風(fēng)吹雪地區(qū)變電站電氣設(shè)備選型與布置方案優(yōu)化

談東林

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

風(fēng)吹雪是一種由氣流挾帶起分散的雪粒在近地面運(yùn)行的多相流的天氣現(xiàn)象，俗稱白毛風(fēng)。風(fēng)吹雪的過程必須具備3個(gè)條件：大量的雪、障礙物和能使雪粒運(yùn)行的風(fēng)。冬季，在空曠的草原或戈壁灘上，大雪過后，大風(fēng)卷起戈壁上的積雪，遇到障礙物后，積雪發(fā)生大面積堆積的過程就是風(fēng)吹雪[1]。風(fēng)吹雪給新疆北疆部分地區(qū)的變電站及風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行造成了比較嚴(yán)重的影響。風(fēng)吹雪發(fā)生時(shí)，狂風(fēng)吹來大量雪粒，形成0.5～3 m的雪堆，導(dǎo)致帶電電氣設(shè)備對(duì)雪堆的安全距離不滿足要求，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來安全隱患，嚴(yán)重時(shí)雪堆直接將低矮的電氣設(shè)備如站用變壓器、低壓并聯(lián)電容器組、低壓并聯(lián)電抗器掩埋，使其被迫停運(yùn)[2]。

目前，對(duì)風(fēng)吹雪的研究及應(yīng)用主要集中于公路及鐵路方面，其他行業(yè)尚無系統(tǒng)性的研究，對(duì)變電站的風(fēng)吹雪防治研究極少。在公路防治風(fēng)吹雪上，主要采用防雪林、下導(dǎo)風(fēng)板、擋雪墻、防雪柵等措施[3]。但公路狹窄細(xì)長，風(fēng)吹雪防治只要防治住十幾米寬度的路面即可。而大型變電站如750 kV變電站長寬達(dá)到三四百米，目前暫無法對(duì)風(fēng)吹雪的風(fēng)速、積雪厚度、雪粒直徑、積雪密度、地面粗糙度與擋雪墻的高度和防護(hù)范圍的關(guān)系進(jìn)行理論計(jì)算，只能根據(jù)工程實(shí)際需要，結(jié)合部分風(fēng)電場(chǎng)的防治經(jīng)驗(yàn)[2]，在變電站前期規(guī)劃時(shí)選擇風(fēng)吹雪災(zāi)害較低的站址。另外，也采取在圍墻外的冬季主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)設(shè)置防雪格柵及種植防雪樹林相結(jié)合的方式來阻擋一部分風(fēng)吹雪，但防雪格柵及防雪樹林無法完全阻擋風(fēng)吹雪的影響。

下面，以位于風(fēng)吹雪地區(qū)的新疆某750 kV變電站為例，從電氣設(shè)備選型與電氣設(shè)備布置兩個(gè)方面分析論述提高設(shè)備抵御風(fēng)吹雪危害的能力并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 優(yōu)化電氣設(shè)備選型提高設(shè)備抵御風(fēng)吹雪危害的能力

某750 kV變電站工程規(guī)劃3臺(tái)1500 MVA主變壓器；750 kV配電裝置采用3/2斷路器接線，規(guī)劃7回出線和3回進(jìn)線，每回出線均預(yù)留高壓并聯(lián)電抗器；220 kV配電裝置采用雙母線雙分段接線，規(guī)劃18回出線；66 kV配電裝置采用以主變壓器為單元的單母線接線，裝設(shè)總斷路器。

根據(jù)公路風(fēng)吹雪防治的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及部分廠站風(fēng)吹雪防治措施判斷，變電站風(fēng)吹雪堆積最嚴(yán)重的區(qū)域是站前區(qū)、高壓電抗器場(chǎng)地、主變壓器區(qū)域，而對(duì)安全運(yùn)行影響最大的區(qū)域則是設(shè)備布置較低的站用變壓器、低壓并聯(lián)電抗器、低壓并聯(lián)電容器區(qū)域。主變壓器、高壓并聯(lián)電抗器及66 kV設(shè)備可選型式不多，根據(jù)通用設(shè)計(jì)750 kV主變壓器選用戶外單相油浸式變壓器，高壓并聯(lián)電抗器采用單相鐵芯油浸式電抗器；66 kV斷路器采用瓷柱式斷路器，66 kV并聯(lián)電抗器采用常規(guī)戶外干式空芯電抗器，66 kV并聯(lián)電容器組采用常規(guī)戶外框架式電容器組。而750 kV及220 kV配電裝置電氣設(shè)備可選型式有戶外AIS罐式/瓷柱式斷路器方案、戶外GIS方案及戶內(nèi)GIS方案，以下對(duì)這3種方案分別進(jìn)行分析。

1)戶外AIS罐式/瓷柱式斷路器方案

750 kV及220 kV配電裝置設(shè)備區(qū)域會(huì)設(shè)置大量聯(lián)合構(gòu)架，斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、避雷器及支柱絕緣子等電氣設(shè)備的支架也較高，750 kV設(shè)備支架達(dá)到5～6 m，220 kV設(shè)備支架也在2.5 m以上，同時(shí)帶電的管母及導(dǎo)線對(duì)地距離在5.5 m以上，因此風(fēng)吹雪在大量構(gòu)架、支架阻擋后減弱，少量的積雪堆積不會(huì)對(duì)750 kV及220 kV配電裝置設(shè)備的安全運(yùn)行造成影響。同時(shí)采用戶外AIS罐式/瓷柱式斷路器方案，其設(shè)備間隔距離大，有利于機(jī)械清雪作業(yè)。

2)戶外GIS設(shè)備方案

由于戶外GIS設(shè)備占地面積小，具有總的積雪量和清雪工作量較小的優(yōu)點(diǎn)；但戶外GIS設(shè)備外型低矮，僅約3 m左右，且沒有像罐式/瓷柱式斷路器方案的配電裝置中存在的大量構(gòu)架、支架對(duì)風(fēng)吹雪的阻擋，因此戶外GIS設(shè)備很容易被風(fēng)吹雪堆積掩埋。同時(shí)，戶外GIS設(shè)備分支管道眾多，機(jī)械清雪作業(yè)安全隱患較大。

3)戶內(nèi)GIS設(shè)備方案

GIS主設(shè)備布置在GIS建筑室內(nèi)，抵御風(fēng)吹雪能力較高，但由于戶內(nèi)GIS方案投資較高，以所述工程終期規(guī)模為例，戶內(nèi)GIS方案費(fèi)用較戶外罐式/瓷柱式斷路器方案高約21 000萬元。且站區(qū)積雪最嚴(yán)重的區(qū)域是高壓電抗器、主變壓器及低壓無功裝置等區(qū)域，因此戶內(nèi)GIS設(shè)備方案僅能提高GIS主設(shè)備抗風(fēng)吹雪能力，但對(duì)提高全站整體抵御風(fēng)吹雪能力作用不突出，經(jīng)濟(jì)性也較差。

綜上所述，750 kV及220 kV戶外AIS罐式/瓷柱式斷路器方案中存在大量構(gòu)架、支架阻擋風(fēng)吹雪，且750 kV及220 kV電氣設(shè)備布置較高，風(fēng)吹雪的堆積不會(huì)對(duì)變電站的安全運(yùn)行造成影響，同時(shí)工程投資較戶內(nèi)GIS低，因此，750 kV配電裝置采用戶外AIS罐式斷路器、220 kV配電裝置采用戶外AIS瓷柱式斷路器方案更適合風(fēng)吹雪地區(qū)。

2 優(yōu)化電氣設(shè)備布置提高設(shè)備抵御風(fēng)吹雪危害的能力

前面所述的750 kV及220 kV配電裝置采用戶外AIS罐式/瓷柱式斷路器方案提高了750 kV及220 kV設(shè)備抵御風(fēng)吹雪災(zāi)害的能力，但主變壓器、高壓電抗器由于外形尺寸高大，而底部與地面基本齊平，是變電站內(nèi)風(fēng)吹雪堆積最嚴(yán)重的區(qū)域之一，另外66 kV電容器、電抗器、站用變壓器常規(guī)的低位布置方式也極易被風(fēng)吹雪掩埋，因此在電氣設(shè)備布置上也需要采取優(yōu)化措施來減少風(fēng)吹雪的堆積以及方便機(jī)械清掃積雪。

2.1 750 kV及220 kV高壓電氣設(shè)備布置優(yōu)化

根據(jù)該750 kV變電站站址附近氣象站風(fēng)向頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，站址區(qū)域冬季風(fēng)吹雪時(shí)主要風(fēng)向?yàn)槟舷?。根?jù)工程電氣主接線和線路出線方向，750 kV變電站可行性研究階段電氣總平面布置方案圖參考通用設(shè)計(jì)[4]，將主變壓器與750 kV配電裝置及高壓電抗器平行布置，主變壓器低架橫穿，從東方向進(jìn)線，出線向南北兩側(cè)出線，如圖1所示。

圖1 某750 kV變電站可研階段電氣總平面布置

圖2 某750 kV變電站優(yōu)化之后的電氣總平面布置

1)調(diào)整設(shè)備布置走向

如前所述可知，750 kV及220 kV配電裝置采用戶外AIS罐式/瓷柱式斷路器方案時(shí)存在大量構(gòu)架、支架阻擋風(fēng)吹雪，且750 kV及220 kV配電裝置電氣設(shè)備布置較高，抵御風(fēng)吹雪能力較高，主變壓器正面也未正對(duì)風(fēng)吹雪方向。但布置在750 kV配電裝置區(qū)域南側(cè)的高壓電抗器正面直接面對(duì)冬季風(fēng)吹雪方向，由于高壓電抗器正面無法設(shè)置防火墻阻擋風(fēng)吹雪，否則會(huì)使高壓電抗器無法檢修，因此風(fēng)吹雪的堆積會(huì)對(duì)南側(cè)的高壓電抗器造成嚴(yán)重威脅。

針對(duì)可研方案不足之處，優(yōu)化設(shè)計(jì)將750 kV配電裝置及高壓電抗器在可研設(shè)計(jì)布置基礎(chǔ)上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，主變壓器及220 kV配電裝置區(qū)域布置不變。調(diào)整后主變壓器與750 kV配電裝置及高壓電抗器垂直布置，750 kV出線向西和北方向出線，原南側(cè)高壓電抗器調(diào)整到西側(cè)，使高壓電抗器正面基本避開冬季風(fēng)吹雪主導(dǎo)風(fēng)向，如圖2所示。

2)增設(shè)防火墻

主變壓器及優(yōu)化后的西側(cè)高壓電抗器正面未直接面對(duì)風(fēng)吹雪方向，但其側(cè)面仍然直接面對(duì)風(fēng)吹雪風(fēng)向，為此在主變壓器、高壓電抗器側(cè)面各增設(shè)一面防火墻。按防火規(guī)范要求，主變壓器、高壓電抗器端部不需設(shè)置防火墻的，所以增設(shè)的防火墻面對(duì)風(fēng)吹雪方向，其主要作用為阻擋和降低風(fēng)吹雪的危害。另外，將主變壓器、高壓電抗器場(chǎng)地采用局部硬化處理可減少風(fēng)吹雪堆積，也便于后期機(jī)械積雪清理。圖3為遠(yuǎn)期主變壓器增設(shè)防火墻圖。

2.2 66 kV低壓電氣設(shè)備布置優(yōu)化

通用設(shè)計(jì)中66 kV斷路器常規(guī)方案即采用瓷柱式斷路器，而66kV瓷柱式斷路器設(shè)備支架高度至少2.5 m以上，因此設(shè)備抵御風(fēng)吹雪能力較高。但66 kV站用變壓器、66 kV低壓并聯(lián)電抗器、66 kV低壓并聯(lián)電容器組采用低位布置并加裝圍欄方案，在風(fēng)吹雪嚴(yán)重地區(qū)低位布置的設(shè)備極易被積雪掩埋，而圍欄處更是有大量積雪。因此根據(jù)DL/T 5352—2018《高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中“電氣設(shè)備外絕緣底部距地面大于或等于2.5 m時(shí)可不設(shè)置圍欄”，為提高設(shè)備抵御風(fēng)吹雪能力，采取了如圖4所示的優(yōu)化設(shè)計(jì)：將站用變壓器采用高位基礎(chǔ)布置安裝，設(shè)備套管距地2.5 m以上；低壓并聯(lián)電抗器采用2.5 m高度的玻璃鋼支柱安裝；低壓并聯(lián)電容器組采用2.5 m高鋼管支架安裝；均取消圍欄。

設(shè)備高位布置安裝且取消圍欄后提高了抵御風(fēng)吹雪能力，避免了圍欄處大量積雪，同時(shí)在每兩組電容器或電抗器之間設(shè)置了一條3 m寬小道，便于清雪機(jī)械車輛進(jìn)出及時(shí)清掃積雪，如圖3所示。

3 結(jié) 語

上面以新疆地區(qū)某750 kV變電站為例，為降低風(fēng)吹雪對(duì)變電站的危害，對(duì)電氣設(shè)備選型及布置優(yōu)化進(jìn)行了論述。通過電氣設(shè)備選型分析確定風(fēng)吹雪地區(qū)選擇戶外AIS罐式斷路器/瓷柱式斷路器方案；電氣設(shè)備布置優(yōu)化方面，使高壓并聯(lián)電抗器正面避開了直接面對(duì)風(fēng)吹雪方向，主變壓器、高壓并聯(lián)電抗器側(cè)面增設(shè)防火墻保護(hù)，站用變壓器、低壓并聯(lián)電抗器、低壓電容器組采取高位布置并取消圍欄。采用以上優(yōu)化措施后，可避免在冬季風(fēng)吹雪時(shí)電氣設(shè)備被積雪掩埋，有利于機(jī)械車輛清掃積雪，增強(qiáng)了變電站的安全運(yùn)行條件，提高了變電站所在地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 遠(yuǎn)期1號(hào)主變壓器區(qū)域平面布置

圖4 站用變壓器、低壓電容器和電抗器采用高位布置