HGIS 技術在落水洞水電站工程中的應用研究

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙 410007）

引言

落水洞水電站工程是一座以發(fā)電為主，結合防洪和灌溉等綜合利用的水電站。電站位于湖南省湘西自治州龍山縣，采用混流式水輪發(fā)電機組，裝機容量為2×17.5 MW。發(fā)電機額定電壓為10.5 kV，額定功率因數為0.8。電站以110 kV 一級電壓與系統(tǒng)連接，出線回路數1 回，接入至湖南電網寶塔110 kV 變電站。綜合考慮電站裝機容量不大，110 kV 設備采用變壓器-線路組接線方式。

本文對我國主流的高壓開關站設備——空氣絕緣開關設備（AIS）、氣體絕緣金屬全封閉開關設備（GIS）和SF6 氣體絕緣混合式開關設備（HGIS）進行詳細對比分析，并得出HGIS 的特點，通過在落水洞水電站中的實際應用驗證這一特點的正確性。

1 HGIS 技術概述

HGIS（Hybrid Gas Insulated Switchgear）是一種新型高壓開關設備，是一種介于GIS 和AIS 之間的、具有兩者優(yōu)點的混合型組合高壓電器。采用了GIS 的主要設備（但不含母線），將斷路器、隔離開關、接地開關、快速接地開關、電流互感器等原件分相組合在金屬殼體內，由出線套管通過架空軟導線連接敞開式PT、避雷器及出線等設備。

2 HGIS 技術特點分析

1）可靠性高。HGIS 采用SF6 密封三工位隔離/接地開關，并且使用新型觸指，使隔離開關（DS）與接地開關（ES）結構合二為一，動觸頭公用，變直動操作為轉動，且公用一個操作機構。這種全密封組合隔離開關完全解決了戶外高壓隔離開關經常出現的4 個問題：瓷瓶斷裂、操作失靈、導電回路過熱、銹蝕。DS-ES 合一，整體結構簡化，尺寸顯著變小，使布置更緊湊。DS 和ES 結合的三工位結構，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 的電氣操作連鎖，運行可靠性因此顯著提高。

HGIS 的主要設備密封在SF6 氣室內，大大改善了設備運行環(huán)境，不受污穢影響。產品重心低，強度高，具有優(yōu)良的抗震性能。SF6 氣體作為絕緣介質，具有優(yōu)異的絕緣性能和滅弧性能，運行安全可靠，而與AIS 相同的母線、避雷器和PT 故障率較低。

因此總體上來說，HGIS 設備的安全可靠性與GIS設備大抵相同，而大大優(yōu)于AIS 設備。

2）經濟性好。HGIS 設備由于未包含GIS 封閉母線，采用了敞開式避雷器及PT，總體設備價格比GIS設備有大幅度降低，一般來說大約僅為GIS 設備的70%。如果考慮多回架空出線，采用GIS 設備需延長母線，而GIS 封閉母線價格非常昂貴，HGIS 設備則適應于多回架空出線，HGIS 將可節(jié)約更多的投資。

由于HGIS 大部分主要設備在SF6 氣室內，設備相間及對地絕緣距離大為減少，實現設備的小型化、緊湊化，顯著減少占用空間。相比AIS 設備，HGIS 設備減少土地面積50%～70%，而價格僅增加了30%。HGIS 設備施工安裝量小，由于設備密封在SF6 氣室內，故節(jié)約了大量設備支架和基礎，加快了施工進度?？紤]土建、施工等方面的費用，綜合造價相比AIS 設備有時還低。

因此綜合比較，HGIS 設備比GIS 設備和AIS 設備具有更高的性價比。

3）可擴展性強。GIS 在擴建設備時需要進行硬連接，擴建時一般必須采用與原有設備同型號的產品。與擴建間隔或設備直接相連的氣室需要停電、減壓等措施。工序復雜，停電時間長。

而HGIS 設備，無論是擴建間隔還是增加設備，均比較方便。對于擴建采用的設備也無特殊要求，一般不同廠家的設備也能采用。停電時間較短，靈活性較高。

4）智能化程度高。HGIS 的主要控制元件集中于1 臺就地控制柜內，包括實時開關性能檢測記錄儀、具備FTU 功能的自動化裝置、間隔線路或變壓器微機保護的測控單元功能等。更加易于數字化、智能化升級。

5）檢修周期長，維護簡單。HGIS 設備屬于免維護設備。如果設備某部分故障，制造廠可以對整個原件進行更換，甚至對整相進行更換。HGIS 設備基本達到20年免維護。而常規(guī)AIS 設備均需要在2～3 年內進行一次檢修。

6）安裝調試方便。HGIS 采用在制造廠預制式整體組裝調試，模塊化整體運輸到現場安裝，布線靈活，簡單。

3 HGIS 技術應用分析

落水洞水電站升高電壓側采用變壓器線路組接線，以110 kV 一級電壓與系統(tǒng)連接，出線回路數一回，接至湖南電網寶塔110 kV 變電站。電站位于湖南省湘西自治州龍山縣的武陵山脈腹地，開關站布置場地比較緊缺且原地貌高差較大，因此通過技術經濟比較，在落水洞水電站項目設計過程中，高壓配電裝置采用了HGIS 設備。

110 kV 配電裝置中，GIS 設備、HGIS 設備、AIS 設備的技術經濟比較結果見表1。

表1 技術經濟比較萬元

根據上述技術經濟對比，采用HGIS 方案工程造價只是略高于AIS 方案，而遠低于GIS 方案，但是它的技術性要比AIS 方案先進，可靠得多。HGIS 可以克服檢修、擴建困難等負面影響，并且可以提高設備可靠性，減少維護費用，具有較高性價比。

110 kV 配電裝置主要技術參數：

六氟化硫混合式組合電器。型號：ZHW-126；額定電壓：126 kV；結構形式：三相共相式；額定頻率：50 Hz；額定電流：2 000 A；額定短時耐受電流（有效值）：40 kA；額定短路時間：3 s；額定峰值耐受電流：100 kA。

電站110 kV 出線電氣主接線如圖1 所示。

圖1 落水洞電站110 kV 出線側電氣主接線圖

110kVHGIS 設備緊臨主變壓器，位于廠房左端部，地面高層為428.85m，布置有1 個間隔的HGIS 設備。

采用HGIS 設備后，減少了開關站布置面積，由30 m×27 m 減小為26 m×18.25 m，減少了約40%的面積，節(jié)省了大量的土建開挖量和60%的混凝土量，節(jié)省了設備基礎支架，縮短了建設周期，從而降低了整個開關站的工程投資，達到了預期目的。且在電廠后續(xù)的運行維護過程中，將具有運行可靠性高、維護工作量小，維護周期長等優(yōu)點。電站110 kV 配電裝置布置如圖2所示。

圖2 落水洞電站110 kV 開關站布置圖

4 結論

由于水電站受到環(huán)境限制比較大，而HGIS 設備具有與GIS 設備和AIS 設備不同的優(yōu)點，彌補了GIS設備和AIS 設備的不足，可以較好地克服水電站建設地點環(huán)境惡劣、占地不足等因素影響。因此，該技術可在類似水電工程項目中，根據工程的特點進行有效地推廣使用。

同時由于經濟發(fā)展快，土地資源少，經濟建設和電力工業(yè)快速發(fā)展，在國家建設智能電網，越來越強調可靠性、智能化之時，近年來采用HGIS 技術的水電站越來越多了。因此，從設計、安裝、運行維護、檢修等各方面不斷地加以總結，才能使HGIS 設備發(fā)揮更大的作用。