叠层配电装置方案研究

孔繁力，刘 刚，崔永胜，王沛芳，李艾择，王 春

（1.东北电力设计院，长春 130021；2.黑龙江安泰监理公司，哈尔滨 150000）

最早配电装置为AIS（空气绝缘组合电器）型，为减少配电装置占地研发出GIS（六氟化硫绝缘封闭式组合电器）型和H－GIS（混合绝缘封闭式组合电器）型［1］，上述三种配电装置都布置在一个平面上。从利用空间的角度出发，将现今的配电装置由平层布置转变为立体空间布置，于是提出一种全新的配电装置方案——叠层配电装置方案［2］，即利用原有配电装置上面的空间，布置若干个（层）配电间隔，将平面布置变成立体布置。近年来由于高层建筑设计技术、钢筋混凝土与钢结构施工技术和施工机械的快速发展，叠层配电装置方案无论从建筑结构设计还是施工机械与施工能力，都有了可靠的保证，使叠层配电装置成为现实。

1 配电装置类型及占地面积及造价的比较

1.1 配电装置类型

配电装置是控制、接受和分配电能的配电电气设备的总称，根据电气设备绝缘方式，目前有AIS、GIS和H－GIS三种配电装置。

GIS配电装置把母线和隔离开关、断路器、电流互感器、电压互感器及避雷器等设备全封闭在SF6气室内，优点是占地面积小，缺点是若某个配电间隔出现问题，需要把与之相关的配电间隔一起停电，造成广泛的停电，而且停电持续时间比较长；另外，投资造价和运行维护费用都特别高，SF6气体不环保。

为改善GIS 配电装置生产运行和检修维护中的缺点，又能生产出介于AIS和GIS之间的新型高压开关设备H－GIS，其结构与GIS 基本相同，但不包括母线设备。H－GIS 优点是母线不装于SF6气室内，与AIS 相同是外露的，因而结线清晰、简洁、紧凑，安装及维护检修比GIS 方便，但占地比GIS稍大。

由于现在变电站征地过程存在乡村占用农民耕地问题、城市居民动迁以及工厂、企业拆迁问题，形成占地地价寸土寸金，于是目前我国开始大量使用GIS配电装置或H－GIS配电装置。以上几种配电装置在设计上均为平面布置，也就是说所有电气设备、进出线间隔以及母线，都布置在一个平面上。

1.2 占地面积及造价的比较

［1］中，在变电站内装500kV 变压器3组，装3组60 Mvar低压电抗器和3 组60 Mvar电容器；500kV 出线8回，其中2回500kV 出线上各装1组500kV 高压电抗器，500kV为1个半结线，最终6串；220kV 出线16回，220为双母线单分段结线（最终24个间隔）情况下，当采用AIS配电装置方案、H－GIS配电装置方案或GIS配电装置方案时，变电站围墙内占地面积见表1，投资造价见表2。

表1 变电站围墙内占地面积 m2

由表1可知，变电站主变压器、低压电抗器、电容器无功补偿设备占地面积，是全变电站占地面积的19.6%；高压配电装置占地面积，是全变电站占地面积的48.68%；低压配电装置占地面积，是全变电站占地面积的31.72%（其中低压母线占地面积，是全变电站占地面积的9.94%，低压进出线占地面积，是全变电站占地面积的21.78%）。为减少变电站占地面积，在保持原有变电站设备容量、进出线条件下，应从减少高、低压配电装置的布置方式着手，于是研制生产出GIS和H－GIS设备。

3种配电装置占地面积基本相同（12 690～11 840m2），但占本类型全变电站占地面积的百分比不同（19.6%～39.4%）。高压配电装置占地面积以AIS配电装置方案最大，H－GIS配电装置方案占地面积次之，GIS配电装置方案占地面积最少。低压配电装置占地面积也是AIS配电装置方案最大，H－GIS配电装置方案占地面积和GIS 配电装置方案占地面积相差不大，但3种电气设备投资造价相差很多（见表2）。

表2 典型设计中各种类型配电装置的投资造价 万元

由表2可知，3种配电装置布置方式主变压器投资造价基本相同，但整个变电站的投资造价相差较大，H－GIS配电装置布置方案投资造价是AIS配电装置布置方案的1.16倍，GIS配电装置布置方案投资造价是AIS配电装置布置方案的1.35倍。高压配电装置投资造价相差更大，H－GIS配电装置布置方案投资造价是AIS配电装置布置方案的1.42倍，GIS配电装置布置方案投资造价是AIS配电装置布置方案的2.21倍。低压配电装置投资造价相差也大，H－GIS配电装置布置方案投资造价是AIS配电装置布置方案的1.66倍，GIS配电装置布置方案投资造价是AIS配电装置布置方案的1.57倍。为节省工程投资造价，应采用AIS配电装置布置方案。若要既节省占地面积又节省投资，则应采用新型的配电装置——叠层配电装置。

2 叠层配电装置方案研究

2.1 叠层配电装置概述

AlS配电装置采用技术成熟、价廉、安全可靠的电气设备，每个间隔从母线至出线装设的电气设备有：隔离开关、断路器、电流互感器、隔离开关、电压互感器、避雷器，双母线AIS 配电装置设备及布置示意图如图1 所示［1，3］，而AIS叠层配电装置每个间隔所用电气设备与AlS配电装置完全一样。

依据2017年各季节网络关注度数据，计算张家界春夏秋冬四季客源市场地理集中度指数、首位度、首位度省区市场占有率(表2)，可以发现，冬季地理集中度指数最高，客源市场相对集中，其次是夏季和秋季，春季地理集中度指数最低，客源市场相对更为稳定。首位度指数存在一定的差异，其中春季和秋季二省区指数度指数较高，秋季和冬季四省区指数和十一省区指数较高。在4个季节中，除了夏季的首位省区是广东省外，其余3个季节的首位省区都是湖南省。各季节的市场占有率差值较小，说明客源市场稳定，季节波动小。

为了新建变电站节约占地以及原有变电站扩建或升压改建不增加用地面积，从利用空间的角度出发，将现今的配电装置由平层布置转变为立体空间布置，于是发明并设计出一种全新的配电装置方案——叠层配电装置方案［2］，即：利用原有配电装置上面的空间，布置若干个（层）配电间隔，将平面布置变成立体布置，有如将平房改建为高楼一样。例如本文1.2节中介绍的500kV 典型设计的500kV 配电装置为6串（11～12 个进出线），220kV 配电装置为24 个间隔，按每个叠层由二个间隔构成，则500kV 叠层配电装置为3 层，220kV 叠层配电装置为12层（每层2个间隔）或2个220kV 叠层配电装置（每个叠层由2个间隔构成）6层。形成的叠层配电装置立体布置见图2。叠层配电装置的电气设备可采用常规AIS配电装置设备、H－GIS配电装置设备或GIS配电装置设备。

图1 双母线AIS配电装置设备及布置示意图

2.2 叠层配电装置建筑结构

叠层配电装置属于多层或高层建筑，可采用框架结构或框架－剪力墙结构，结构梁、板、柱可以采用现浇钢筋混凝土材料或装配式钢结构材料。采取组合式钢结构梁、板、柱，可实现工厂预制、现场安装（其中梁、柱可采用高强钢管发泡混凝土构件，以降低结构造价），使施工进度大大加快；由于高层建筑设计技术、钢筋混凝土与钢结构施工技术和施工机械近年来的发展，叠层配电装置方案无论从建筑结构设计还是施工机械与施工能力都有了可靠的保证，使叠层配电装置成为现实。

母线位于两个配电间隔之外垂直布置，再通过T 接的水平母线进入各层的配电间隔，从而使得叠层布置的各个配电间隔与母线能顺利连接。

图2 叠层配电装置方案

叠层配电装置可以是无维护墙、屋盖的敞开式结构，也可以是有外墙、屋盖的户内结构。户内结构适用于严寒和高污染、高腐蚀性环境，除此外的常规环境适用敞开式结构。配电装置分别设有两部货运电梯和楼梯，电梯一备一用，用于运输设备、人员、施工及维护机具、检修叉车等，各层配电设备周围设有巡视检修道，用于设备检修、人员巡视及叉车运输设备等，楼梯用于人员紧急疏散和交通。

通过将现今的配电装置由平层布置转变为立体空间布置，可以大幅度地节约用地，从而大大地降低配电装置的占地面积（AIS叠层配电装置占地可仅为常规配电装置的25%～35%），AIS 叠层配电装置占地面积与GIS 配电装置占地面积相当甚至还低，工程造价大大低于GIS配电装置；若某个单独配电间隔出现问题，可以像AIS配电装置一样，在保证其他配电间隔不停电状况下单独检修有问题的配电间隔，不会造成大面积停电，故常规AIS配电装置采用叠层方案后，占地、造价、维护、运行等各项指标都优于GIS配电装置。

对参考文献［3］所列13个方案进行对比分析可知，由于各方案中变压器容量、数量不同，高、中、低压主结线和送出线回路数不同，无功补偿容量不同，不能像500kV 那样进行全面的比较，只能将220 kV、110（66）kV 单个配电间隔占地面积和投资造价列入表3内。

表3 单个配电间隔指标

由表3 可知，AIS 占地面积最大，投资造价最小；GIS占地面积最小，投资造价最大，这点与表1和表2分析结果一致。

将220kV 典型设计220kV 高压配电装置方案每个立面布置5层，则220kV 的AIS叠层配电装置方案的高压配电装置占地面积689m2，比220 kV 的GIS配电装置方案高压配电装置占地面积700m2少；将220kV 变电站110（66）kV 低压配电装置方案每个立面布置4层，则110（66）kV 的AIS叠层配电装置方案的占地面积288m2，比110（66）kV 的GIS配电装置方案低压配电装置占地面积384m2少。AIS叠层配电装置与AIS配电装置不同之处，在于AIS（或GIS）叠层配电装置的母线位于两个配电间隔之外垂直布置，通过T 接的水平母线进入各层的配电间隔。

3 叠层配电装置技术优势及特点

3.1 减少占地

当AIS叠层配电装置为2层时，可节省配电装置占地面积接近1／2；当叠层配电装置为3层时，可节省配电装置占地面积接近2／3；当叠层配电装置为4 层时，可节省配电装置占地面积接近3／4；当AIS叠层配电装置为5层时，可节省配电装置占地面积接近4／5。

3.2 供变电站扩建或升压改造用

由表4知，在变电站内低压电抗器、电容器无功补偿设备、站用变压器等建筑物占地面积上面，可建500kV 或220kV 叠层配电装置，这样不仅可以节省新建变电站占地面积，还可以在己建变电站中无功补偿设备上面，建叠层配电装置供各级电压扩建出线用。

表4 低压电抗器、电容器、站用变压器等设备占地面积

随着城市的发展，城市用电负荷在迅速增加，往往要求原有变电站进行扩建或升压改建以满足地区用电，原建于城外或城郊的变电站，因城市发展在原有变电站四周己建成新建筑物，使得原有变电站扩建不能再增加占地面积。采用叠层配电装置，对位于城区老变电站进行扩建或升压改造变成可能。

3.3 减少投资造价

由表2知，对500kV 配电装置500kV 的GIS投资造价是AIS 的2.2 倍，220kV 配电装置220 kV 的GIS投资造价是AIS的1.57倍。因叠层配电装置采用AIS 常规设备，其投资造价是GIS 的45.45%～63.69%。AIS叠层配电装置投资造价与AIS配电装置相比仅增加土建部分投资。经初步统计对原有变电站扩建，采用叠层配电装置的土建增加费用与站内、外拆迁补偿费用相当，采用叠层配电装置投资造价约为GIS的50%～70%。

AIS叠层配电装置结线清楚、简洁、安装及维护方便，运行维修费用低，而且没有SF6等有害气体。

4 结束语

叠层配电装置可减少占地面积，叠层越多减少占地面积越大。当叠层配电装置为4层时，占地面积为常规AIS配电装置占地面积的1／4或稍多，可节省配电装置占地面积接近3／4；叠层配电装置投资造价为GIS配电装置的50%～70%，而运行维护条件比GIS好得多；对原有变电站AIS配电装置扩建，采用叠层配电装置的土建增加费用与变电站内、外拆迁补偿费用相当；叠层配电装置，给老城区变电站扩建或升压改造创造了条件。

参考文献：

［1］国家电网公司.国家电网公司500kV 变电站典型设计［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［2］孔繁力，刘钢，王春.变电站叠层配电装置：中国，201210459414.1［P］.2013－03－20.

［3］国家电网公司.国家电网公司输变电工程典型设计220kV 变电站分册［M］.北京：中国电力出版社，2005.