220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)在變電站中的應(yīng)用研究

程子豪 毛毳閩 姜 文 王家鵬 殷建剛 鄢旭冉

（1.湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北武漢430040；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北武漢430077；3.電子科技大學(xué)，四川成都610054）

0 引言

目前國內(nèi)220 kV變電站的高壓側(cè)及500 kV變電站的中壓側(cè)在新建工程中大多數(shù)采用雙母線接線方式，并預(yù)留有部分備用間隔。經(jīng)調(diào)研，當前國內(nèi)主流組合電器廠家設(shè)計的220 kV母線隔離開關(guān)均為單斷口結(jié)構(gòu)。該型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于GIS設(shè)備改擴建耐壓試驗時，需對原運行母線進行停電處理，以規(guī)避隔離斷口過電壓疊加引起的放電擊穿問題[1]。然而在實際工程建設(shè)中，已投運變電站的220 kV雙母線全停不僅意味著巨大的停電經(jīng)濟性損失，還將對地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成風(fēng)險。該問題已成為制約GIS改擴建工程建設(shè)的頑疾[2]。

1 220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢

220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，能有效解決上述問題，保障電網(wǎng)的安全可靠運行[3]，大幅降低變電站建設(shè)的全壽命周期費用。其技術(shù)優(yōu)勢在于：

（1）雙斷口隔離開關(guān)的任一個斷口均能滿足試驗或運行電壓的絕緣要求。兩個斷口的組合，使整體設(shè)備的斷口間能承受最極端的電壓，即試驗電壓和運行電壓之和。

（2）在設(shè)置有兩個斷口的基礎(chǔ)上，該型設(shè)備的動觸頭中間設(shè)置有一組手動接地開關(guān)。當其中一個斷口發(fā)生擊穿故障時，作為中間接地點，能避免影響母線正常運行，有效控制事故范圍。

2 雙斷口隔離開關(guān)技術(shù)在變電站中的應(yīng)用

雙斷口隔離開關(guān)的技術(shù)特點已凸顯其良好的應(yīng)用前景。為滿足舊站改造及設(shè)計標準化要求，含雙斷口隔離開關(guān)的組合電器應(yīng)與常規(guī)GIS設(shè)備保持一定的通用性。下面以全戶內(nèi)220 kV變電站為例，對雙斷口隔離開關(guān)設(shè)備在變電站中的應(yīng)用進行分析。

2.1 接線方式的差異

常規(guī)220 kV配電裝置在一期建設(shè)中一般終/本期均為雙母線接線。母聯(lián)及母線PT間隔一次上齊，預(yù)留若干備用出線及主變進線間隔。若采用雙斷口設(shè)備，建議雙母線在一期建設(shè)中一次性上齊，且所有備用出線及備用主變進線回路均采用雙斷口式母線隔離開關(guān)。其他一期建設(shè)的完整220 kV間隔可采用常規(guī)母線隔離開關(guān)，以減少工程造價。

以國家電網(wǎng)通用設(shè)計A2-2方案[4]為例，220 kV配電裝置接線圖如圖1所示。

圖1 220 kV配電裝置接線圖

雙斷口母線隔離開關(guān)的應(yīng)用沒有改變220 kV配電裝置的接線形式，也沒有增加整體設(shè)備氣室數(shù)量，符合設(shè)計規(guī)范要求。

2.2 設(shè)備的通用性

經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)已有廣州±800 kV東方變電站、武漢220 kV黃金口變電站投運了該類型設(shè)備。后文中雙斷口母線隔離開關(guān)的設(shè)備參數(shù)均來源于已投運站設(shè)備資料。

2.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)差異

常規(guī)母線隔離開關(guān)多采用三工位結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其存在3種運行工況，即隔離位置、合閘位置、接地位置，采用三胞胎殼體、三相機械聯(lián)動設(shè)計。

220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開關(guān)采用的結(jié)構(gòu)與常規(guī)隔離開關(guān)相似。差異在于雙斷口隔離開關(guān)內(nèi)部配置了兩個能同時進行分合操作的動觸頭，以及一個后裝配的輔助接地開關(guān)。雙斷口母線隔離開關(guān)同樣采用三胞胎殼體、三相機械聯(lián)動設(shè)計，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 常規(guī)母線隔離開關(guān)三工位狀態(tài)示意圖

圖3 雙斷口母線隔離開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 設(shè)備尺寸差異

獨特的結(jié)構(gòu)使得雙斷口母線隔離開關(guān)具有同開同閉的技術(shù)特點，尺寸有所增加。與常規(guī)母線隔離開關(guān)相比，雙斷口母線隔離開關(guān)的尺寸如圖4所示。

圖4 雙斷口母線隔離開關(guān)尺寸

雙斷口母線隔離開關(guān)由于在普通三工位隔離開關(guān)基礎(chǔ)上增加了一個斷口，并且增加了擴建端氣室，隔離開關(guān)本體總長度增加約1 m。此外，還增加了一個中間接地刀閘，設(shè)備高度增加約0.6 m。

2.2.3 整體設(shè)計方案差異

以國家電網(wǎng)通用設(shè)計A2-2方案為例，采用雙斷口母線隔離開關(guān)設(shè)備的間隔斷面如圖5所示，雙斷口母線隔離開關(guān)比常規(guī)設(shè)備高0.6 m，但并非戶內(nèi)GIS設(shè)備的最高點，所以不影響室內(nèi)空高配置及吊裝。但縱向尺寸的增加將對帶電距離、運輸尺寸產(chǎn)生影響。經(jīng)核實，目前國家電網(wǎng)通用設(shè)計[4]中戶內(nèi)220 kV GIS室縱向尺寸為12.5 m，220 kV GIS間隔長度為9.5 m，國家電網(wǎng)通用設(shè)備尺寸要求如圖6所示。雙斷口設(shè)備雖然單體長度比常規(guī)隔離開關(guān)增加了1 m，但供貨廠家對自身GIS設(shè)備整體進行了緊湊化處理，對臥式斷路器及互感器等組件尺寸進行了優(yōu)化，使得設(shè)備總尺寸滿足通用設(shè)備9.5 m的要求[4]。

通過比較圖5、圖6不難看出，雙斷口母線隔離開關(guān)設(shè)備的縱向尺寸有所增加，但由于進行了緊湊化處理，GIS整體尺寸滿足通用設(shè)備要求。GIS母線至避雷器中心距為5 098 mm。戶內(nèi)主運輸通道、巡視通道距離均滿足通用設(shè)備要求。綜上，該新型設(shè)備適用于220 kV變電站。

2.3 對接安裝施工及耐壓試驗

雙斷口GIS間隔遠期擴建安裝及耐壓試驗示意圖如圖7所示，前期備用出線間隔建設(shè)有雙斷口母線隔離開關(guān)，當遠期擴建時需采取如下操作：（1）氣室1、氣室2中保持額定壓力；（2）將氣室3、氣室4中氣體降半壓；（3）將擴建端屏蔽罩換成觸頭座結(jié)構(gòu)，將擴建部分從一側(cè)吊入進行對接安裝；（4）對接安裝完畢后，氣室3、氣室4充入額定壓力的SF6氣體，并進行耐壓試驗。

由上述施工過程不難看出，雙斷口設(shè)備安裝方便快捷，且由于采用高性能隔離開關(guān)及地刀，能在改擴建工程施工時減少試驗及充放氣次數(shù)，有利于抑制SF6氣體的擴散，為促進環(huán)保型社會發(fā)展貢獻一份力量。

2.4 其他技術(shù)特點

雙斷口母線隔離開關(guān)的輔助地刀僅在遠期擴建及檢修工況下啟用，平時處于常分狀態(tài)。基于安全考慮，采用手動地刀，并設(shè)置機械鎖具，變電站二次設(shè)計中該地刀不進五防邏輯。各地區(qū)對于手動地刀是否設(shè)調(diào)度編號等要求不統(tǒng)一，故該地刀存在一定的運行管理風(fēng)險。

3 經(jīng)濟及社會效益

經(jīng)濟性比較是雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)應(yīng)用的重要指標。常規(guī)母線隔離開關(guān)在備用間隔擴建的耐壓試驗及因設(shè)備故障引起的大修等工況下都需要母線停電，這將造成直接經(jīng)濟損失。而雙斷口母線隔離開關(guān)無論是在擴建還是其自身發(fā)生故障的工況下，都能規(guī)避母線停電。下面就以上述兩種工況下的直接停電損失進行分析。

3.1 輸入條件

以國網(wǎng)通用設(shè)計A2-2方案為例，終期3臺主變?nèi)萘?40 MVA，本期1臺，按負載率50%考慮，下網(wǎng)容量120 MVA；遠期接入3臺主變，下網(wǎng)容量360 MVA。

220 kV出線終期6回，本期3回，終期、本期采用雙母線接線。

目前國內(nèi)平均工業(yè)用電電價K=0.668 4元/kWh。計劃停運期間，停電損失按正常電費計列。非計劃停電期間，根據(jù)參考文獻[5]，停電損失按正常電費的20倍計列。

雙斷口母線隔離開關(guān)與常規(guī)GIS設(shè)備的差價Δ≈40萬元/臺。

變電站運行周期Z1=50年，假定在Z2=20年完成全部擴建達到終期規(guī)模，且假定220 kV配電裝置擴建周期恒定。

3.2 擴建及檢修工況預(yù)估

圖5 采用雙斷口母線隔離開關(guān)設(shè)備的間隔斷面圖

圖6 國家電網(wǎng)通用設(shè)備尺寸要求

擴建及計劃內(nèi)停電檢修方式下，考慮到220 kV系統(tǒng)可以通過其他路徑送電，220 kV片區(qū)非故障停電的負荷約為正常下網(wǎng)容量的10%，停電時間T1=24 h。即本期Q1=12 MVA，遠期（20年后）Q2=36 MVA。由于擴建周期恒定，前20年非故障停電負荷為：

設(shè)備故障情況下，考慮到220 kV系統(tǒng)通過其他路徑送電需要調(diào)度運行時間，220 kV故障停電的負荷為正常下網(wǎng)容量的100%，調(diào)度負荷轉(zhuǎn)供時間T2=1 h。即本期Q3=120 MVA，遠期（20年后）Q4=360 MVA。同理，前20年故障停電負荷為：

轉(zhuǎn)供完成后，考慮計劃停電檢修方式下的電能受阻負荷，停電時間考慮到故障元件需要從設(shè)備廠家原廠調(diào)配更換，總停電時間T3=48 h。

關(guān)于元件的可靠性，根據(jù)文獻[6]、文獻[7]、文獻[8]可知，影響GIS母線停電的單間隔故障率為：

投產(chǎn)年220 kV配電裝置進出線及母聯(lián)回路共有5個間隔，故第1年GIS整體年故障率為：

投產(chǎn)后第20年220 kV配電裝置全部擴建完畢，此時220 kV配電裝置進出線及母聯(lián)回路共有10個間隔，故第20年后GIS整體年故障率為：

假定220 kV配電裝置擴建周期恒定，即可測算出前20年GIS每年的故障率為：

20年后GIS整體年故障率維持λ20不變。

3.3 經(jīng)濟性比較

下文以一個備用間隔為例，首先計算采用常規(guī)母線隔離開關(guān)時的停電損失。

（1）因備用間隔擴建引起的停電損失為：

式中：0.1為單位換算，下同。

（2）投產(chǎn)20年內(nèi)，因故障引起的停電損失為：

（3）投產(chǎn)20年后，達到終期規(guī)模。此時因故障引起的停電損失為：

以上為采用常規(guī)母線隔離開關(guān)時產(chǎn)生的停電損失。若采用雙斷口設(shè)備將規(guī)避以上停電過程，但雙斷口設(shè)備費用較高，按終期規(guī)?？紤]，設(shè)備費用總差價為：

圖7 雙斷口GIS間隔遠期擴建安裝及耐壓試驗示意圖

綜上，采用雙斷口設(shè)備在變電站運行50年周期內(nèi)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為：

3.4 應(yīng)用效益

由上述計算可知，采用雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)，具有顯著的直接經(jīng)濟優(yōu)勢。此外，雙斷口母線隔離開關(guān)的應(yīng)用還能降低電網(wǎng)運行風(fēng)險，減少運維及管理成本，保障用戶用電可靠性，創(chuàng)造了良好的間接經(jīng)濟效益及社會效益。

4 結(jié)語

本文從功能性、適用性及經(jīng)濟性等角度出發(fā)，對220 kV雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)進行了分析，對其母線不停電擴建的功能進行了論述，驗證了其滿足設(shè)計規(guī)范要求，且能帶來良好的社會及經(jīng)濟效益，是一種值得推廣應(yīng)用的新技術(shù)。