GIS變電站電纜倉戶外布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

毛毳閩，付 磊，宋 昭，馬 吉，李聲威,2

(1.湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430000；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430000)

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear，GIS）采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，將斷路器、母線、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管等高壓電器密封在接地金屬筒中，具有可靠性高、維護(hù)工作量少、檢修周期長的特點(diǎn)。20世紀(jì)60年代中期美國制造了第一套GIS設(shè)備，高壓電器由此發(fā)生了質(zhì)的飛躍，世界各地電力部門開始注重GIS設(shè)備的研究[1]。此后幾十年，GIS設(shè)備迅速發(fā)展，歐洲、美洲、中東的電力公司都規(guī)定配電裝置要用GIS設(shè)備，在亞洲、非洲、澳洲的發(fā)達(dá)國家也大規(guī)模使用GIS設(shè)備。我國GIS的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代末，為提高GIS設(shè)備的生產(chǎn)制造水平，我國積極引進(jìn)了國外先進(jìn)的技術(shù)，經(jīng)過不斷的學(xué)習(xí)與吸收，20世紀(jì)80年代中期GIS設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化[2]。

目前我國電網(wǎng)工程的建設(shè)持續(xù)發(fā)展，投資重點(diǎn)已逐步轉(zhuǎn)向電網(wǎng)智能化以及配電網(wǎng)建設(shè)。在配電網(wǎng)中高壓配電裝置是關(guān)鍵組成部分，由于GIS配電裝置相比于敞開式開關(guān)設(shè)備（air insulated switchgear，AIS）具有占地面積小、維護(hù)周期長、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能變電站中。據(jù)報(bào)告預(yù)測2021年我國GIS設(shè)備的數(shù)量將達(dá)到28000個(gè)，GIS配電裝置越來越受到電網(wǎng)企業(yè)的青睞[3]。隨著GIS設(shè)備在城郊區(qū)域大量應(yīng)用，對其與周邊環(huán)境規(guī)劃匹配性和建設(shè)成本提出了更高的要求，因此本文設(shè)計(jì)了一種戶內(nèi)GIS單層布置改進(jìn)方案，將主變、10 kV室及GIS室三列布置，并將出線TV、避雷器、電纜倉布置于GIS室外以降低建筑物高度和節(jié)約成本，該方法既可以保證GIS的可靠性和穩(wěn)定性，又能大大降低建設(shè)成本，在城郊區(qū)域具有廣泛的實(shí)際推廣價(jià)值。

1 城郊變電站GIS發(fā)展趨勢

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高以及城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市周邊的郊區(qū)大部分被規(guī)劃為開發(fā)區(qū)或新城區(qū)。在這些地區(qū)建設(shè)變電站不僅要滿足運(yùn)行安全可靠，還要滿足城市規(guī)劃發(fā)展和環(huán)境評估等要求。另外，由于城郊區(qū)征地價(jià)格連年攀升導(dǎo)致變電站占地面積減小，變電站的出線條件往往受城市規(guī)劃影響導(dǎo)致通道走廊狹窄。常規(guī)GIS設(shè)備的布置方案一般分為戶內(nèi)型和戶外型，戶內(nèi)型GIS方案將絕緣組合電器等相關(guān)設(shè)備安裝在室內(nèi)，而戶外型GIS方案則將開關(guān)設(shè)備安裝在戶外，為了提高設(shè)備的安全性而增加相關(guān)的防雨和防塵措施。兩種類型的GIS變電站由于建筑物的作用具有不同的特點(diǎn)，二者的主要區(qū)別如下：戶內(nèi)GIS變電站相對于戶外GIS變電站土建費(fèi)用高、建設(shè)周期長、檢修次數(shù)少、占地面積小、抗腐蝕性強(qiáng)。為了適應(yīng)城市規(guī)劃的要求和配合城市的長期規(guī)劃，戶內(nèi)型GIS變電站設(shè)備布置于室內(nèi)，沒有明顯的工業(yè)設(shè)施特征而更有利于變電站融入城市環(huán)境，且受環(huán)境因素影響小，能夠更加穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。建設(shè)成本是戶內(nèi)型GIS變電站需要考慮的重要因素，由于比戶外型GIS變電站需要更多的建筑施工，由此帶來的建設(shè)成本約占總成本的35.3%[4]。隨著變電站裝配化水平和機(jī)械化施工水平的不斷提升，戶內(nèi)型GIS方案的土建費(fèi)用越來越低，與戶外型GIS方案的施工工期差距也在逐漸減小，因此城郊變電站越來越傾向于采用受環(huán)境因素影響小的戶內(nèi)型GIS方案。在出線配置方面，由于出線受阻和通道走廊狹窄，采用架空出線對城市規(guī)劃與市政景觀產(chǎn)生較大影響，因此多采用全電纜出線。實(shí)際工程應(yīng)用中，因?yàn)閼魞?nèi)型GIS變電站占地面積小、設(shè)備布置靈活、受環(huán)境因素影響小等特點(diǎn)，目前城郊變電站布置方案的趨勢為采用戶內(nèi)型GIS配電裝置與全電纜出線。

2 常規(guī)戶內(nèi)型GIS布置方案

變電站的GIS布置方案一般分為雙層布置和單層布置，以220 kV的城郊變電站為例，雙層布置方案通常將無功功率補(bǔ)償室與10 kV室布置于第一層，GIS設(shè)備布置于第二層，通過第一層的電纜夾間向下引線至電纜夾層出線，主變壓器中壓側(cè)采用電纜進(jìn)線，高壓側(cè)通過架空線連接，其布置方案如圖1所示。

圖1 雙層戶內(nèi)變電站變壓器進(jìn)線布置斷面

單層布置將GIS室、10 kV室和主變壓器室按順序三列布置于第一層，10 kV室左側(cè)和GIS室靠近變壓器一側(cè)區(qū)域設(shè)置電纜夾層，主變壓器高壓、中壓側(cè)采用電纜進(jìn)線，其布置方案如圖2所示。

圖2 單層戶內(nèi)變電站變壓器進(jìn)線布置斷面

兩種布置方案有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中雙層布置方案的主要優(yōu)點(diǎn)是建筑物占地面積小，主變壓器高壓側(cè)可以采用架空線連接，但其也存在如下不足之處：需要設(shè)置樓梯、電纜夾間等輔助設(shè)施，不僅使得建筑面積增加，且不便于布置設(shè)備和電纜；需要設(shè)置消防登高面和室內(nèi)專用消防通道以滿足消防要求，進(jìn)一步增加了建筑面積和占地面積；GIS設(shè)備布置于第二層，由于開關(guān)設(shè)備的重量較大，需要對第二層的承重進(jìn)行加固，增加了建筑成本。

對于單層布置方案，其主要優(yōu)點(diǎn)在于省去了樓梯、電纜夾間、消防登高面等輔助設(shè)施，不僅縮短了設(shè)備連接之間的電纜長度，還因GIS設(shè)備布置于一層而降低了建筑物的結(jié)構(gòu)成本。單層布置方案主要不足之處如下：單層布置方案的占地面積比雙層布置方案更大；單層布置方案的電纜通道規(guī)劃比雙層布置方案更復(fù)雜；單層布置方案的防火隔離措施比雙層布置方案更復(fù)雜。

對于戶內(nèi)GIS設(shè)備的布置方式，還需要考慮耐壓試驗(yàn)的帶電距離。工程中一般通過兩種方法進(jìn)行耐壓試驗(yàn)：一種方法是增加GIS室層高從而在戶內(nèi)試驗(yàn)；另一種方法為通過氣體絕緣輸電線（gas insulated transmission line，GIL）分支母線引出戶外試驗(yàn)。由于第二種方法使用的GIL分支母線必須由GIS廠家提供，帶有GIL分支母線的GIS設(shè)備價(jià)格高于常規(guī)GIS設(shè)備，其導(dǎo)致整個(gè)變電站成本增加。GIL只在耐壓試驗(yàn)時(shí)使用，由于利用率較低而通常被設(shè)計(jì)單位放棄，因此戶內(nèi)GIS室的耐壓試驗(yàn)一般采用第一種方法實(shí)現(xiàn)。然而，增加GIS室層高進(jìn)行戶內(nèi)耐壓試驗(yàn)也存在如下不足之處：對于雙層布置方案，該方案將使建筑物整體高度超過15 m，需要設(shè)置消防登高面從而導(dǎo)致占地面積隨之增加；對于單層布置方案，8.5 m高的GIS室和5 m高的10 kV室不匹配，影響建筑物整體一致性；無論是單層配置還是雙層配置，增加層高都增加了建筑物體積和土建工程量。

3 戶內(nèi)型GIS變電站優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合上述戶內(nèi)型GIS單層和雙層布置方案的各種優(yōu)缺點(diǎn)，本文從耐壓試驗(yàn)和電纜倉布置兩方面綜合考慮，設(shè)計(jì)了一種適用于城郊區(qū)域變電站的單層戶內(nèi)型GIS電纜艙戶外布置方案。

3.1 優(yōu)化方案

在單層戶內(nèi)型GIS變電站中，為了進(jìn)行耐壓試驗(yàn)而需要增加建筑層高。圖3為220 kV變電站單層布置時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可知耐壓套管的安全距離為1.8 m，在進(jìn)行母線電纜倉耐壓試驗(yàn)時(shí)，加上套管自身高度則要求最大室內(nèi)凈空高度為8.5 m。增加GIS設(shè)備室高度不僅增加了建設(shè)成本，還導(dǎo)致單層并列的10 kV室與GIS室高度不協(xié)調(diào)，影響整體的城市規(guī)劃。

圖3 戶內(nèi)型單層GIS設(shè)備戶內(nèi)耐壓試驗(yàn)布置圖

為了降低GIS室的層高以節(jié)省建設(shè)成本和保持建筑的協(xié)調(diào)性，本文將電壓互感器罐體、避雷器、電纜艙、出線空氣套管、出線電纜頭等固定設(shè)備布置于室外，將GIS母線部分、斷路器機(jī)構(gòu)箱、開關(guān)機(jī)構(gòu)箱、連桿、智能組件柜、表計(jì)、壓力釋放閥等需要重點(diǎn)防護(hù)的設(shè)備置于室內(nèi)，詳細(xì)布置如圖4所示。此方案中電纜倉在GIS室圍墻以外，GIS耐壓試驗(yàn)可在戶外進(jìn)行，通過GIL分支母線穿墻對單獨(dú)間隔進(jìn)行耐壓試驗(yàn)從而完成與戶內(nèi)耐壓試驗(yàn)相同的測試。出線TV、避雷器連同電纜倉一并戶外布置便于拆卸和試驗(yàn)，而GIS室建筑物高度僅需滿足GIS設(shè)備吊運(yùn)要求，不需要增加GIL管道等額外試驗(yàn)設(shè)置。從圖4中可知，由于GIS室內(nèi)設(shè)備布置無需考慮耐壓試驗(yàn)的安全距離，因此GIS室高度依舊為5.5 m，此高度與10 kV室高度一致。相對于單層室內(nèi)耐壓試驗(yàn)方案，此方案既能夠減小建筑物的建設(shè)成本和縮短建設(shè)周期，還能夠確保建筑物整體一致性。由于電纜艙布置于戶外，室內(nèi)不需要設(shè)置電纜夾間和電纜夾層，減少了輔助設(shè)施和地下相關(guān)設(shè)施的建設(shè)，尤其是減少了土方開挖量。另外，戶外布置的高壓電纜采用電纜隧道或電纜溝鋪設(shè)時(shí)，不僅便于電纜規(guī)劃和機(jī)械化施工，還避免了與室內(nèi)其他設(shè)施交叉干涉，簡化了站外電纜設(shè)施接口。由于高壓電纜布置于戶外，電纜故障時(shí)不影響戶內(nèi)部分，減小了事故范圍，提高了高壓電纜運(yùn)行安全性。

圖4 戶外型單層GIS設(shè)備戶外耐壓試驗(yàn)布置圖

上述方案中TV、避雷器、電纜倉布置于戶外，設(shè)備元件受到氣候環(huán)境的影響出現(xiàn)故障的概率增加，因此整體的運(yùn)行維護(hù)成本隨之增加。另外，由于電纜倉與GIS室墻壁之間需要進(jìn)行開孔和封堵處理，特別是GIS室裝配式建筑金屬面板開口和接縫處較易生銹，上述戶外電纜倉布置在高寒、高溫、高濕、大風(fēng)沙等環(huán)境時(shí)需要對建筑物采取更復(fù)雜的維護(hù)措施。由于TV、避雷器設(shè)備直接布置在戶外，突兀的外形與周圍的居民區(qū)、廠房不相協(xié)調(diào)，對整體的市政規(guī)劃造成一定影響，在環(huán)境美觀要求較高的中心區(qū)域則需采用實(shí)體圍墻和圍欄等進(jìn)行遮擋。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

上述改進(jìn)方案與單層戶內(nèi)GIS布置方案相比，在建筑成本、電纜成本等方面具有較大經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，以220 kV變電站為例進(jìn)行具體分析。

3.2.1 建筑成本分析

由于GIS電纜倉布置不占用戶內(nèi)空間，此時(shí)220 kV變電站GIS室縱向尺寸由12 m減小至10 m，則建筑面積節(jié)約率為16.7%和空間節(jié)約率為46.1%。

根據(jù)上述優(yōu)化方案，一座3×180 MVA規(guī)模的220 kV變電站大約減少裝配式建筑面積120 m2，減小建筑物體積360 m3，按照單位成本0.165萬元，節(jié)約投資額度約為60萬元/m3。

3.2.2 輔助設(shè)施成本分析

容量為3×180 MVA的220 kV變電站，常規(guī)布置時(shí)電纜夾層面積約500 m2，土方量約1500 m3，總建設(shè)成本約為150萬元。當(dāng)按照本方案進(jìn)行電纜倉外置時(shí)，高壓電纜經(jīng)過電纜隧道出現(xiàn)而無需布置電纜夾層，此時(shí)開挖電纜隧道和鋪設(shè)輔助設(shè)施成本約為70萬元，則優(yōu)化方案節(jié)約輔助設(shè)施投資額度約為80萬元。

3.2.3 高壓電纜成本分析

220 kV變電站終期220 kV出線6回，110 kV電壓出線12回，上述改進(jìn)方案與雙層戶內(nèi)變電站布置方案相比，每回出線節(jié)約高壓電纜15 m，若電纜價(jià)格為0.075萬元/m，則節(jié)約電纜設(shè)備投資額度約為20萬元。

綜上所述，如果采用上述電纜倉外置方案進(jìn)行布置，一座3×180 MVA規(guī)模的220 kV變電站整體投資節(jié)約資金為160萬元。

3.3 可靠性分析

GIS裝置具備維修周期長、檢修次數(shù)少、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，但若有故障發(fā)生則會(huì)造成大面積停電，若大型變電站發(fā)生GIS故障，將會(huì)帶來巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失，因此確保GIS設(shè)備可靠運(yùn)行是設(shè)計(jì)過程中需要優(yōu)先考慮的問題。根據(jù)國家電網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，GIS設(shè)備元件中斷路器、隔離開關(guān)設(shè)備和母線部分故障率最高，三者故障分別占整體故障的35.4%、22.4%和15.9%；避雷器、電壓互感器的故障較低，分別占整體故障的0.9%和3.7%；其他故障占整體故障的21.7%[5]。在上述優(yōu)化方案中，母線部分、開關(guān)設(shè)備和表計(jì)等設(shè)備布置于室內(nèi)，工作環(huán)境和運(yùn)行條件能得到保證，為GIS設(shè)備整體穩(wěn)定運(yùn)行提供了基本保障。優(yōu)化方案中出線空氣套管、出線電纜頭、電壓互感器罐體、避雷器、電纜艙等設(shè)備布置于戶外，雖然戶外設(shè)備穩(wěn)定性受到環(huán)境因素的影響，但布置于戶外的出線空氣套管在國內(nèi)外均有大量實(shí)施案例，其可靠性能得到保證；另外，GIS設(shè)備廠家罐體大部分采用全鋁合金制造，本身已經(jīng)具有很好的防腐能力，在氣候環(huán)境不太惡劣的地區(qū)仍能可靠運(yùn)行。

從上述分析可知，本文所提出的改進(jìn)方案能夠確保GIS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對于諸如空氣污染嚴(yán)重、降雨充沛、多酸雨的惡劣運(yùn)行環(huán)境，則需要采取增加頂棚、遮雨棚以及加裝防雨罩等措施來保護(hù)戶外設(shè)備免受環(huán)境影響。因此，除了在氣候環(huán)境非常惡劣的地區(qū)，本文提出的優(yōu)化方案能夠保障GIS設(shè)備安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

在確保GIS設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，本文提出的方案適合應(yīng)用于城市郊區(qū)、對變電站規(guī)劃用地有一定限制、采用全電纜出線、且氣候環(huán)境條件不太惡劣的變電站。結(jié)合城郊區(qū)域規(guī)劃和土地政策，本文所設(shè)計(jì)的電纜倉外置方案不僅滿足城郊區(qū)域?qū)Τ鞘姓w外觀的要求，又能夠減小變電站的建筑工程量而降低整體建設(shè)成本，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的前景。