dǎo)體的一部分，檢修時(shí)手動(dòng)拉開形成一個(gè)斷口，起隔離保護(hù)作用。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2　出線間隔取消線路隔離開關(guān)加裝隔離斷口

3.2優(yōu)化方案與常規(guī)接線方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

3.2.1對(duì)操作運(yùn)行的影響

2種接線方式技術(shù)比較如表1所示。

表1　2種接線方式技術(shù)比較表

由表1可見，2種接線方式均能滿足正常運(yùn)行及檢修要求，不同處僅在于取消出線側(cè)隔離開關(guān)后斷路器檢修時(shí)，需對(duì)側(cè)開關(guān)分閘，而方案2無需對(duì)側(cè)分閘。從運(yùn)行單位了解，方案2斷路器檢修時(shí)雖然理論上無需對(duì)側(cè)分閘，但實(shí)際檢修時(shí)對(duì)側(cè)仍然分閘。取消出線側(cè)隔離開關(guān)后，需注意工程啟動(dòng)時(shí)不同運(yùn)行單位職責(zé)的區(qū)分。送電線路的啟動(dòng)試運(yùn)行根據(jù)DL/T 782—2001《110 kV及以上送變電工程啟動(dòng)及竣工驗(yàn)收規(guī)程》6.4.1條要求：“系統(tǒng)調(diào)試完成后經(jīng)連續(xù)帶電試運(yùn)行時(shí)間不少于24 h，并對(duì)線路以額定電壓沖擊合閘3次（如沖擊合閘在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)已做，試運(yùn)行不必重復(fù)進(jìn)行），線路的啟動(dòng)試運(yùn)行宣告結(jié)束”。

優(yōu)化方案取消線路隔離開關(guān)，線路將直接沖擊至斷路器處，如果存在缺陷和異常情況，對(duì)于線路兩側(cè)屬于不同運(yùn)行單位的情況，需要區(qū)分線路設(shè)備和變電設(shè)備職責(zé)。取消出線側(cè)隔離開關(guān)后，運(yùn)行人員在線路改檢修操作時(shí)，需要先將開關(guān)的母差TA脫離母差回路；母差保護(hù)具備母差TA按母線閘刀位置自動(dòng)切換的，應(yīng)檢查切換情況，然后再合上線路接地閘刀。

3.2.2可靠性分析

簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)帶來設(shè)備可靠性指標(biāo)的提高，一組隔離開關(guān)的可靠性比兩組隔離開關(guān)串聯(lián)的可靠性要高。后者增加了一個(gè)操作機(jī)構(gòu)、一組活動(dòng)接觸點(diǎn)、多個(gè)密封法蘭，將會(huì)增加機(jī)械、通流、氣體泄漏故障的概率。隔離斷口在正常運(yùn)行時(shí)作為導(dǎo)體的一部分，可以認(rèn)為其作為斷路器的一部分。本文以正在開展的江蘇某新一代智能變電站工程為依托，分別采用常規(guī)GIS配置接線型式和采用優(yōu)化后GIS配置接線型式進(jìn)行可靠性分析和比較。江蘇某220 kV變電站主要建設(shè)規(guī)模及接線型式如下：

遠(yuǎn)景3×240 MV·A主變壓器，電壓等級(jí)220/110/10 kV，本期建設(shè)1×240 MV·A主變壓器；

220 kV出線遠(yuǎn)景10回，本期8回，本期及遠(yuǎn)景均為雙母線接線；

110 kV出線遠(yuǎn)景12回，本期8回，本期及遠(yuǎn)景均為雙母線接線；

10 kV出線遠(yuǎn)景36回，本期12回，本期單母線分段接線，遠(yuǎn)景單母線六分段環(huán)形接線。

選取220 kV配電裝置本期電氣接線為計(jì)算實(shí)例，即1變8線的雙母線接線為型式，分析和研究采用優(yōu)化后的接線型式對(duì)可靠性的影響，并與傳統(tǒng)的接線型式的可靠性進(jìn)行對(duì)比。

計(jì)算中采用清華大學(xué)開發(fā)的發(fā)電廠/變電所電氣主接線可靠性評(píng)估軟件 SSRE-TH（station and substation reliability evaluation-Tsinghua University）。該軟件能夠?qū)ψ冸娬镜碾姎庵鹘泳€進(jìn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，可靠性評(píng)估中考慮三重及以下元件故障。所計(jì)算的可靠性指標(biāo)涵蓋了連續(xù)性、充裕度和安全性3個(gè)方面，其中故障概率、停電頻率、期望故障受阻電力、期望故障受阻電能是關(guān)注度比較高的幾個(gè)指標(biāo)，分別反映了停電時(shí)間的長短、故障頻次的多少以及造成停電損失的大?。?0］。

SSRE-TH中采用的電氣主接線可靠性指標(biāo)如表2所示。通過計(jì)算得到的可靠性指標(biāo)如表3所示，其故障率、年停電平均時(shí)間、期望故障受阻電力指標(biāo)均有所改善。

表2　可靠性指標(biāo)

表3　可靠性對(duì)比分析

3.2.3經(jīng)濟(jì)性比較

通過咨詢國內(nèi)的大多數(shù)GIS設(shè)備制造廠家，其對(duì)220 kV GIS的一組隔離開關(guān)加1組接地開關(guān)的報(bào)價(jià)在15萬元左右，110 kV約在10萬元左右。本工程220 kV本期出線8回，遠(yuǎn)景10回，110 kV本期出線8回，遠(yuǎn)景12回出線，取消出線側(cè)隔離開關(guān)本期可節(jié)省投資200萬元，遠(yuǎn)景可節(jié)省投資270萬元。

4　結(jié)束語

綜合上述，對(duì)GIS進(jìn)行元件配置的優(yōu)化既能滿足系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性要求，又能提高運(yùn)行操作的安全性。雖然由于元件配置的優(yōu)化對(duì)傳統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)、檢修習(xí)慣需要作出改變，但是這些改變更加符合國網(wǎng)公司三集五大建設(shè)體系的要求。通過優(yōu)化元件配置，不但可以節(jié)約大建設(shè)和大檢修階段設(shè)備全壽命周期的投資，還可以滿足大運(yùn)行階段對(duì)于智能化變電站無人值守的要求。以新一代GIS智能變電站——江蘇某220 kV變電站為例，針對(duì)優(yōu)化前后的主接線進(jìn)行了可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析和對(duì)比，分析和計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后的主接線型式可靠性和經(jīng)濟(jì)性均有所提高，本文的主接線優(yōu)化結(jié)果已在國家電網(wǎng)公司新一代智能變電站試點(diǎn)工程——江蘇某220 kV變電站中得到應(yīng)用。因此推薦220 kV/110 kV GIS采用優(yōu)化元件配置的方案，即取消出線側(cè)隔離開關(guān)，僅保留快速接地開關(guān)，設(shè)置一個(gè)隔離斷口的主接線配置方案。

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王椿豐（1986），男，遼寧營口人，工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

熊靜（1979），男，江蘇靖江人，高級(jí)工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

衛(wèi)銀忠（1969），男，寧夏銀川人，高級(jí)工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作；

陳斌（1986），男，湖北黃岡人，工程師，從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作。

Main Electrical Connection Optimization of Smart Substation Based on GIS Equipment

WANG Chunfeng，XIONG Jing，WEI Yinzhong，CHEN Bin
（Jiangsu Power Design Institute Co.Ltd.，of China Energy Engineering Group，Nanjing 211102，China）

According to the"highly integrated system，reasonable structure and layout，advanced and applicable equipment，economical，energy saving and environmental protection，support of integrated control"guiding ideology of the new generation of smart substation，and combing the characteristics of a new 220 kV generation of smart substation in Jiangsu province，this paper studies the main electrical connection mode in substations.The optimal design scheme of main electrical connection based on Gas Insulated Switchgears（GIS）equipment is proposed，and technical and economic comparisons to conventional electrical connection are made，which provides some referential significances in the construction of smart substation in future.

smart substation；gas Insulated Switchgears（GIS）；main electrical connection；optimal design；reliability analysis

TM76

A

1009-0665（2016）04-0011-04

2016-04-20；修回日期：2016-05-31