基于半封閉氣體絕緣開關(guān)的110 kV 配電裝置拉鏈式布置研究

岳陳熙，王代勇，徐慶鋒

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410004；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

高壓開關(guān)設(shè)備主要包括空氣絕緣開關(guān)設(shè)備(Air Insulated Switchgear，AIS)、氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear，GIS) 和半封閉氣體絕緣開關(guān)設(shè)備 (Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS)[1]。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，GIS、HGIS 已成為智能變電站模塊化建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，是未來電網(wǎng)發(fā)展的方向[2]。

HGIS 是一種新型組合電器，將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組合在一起，采用套管與架空出線和母線連接，具有多方面的技術(shù)優(yōu)勢和適用性。與AIS、GIS、罐式斷路器相比，HGIS 特征鮮明，在高電壓等級變電站有著廣泛的應(yīng)用[3－4]。

在?國網(wǎng)基建部關(guān)于發(fā)布輸變電工程通用設(shè)計、通用設(shè)備應(yīng)用目錄(2021 年版) 的通知? (基建技術(shù)〔2021〕 2 號) 中，220 kV 及以上電壓等級變電站均有采用HGIS 設(shè)備的布置方案。110 kV 變電站因規(guī)模較小，接線簡單，HGIS 較多用在改造站[5]、臨時過渡、車載移動變[6]等特殊場合，國家電網(wǎng)有限公司2021 年版110 kV 變電站通用設(shè)計中沒有采用HGIS 設(shè)備的通用布置方案。國網(wǎng)湖南省電力有限公司(簡稱國網(wǎng)湖南公司) 結(jié)合本地實際情況，已在2021 年版通用設(shè)計HN－110－C－4方案中將110 kV 配電裝置調(diào)整為HGIS 設(shè)備。

本文研究一種基于HGIS 的110 kV 配電裝置優(yōu)化布置方案，通過調(diào)整母線側(cè)套管布置方向，實現(xiàn)出線間隔、主變壓器間隔呈拉鏈式布置。方案比較表明，拉鏈式布置具有占地小、設(shè)備價格合理、全壽命周期費用低、高可靠性、符合使用習(xí)慣等優(yōu)點。

1 110－C－4 方案

1.1 方案簡介

110－C－4 方案是國家電網(wǎng)有限公司2021 版通用設(shè)計方案中常用的AIS 建設(shè)方案。該方案設(shè)置戶外主變壓器兩臺，容量為2×50 MVA；110 kV、35 kV、10 kV 均采用單母分段接線，規(guī)劃110 kV架空出線4 回，35 kV 出線6 回，10 kV 出線16 回，35 kV、10 kV 戶內(nèi)開關(guān)柜雙列布置，并聯(lián)電容器4 組。

國網(wǎng)湖南公司結(jié)合本地實際情況，在2021 版通用設(shè)計方案中，將HN－110－C－4 方案的110 kV配電裝置調(diào)整為HGIS 設(shè)備，110 kV 出線均安裝避雷器，取消母線避雷器，具備擴展第三臺主變壓器的條件。

1.2 方案特點

國家電網(wǎng)有限公司110－C－4 方案采用戶外敞開式AIS 設(shè)備，適用于場地大、投資少的場合，推薦圍墻內(nèi)區(qū)域71.5 m×69.6 m，110 kV 區(qū)域道路中線至圍墻占地51.7 m×34 m。

國網(wǎng)湖南公司HN－110－C－4 方案采用戶外HGIS 設(shè)備，傳動部件密封，可靠性高，具備擴建第三臺主變的場地。推薦圍墻內(nèi)區(qū)域78.6 m×57.6 m，110 kV 區(qū)域道路中線至圍墻占地70 m×19 m。

2 方案改進

AIS 受帶電距離影響，設(shè)備間距較為固定[7－8]；GIS 占地已壓縮到極致[9]，進一步壓縮會帶來更大的場強、更小的絕緣裕度、更高的故障概率，反而降低設(shè)備可靠性[10]；HGIS 具有較強的可塑性和組合特性，空間布局具有較大的優(yōu)化空間。

為便于比對，以國家電網(wǎng)有限公司通用設(shè)計110－C－4 方案內(nèi)容為基準，規(guī)模為戶外110 kV 主變壓器2 臺，容量2×50 MVA，4 回110 kV 架空出線，110 kV采用單母線分段接線，主要研究110 kV配電裝置布置及改進。

2.1 HGIS 設(shè)備改進

HGIS 設(shè)備外部結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整，這為配電裝置優(yōu)化布置提供了有利條件。為實現(xiàn)出線間隔、主變壓器間隔的交錯、咬合的拉鏈式布置，將HGIS 的出線套管由橫向布置調(diào)整為縱向布置。

圖1 為改進后110 kV HGIS 側(cè)視圖。從圖1 右半部分可以看到，母線側(cè)套管改用縱向布置，可減少各間隔母線側(cè)寬度。

圖1 改進后110 kV HGIS 側(cè)視圖

圖2 為改進后110 kV HGIS 俯視圖。從圖2看，母線側(cè)套管改用縱向布置，縱向距離與110 kV母線寬度基本保持一致；出線側(cè)套管采用橫向布置，與傳統(tǒng)出線間隔布置相同。

圖2 改進后110 kV HGIS 俯視圖

圖3 為改進后110 kV HGIS 外觀圖。從圖3 可以看到，母線側(cè)套管改用縱向布置，不影響出線側(cè)套管橫向布置，間隔設(shè)備相對位置與通用設(shè)計完全一致。

圖3 改進后110 kV HGIS 外觀圖

圖4 為改進后110 kV HGIS 出線間隔斷面圖，母線構(gòu)架對地高5.6 m，出線門架對地高10.15 m，采用支撐管母，相間距離取1 500 mm，大于A2 距離(1 000 mm)，出線套管對地圍墻頂大于D 距離(2 900 mm)，符合安全距離要求[7－8]。

圖4 改進后110 kV HGIS 出線間隔斷面圖(單位:mm)

2.2 拉鏈式布置

通過調(diào)整母線側(cè)套管布置，各間隔母線側(cè)寬度由8 m 縮短至3.5 m，出線側(cè)采用兩回線共一跨，出線間隔寬度可縮小到7 m。國網(wǎng)湖南公司2021年版通用設(shè)計110－C－4 方案采用單回出線一跨，出線間隔寬度7.5 m。

如圖5 所示，拉鏈式HGIS 相間距離2 000 mm，大于A2 距離(1 000 mm)；相對地(構(gòu)架) 距離1 500 mm，大于A1 距離(900 mm)；兩回出線間距3 000 mm，大于D 距離(2 900 mm)。均滿足安全距離要求[7－8]，在工程中也有應(yīng)用案例，文獻[11] 給出了核算方法。

改進后的HGIS 單間隔占地呈“凸” 字型布置，如圖2 改進后110 kV HGIS 俯視圖。在母線側(cè)將主變壓器間隔和分段間隔與線路間隔交錯布置。為使場地布置緊湊，考慮將110 kV 電壓互感器布置在主變壓器HGIS 設(shè)備內(nèi)部或者母線端部。通過優(yōu)化布置，110 kV場地橫向?qū)挾葴p少到34 m，場地縱向長度減少到10.5 m。通過調(diào)整HGIS 設(shè)備及布局，實現(xiàn)間隔咬合，類似拉鏈型式。即便是擴建第三臺主變壓器，也可以通過對稱延拓實現(xiàn)。

3 方案比較

以110－C－4 通用設(shè)計配置為基準，選取AIS、戶外GIS、常規(guī)HGIS、拉鏈式HGIS 進行比較。

3.1 占地比較

占地比較以110 kV 配電裝置場地橫向、縱向尺寸作為比較對象，AIS 縱、橫向距離取自國家電網(wǎng)有限公司2021 年版110－C－4 方案，戶外GIS縱、橫向距離取自國家電網(wǎng)有限公司2010 年版110－A1－1 方案，常規(guī)HGIS 取自國網(wǎng)湖南公司HN－110－C－4方案，比較結(jié)果見表1。

表1 幾種布置方案占地比較 m

通過比較可以看到，在4 回110 kV 出線的條件下，場地橫向距離主要受出線回數(shù)的限制，拉鏈式HGIS 布置的橫向距離與戶外GIS 布置相當。拉鏈式HGIS 布置110 kV 場地面積只相當于AIS 場地面積的20.47%，相當于常規(guī)HGIS 占地面積的44.16%。對比表明，拉鏈式HGIS 布置能顯著減少橫向、縱向距離，布局緊湊，節(jié)省占地效果明顯。

3.2 費用比較

隨著HGIS 設(shè)備日臻成熟，設(shè)備價格也趨于穩(wěn)定。制造商調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，110 kV HGIS 設(shè)備價格約為同類GIS 設(shè)備價格的90%。AIS 設(shè)備價格雖然只有GIS 設(shè)備的50～60%，但不符合變電站模塊化建設(shè)的發(fā)展方向。

對一項工程而言，設(shè)備費用只是全壽命周期費用的一部分，更應(yīng)該考慮設(shè)備全壽命周期總費用?？紤]到日常維護工作量及穩(wěn)定性，有研究表明，HGIS 設(shè)備全壽命周期費用最低[12]。

3.3 其他比較

AIS 以節(jié)省初期投資成本為特征，GIS 以最小的空間需求為特征，HGIS 則以可靠性極高的單線布置為特征。

從安全角度看。AIS 占地面積大且設(shè)備外露部件多，套管和絕緣支柱數(shù)量多，易受氣候環(huán)境條件影響，不利于安全可靠運行。GIS 因母線采用大量盆式絕緣子，易引發(fā)絕緣薄弱事故[13]，故障定位難度大[14－15]，故障檢修時間長。因其結(jié)構(gòu)原因，GIS 產(chǎn)生的特快速瞬態(tài)過電壓 (VFTO) 也高于HGIS[16]。HGIS 綜合了GIS 與AIS 的優(yōu)點，安全性好，可靠性高。

從安裝方便性看。AIS 采用獨立元件安裝，帶電部位多，安全風(fēng)險大，施工周期長，質(zhì)量風(fēng)險點多，不利于模塊化施工。GIS 集成度高，對安裝工藝、環(huán)境等要求高，間隔擴建時，一般采用“單一來源” 采購原廠設(shè)備，需要母線全停來完成整體耐壓試驗，母線停電時間長。HGIS 各間隔模塊獨立，可采用不同廠家設(shè)備，安裝工藝簡單，模塊化施工方便，只需完成單間隔耐壓試驗，母線停電時間短。

從運維便利性看。AIS 設(shè)備布置零散，巡視點多，運維便利性差。GIS 設(shè)備高度集中，運維便利性好。HGIS 設(shè)備雖然母線外露，但各間隔獨立性、直觀性、區(qū)分度優(yōu)于GIS，降低了運維難度。

從故障概率看。AIS 外露部件多，布置零散，易受氣候環(huán)境條件影響，故障概率高，雖然故障元件易于更換，但隨著GIS、HGIS 可靠性提高，這一優(yōu)勢已不明顯。GIS 母線全封閉，母線采用大量盆式絕緣子，易引發(fā)絕緣薄弱事故。HGIS 設(shè)備雖然母線外露，但母線故障概率低，且HGIS 各間隔隔離性能優(yōu)于GIS，HGIS 故障概率更低，且故障定位較GIS 更容易。

從應(yīng)用場景看。AIS 占地面積大，外露部件多，適用于戶外布置。GIS 在戶內(nèi)、戶外均有應(yīng)用，將GIS 應(yīng)用于戶內(nèi)時，可將其布置緊湊、占地小的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。HGIS 在戶內(nèi)、戶外、非標間隔、移動變電站均有應(yīng)用，適用性非常廣泛。

從電壓等級適用性看。AIS、GIS、HGIS 均適用于各類電壓等級，均有各類產(chǎn)品應(yīng)用案例，由用戶根據(jù)需要進行選擇。

綜合上述分析，比較結(jié)果見表2。結(jié)果表明，采用戶外布置時，HGIS 具有占地面積小、全壽命周期費用低、安全性高、安裝方便、運維便利、故障概率低、適用性好等特征。拉鏈式HGIS 較常規(guī)HGIS、戶外GIS 占地面積更小，布局清晰，具有很好的應(yīng)用前景。

表2 幾種布置方案綜合比較

4 結(jié)論

本文介紹了HGIS 設(shè)備的特點及應(yīng)用。通過研究國家電網(wǎng)有限公司110－C－4 通用設(shè)計方案，提出一種基于改進HGIS 設(shè)備的拉鏈式布置。改進的HGIS 設(shè)備母線側(cè)套管方向由常規(guī)的橫向布置改為縱向布置，單間隔占地呈“凸” 字型布置，各間隔在母線下互相咬合，實現(xiàn)雙列交叉，類似拉鏈型式。綜合比較表明，HGIS 具有高度可靠、全壽命周期費用低、安裝運維方便、占地小、適用性好等特征。戶外布置時，拉鏈式HGIS 布置較常規(guī)HGIS、戶外GIS 占地更小，布置清晰，易于實現(xiàn)，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價值。