500 kV智能变电站220 kV HGIS配电装置设计优化

况骄庭，周毅，陈建华

(浙江省电力设计院，杭州市 310012)

0 引言

500kV变电站采用复合组合电器(hybrid gas insulated switchgear，HGIS)，可以节约土地、提高开关设备寿命、减少设备维护、提高变电站可靠性、减少扩建停电时间、提高工程可用率。目前，我国500 kV变电站高压侧采用HGIS配电装置已较为普遍，其设计、运行及维护均较为成熟，然而500 kV变电站中压侧采用HGIS的工程案例尚不多见［1-4］。本文针对500 kV智能变电站220 kV HGIS配电装置进行间隔设备配置整合、布置形式和构架设计优化，并通过技术经济分析验证其可行性。

1 220kV HGIS装置的工程适应性分析

220kV配电装置根据其开关设备可分为以下几种类型:(1)空气绝缘开关(air insulated switchgear，AIS)型;(2)罐式断路器型;(3)HGIS型;(4)气体绝缘开关(gas insulated switchgear，GIS)型。罐式断路器型仅仅将电流互感器与断路器进行设备一体化整合，因此可将(1)和(2)划归为敞开式类型。而HGIS型与GIS型均将配电装置各电气单元设备按间隔进行一体化整合并采用SF6气体绝缘，不同之处仅在于HGIS型将母线外露。因此，可将(3)和(4)归为紧凑型。

敞开式配电装置设备价格便宜，更换单个设备相对容易。但由于设备的电气部件以及传动机构等长期暴露在空气中，承受各种气候环境的影响，特别是隔离开关，容易出现瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、锈蚀等问题［5-10］。因此，后期维护、维修甚至更换的费用较高;而且，敞开式配电装置占地面积大，对周边环境的影响大，难以适应节约资源和保护环境等方面的要求。

紧凑型配电装置中GIS在国内已应用较多，其最大的特点就是设备布置高度集成、紧凑，外形尺寸小，适宜布置成全户内或半户内变电站，或布置于户外并与电缆出线相配合，对节省变电站的占地面积、减少配电装置对周边环境的影响效果十分明显。但由于GIS设备集成度过高，扩建需对原有部分放、充SF6气体，并进行整体耐压试验等，停电影响范围大，且对现场组装的工作环境和施工工艺要求较高，远景扩建较为不便。

HGIS配电装置兼具AIS和GIS的优点。在设备造价方面，220 kV HGIS价格约为GIS的70%;在布置占地方面，HGIS比AIS配电装置节省约50%。既具有与GIS相同的设备集成度高、技术先进、布置紧凑、维护少、寿命长等优点，还具有以间隔为单位施工安装、扩建方便且停电时间短、影响范围小等优点，具有较高的技术经济性。

我国500 kV变电站的220 kV出线回路数较多(通常不少于16回)，且多采用架空出线，若采用GIS装置，则往往需要延伸母线，既增加投资又无法有效利用GIS布置紧凑的优点。因此，在500 kV变电站采用220 kV HGIS经济效益显著，值得推广。

2 220kV HGIS间隔设备整合与布置优化

以某500 kV智能变电站工程为依托，进行220 kV HGIS间隔设备整合与布置优化。该工程远景16线4变，采用双母线、双分段接线;本期4线(出线1、2、11、12)2变(1、2号主变压器)，采用双母线接线;进/出线单元采用电子式电流电压组合型互感器，母分/母联单元采用电子式电流互感器。

2.1 母线设备间隔与母线分段间隔设备整合

常规设计中HGIS配电装置母线设备间隔通常采用AIS设备，主要原因是GIS电压互感器、避雷器价格为AIS设备的3倍左右，独立配置HGIS母设间隔的价格制约因素主要是电压互感器、避雷器以及空气套管。为此，将母设间隔与母分间隔设备整合，220 kV HGIS配电装置各进/出线间隔均装设避雷器，母设间隔可不装设避雷器。同时，母设间隔采用电子式互感器，母设间隔与母分间隔合用SF6－空气套管。整合后的HGIS间隔母设部分造价约为30.5万元，与采用电子式互感器的AIS母设间隔造价基本相当，从节约母设间隔占地、提高设备先进性和工程设计使用寿命等方面考虑，该整合方案综合效益显著。

2.2 母线检修接地闸刀与间隔单元设备整合

敞开式平行布置的2组管形母线，当一组母线检修而另一组运行时，因电磁耦合，将在被检修的母线上感应出较高的电压，可能危及检修人员的安全，因此，母线需配置检修接地开关。常规设计往往配置AIS独立式接地闸刀，原因是如果单独设计HGIS母线接地闸刀模块则工程造价很高，约为AIS独立式接地闸刀的3倍。

将母线检修接地闸刀与间隔单元设备整合，220 kV“出线Ⅰ”间隔、“出线Ⅱ”间隔HGIS母线隔离开关母线侧配置接地闸刀。由于节省了单独配置的SF6－空气套管，使得HGIS母线检修接地闸刀模块的造价与AIS独立式接地闸刀基本相当，甚至还略有节省。

2.3 电子式互感器与间隔单元设备整合

本工程对电子式互感器与HGIS设备进行了一体化设计、一体化安装。由于电子式电流互感器配置了合并单元，使得传感单元较常规电磁式互感器减少很多。以220 kV出线间隔为例，常规电磁式电流互感器需配置6～7个二次绕组，而电子式互感器则仅需配置2个空芯线圈+1个低功率线圈，大大节约了HGIS互感器舱体空间，减小了HGIS设备纵向尺寸。采用电容环分压结构电子式电压互感器，并与罗氏线圈型电流互感器组合在一起安装在HGIS中，使得HGIS间隔纵向尺寸可以进一步压缩。

3 新型220 kV HGIS配电装置设计方案

3.1 采用局部双层出线，优化配电装置总体布局

本工程220 kV接线形式为双母线双分段接线，采用户外悬吊管母线中型、HGIS双列布置。为使得整个配电装置场地横向尺寸与高压侧配电装置场地相适应，便于围墙建设规整，提高土地的利用率，220 kV配电装置局部采用双层出线。2回出线共用1个跨构架，间隔宽度25 m，为提高高层出线下引线风偏影响电气距离裕度，双层出线2回间隔26 m。

3.2 采用大跨度母线梁构架，优化配电装置纵向尺寸

国网通用设计500－B－4方案220 kV出线间隔断面如图1所示。由于500－B－4方案存在母线架中间构架柱a，双列布置的HGIS之间无法设置道路。本工程220 kV采用双母线大跨度横梁，取消母线中间构架柱a，同时取消支柱绝缘子b，出线间隔HGIS与正母线A、B相连接的导线采用铝管母线。这样，可将出线排架处检修道路移至双列布置的HGIS之间，这为出线排架与母线架设计成联合构架创造了条件。本工程方案将出线架、进线架以及母线架设计成联合构架，如图2所示。

由图1、2可看出，优化设计方案较之通用设计方案节约纵向占地13 m，节约占地面积2 800 m2，经济效益显著。

3.3 双层出线引线上翻解决方案

220kV出线局部采用双层出线，由于采用了联合构架设计方案，纵向空间尺寸紧凑，上层出线引线上翻有2种方案，如图3所示。本工程采用方案I，即绝缘子串串联方式解决高层出线引线上翻，合理利用空间距离，避免了构架梁悬挑并采用复合棒式绝缘子斜撑过渡(方案II)，节约投资并降低了施工难度。可在绝缘子串联处引线上加装TJ型引线间隔棒避免导线连接处摩擦受损。

3.4 220kV联合构架设计方案

图3 高层出线引下线方案Fig.3Scheme of high outgoing line's down lead

220kV HGIS联合构架设计参照500 kV HGIS联合构架的形式进行，结合分段间隔布置采用2个联合部分设计，每个联合构架部分总长76 m，缩短了构架温度区段，显著减少了温度作用效应，有效减小部分构件的内力，从而减小部分构件断面，节省用钢量。出线侧构架柱采用垂直单杆柱，并取消联合构架联系梁，在高架柱处设置斜杆与母线梁相连，整体受力仍稳定安全，从而大大减少用钢量。

构架单杆钢管柱选用φ500 mm×8 mm(Q345)，梁主材选用φ127 mm×8 mm(Q235)。经计算，单杆柱和梁的内力受单侧出线覆冰工况组合控制，单杆柱底的最大应力为234、－172 N/mm2，应力比达到75.5%、55.5%左右。在大风工况下，单杆柱顶位移为35 mm，满足规范要求。风速10 m/s时，梁跨中最大位移为60 mm，满足规范要求。220 kV HGIS联合构架设计方案如图4所示。

图4 220kV HGIS联合构架Fig.4220 kV HGIS's united framework

4 技术经济对比分析

与500－B－4方案相比，本工程方案有以下优点:(1)整个220 kV构架布置采用联合构架形式，取消了220 kV场地中间构架A字柱，布置检修通道，优化220 kV场地道路布置，减少新建检修道路面积540 m2;(2)其中一跨出线采用双层出线，整个220 kV构架纵向尺寸减少48 m;(3)采用联合构架形式，横向尺寸缩减为32 m。这2种方案的经济性比较如表1所示。

表1 本工程方案与500－B－4方案的技术经济比较Tab.1Technical and economic comparison between the new scheme and 500－B－4 scheme

由表1可知:本工程方案的远景设备投资与通用设计方案基本相当;本工程方案的占地指标相当于通用设计方案的65.9%;本工程方案的构架用钢量相当于通用设计方案的71.4%。本工程方案的经济技术指标明显优化。

5 结论

通过间隔设备整合与布置优化可进一步降低220 kV HGIS配电装置工程造价。本文提出了母线设备间隔与母线分段间隔设备整合方案，母线检修接地闸刀与间隔单元设备整合方案，电子式互感器与间隔单元设备整合方案。在上述设备整合与布置优化的基础上，本文提出了针对220 kV HGIS配电装置的优化设计方案，将出线架、进线架以及母线架设计成联合构架，将出线排架处检修道路移至双列布置的HGIS之间，同时局部采用双层出线。与通用设计500－B－4方案相比，设备投资基本相当、占地面积节省34.1%、结构用钢量减少28.6%。

［1］罗学琛.SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)［M］.北京:中国电力出版社，2007:83-101.

［2］DL/T 617—2010气体绝缘金属封闭开关设备技术条件［S］.北京:中国电力出版社，2010.

［3］包红旗.HGIS与数字化变电站［M］.北京:中国电力出版社，2007:1-11.

［4］刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计(110(66)～750 kV智能变电站部分)［M］.北京:中国电力出版社，2011:48-71.

［5］DL/T 5352—2006高压配电装置设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2007.

［6］包红旗，郑晓光.HGIS组合电器的技术特点［J］.天津电力技术，2006(2):40-42.

［7］庞春，侯国柱，葛惠珠.HGIS在220 kV变电站中的选型应用［J］.内蒙古电力技术，2011，29(5):87-90.

［8］忻国胜，王怡风.220 kV中心站采用混合式气体绝缘电器［J］.华东电力，2008，36(3):30-33.

［9］刘海东，王秀红.探讨GIS、HG IS在发电厂配电装置的应用［J］.内蒙古石油化工，2008(11):73-75.

［10］庞亚东，倪敏.1 000 kV GIS(HGIS)接地设计方案［J］.电力建设，2010，31(1):49-52.

(编辑:蒋毅恒)