智能化隔离断路器的应用与变电站设计优化

2014-12-11吴星

中国科技纵横 2014年18期

关键词：配电装置互感器接线

吴星

(国网福建省电力有限公司泉州供电公司,福建泉州 362000)

智能化隔离断路器的应用与变电站设计优化

吴星

(国网福建省电力有限公司泉州供电公司,福建泉州 362000)

本文通过对隔离式断路器(DCB)及其优点的的介绍,提出用智能化DCB替代传统的由断路器、隔离开关,电流、电压互感器等设备组成的变电站220kV、110kV配电装置间隔,优化变电站配电装置主接线和总平布置。

智能化隔离式断路器电气主接线总平布置优化

1 智能化隔离式断路器的应用

1.1 隔离式断路器的定义

根据2005年10月发布的DCB标准IEC62271-108：“DCB即具有隔离开关功能的断路器，当触头在分闸位置时，这种断路器可以实现隔离开关的功能。”对应国标GB/T27747-2011已于2009年完成，2011年发布。国内的一些开关厂也进行了开发研究，一些产品逐渐投入使用。目前，已经有大量的DCB产品投入电力系统进行商业运行。

1.2 选用隔离式断路器的目的

图1

图2 传统的间隔方式

图3 使用一台智能化DCB代用

历史上来看，间隔设计的目的是尽可能将断路器隔离开以便于维护。这是基于断路器在当时比隔离开关的故障率要高很多。一般的断路器维护周期是1-2年，而隔离开关的维护周期能达到4-5年。

在实际的应用中，由于隔离开关的触头外露，在运行中容易受到雨水、污染气体的腐蚀，提供触头压力的弹簧部件容易受到腐蚀而弹力衰退；触头表面受到腐蚀氧化而导致接触电阻增加。在冬天，触头还可能由于冰冻而是触头冻住影响操作。一些隔离开关的传动部件容易因为缺少润滑、腐蚀等原因而发生传动卡滞。因此，处于敞开式运行的隔离开关，相对于密封运行的开关设备，其故障率要明显高于处于密封运行的断路器。

相对而言，近二十年，SF6断路器在110KV以上系统得到广泛的应用。特别是在采用弹簧操作机构的自能灭弧SF6断路器，因结构简单、功能紧凑，其运行可靠性已经达到很高的水平。经过GPMS系统的统计，110KV以上断路器的可靠性指标为20a，隔离开关的可靠性指标为5a，由此可见隔离开关的可用系数已经远远低于断路器的可用系数，为检修断路器而设置的隔离开关已经成为影响间隔正常使用的一个制约因素。近年，一种集成传统断路器、隔离开关、电子式电流互感器的电气设备逐渐成熟应用，这就是隔离式断路器(Disconnecting Circuit Breakers，简称DCB)。

1.3 隔离式断路器(DCB)的主要组成

隔离式断路器以传统式断路器为基础进行集成优化，一台隔离式断路器至少集成了一台断路器和一台隔离开关的功能，传统隔离开关的功能通过DCB灭弧室触头来实现，从而实现兼备隔离开关功能的断路器。隔离式断路器具有三个位置，分别为合闸位置、分闸位置、隔离开关位置。隔离式断路器的断路器敞开位置触头可作为隔离开关敞开位置触头，满足了隔离开关的功能要求，为检修线路提供可靠地断点。由于没有外漏触头，其维护周期可达15年以上。

此外，隔离室断路器除了集成隔离开关外，还可以集成接地刀闸和电子式电流、电压互感器，通过一体化制造将一、二次设备高度集成，实现功能组合，节约土地和投资。

1.4 隔离式断路器的智能化

根据智能电网对于设备状态可视化的要求，在隔离断路器的设计和制造中，实现了与在线监测装置的深度融合，对设备状态进行监测，提升了设备可靠性，实现了设备功能智能化。通过系统的集成和一体化制造，智能化的隔离式断路器可以包含一台断路器、一组隔离开关、一组接地刀闸、一组电流互感器、一组电压互感器。从总体上说，智能化隔离式断路器突出体现以下几个优点(图1）：

将电子式互感器集成与断路器本体实现一体化的工厂制造，取消变电站内独立电流互感器，节省土地。

通过断路器同步控制器，控制开合时间，消除暂态电流或电压，实现开断或关合的智能控制技术，实现智能灭弧，减少对系统冲击，提高电能质量。

表1 主接线优化前后对比方案表

图4 优化后220kV侧电气主接线

图5 优化后110kV侧电气主接线

图6 典设方案220kV配电装置平面布置图

采用新结构与新工艺，实现断路器和互感器之间、隔离式断路器和智能组件间的深度融合，对SF6气体压力、密度以及断路器机械特性进行在线检测，提高设备可靠性。

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通过智能化DCB的深度集成，在一个间隔中，元件得到大幅度的简化，如图2为传统式的元件配置，图3一台智能化DCB即可代用左边的系列设备。

2 采用智能化DCB优化配电装置主接线和总平布置

由于智能化隔离式断路器内部集成了断路器、接地开关、电流互感器、电压互感器等元件，断路器的触头兼具断路器和隔离开关的双重功能，且带线路侧接地刀闸，因此取消线路侧隔离开关，同样能满足线路(或主变压器)检修时的需要。隔离断路器设备可靠性较高，接近于GIS设备的可靠性水平，优质产品设计检修周期可达到20年，若按变电站设计周期40年来算，在整个变电站运行期内，每台隔离断路器仅需检修1次；并且隔离断路器能与母线同时检修，因此，可取消母线侧隔离开关。可见，隔离断路器设备的采用，极大简化了主接线型式。

根据以上思路，我们以国网220kV变电站典设方案220-C-1(10)为样本，将隔离式断路器、110kV气体绝缘母线应用于该站，并在此基础上对该站的主接线和总平面进行合理优化，以达到提高运行可靠性、降低维护工作量、优化占地面积、节能经济环保的目的。

2.1 主接线方案优化

国网典设220-C-1(10)方案(以下简称典设方案)的终期建设规模为主变压器3台180MVA；220kV出线6回；110kV出线12回(表1）。

优化后220kV主接线采用双母线接线，采用隔离式断路器，取消主变及线路出线侧隔离开关，共9组，见图4；110kV主接线双母线接线优化为单母线三分段接线，取消主变及线路出线、母线侧隔离开关，共15组，见图5。(优化前接线图见国网典设220-C-1(10)方案)。

2.2 配电装置布置优化

图7 优化后220kV配电装置平面布置图

图8 典设方案110kV配电装置平面布置图

图9 优化后110kV配电装置平面布置图

2.2.1 220kV配电装置

采用了新型的隔离断路器优化后，220kV配电装置采用双列布置，每个间隔的尺寸从原有的13米优化到11．5米，相间距离由原来的3．5米，减少3．0米，共6个间隔，宽度尺寸由原来的143缩减为69米；两条主母线为管型母线，母线的相间距离由原来的3．5米，优化为2．5米，经优化后，220kV配电装置双列布置的纵向长度43米，比方案一的220kV配电装置单列布置还减少了11米。见图7对比可知，优化后的220kV配电装置的占地面积较小，只有3827m2，只有典设方案的44．3%，共节约占地面积4813m2(约7．2亩)。

2.2.2 110kV配电装置

典设方案：配电装置采用双母线接线方式，母线支架为7米高的T型架，相间距离1．6米，110kV配电装置布置于母线下方，配电装置采用单列布置，设备母线套管通过导线直接与母线连接。每个间隔的出线间隔采用宽度为8．0米，间隔总的宽度共8x17=136米。见图8。

优化方案：配电装置采用单母线三分段接线，主母线采用结构紧凑、防护等级高、使用寿命长、免维护的气体绝缘母线(GIB)，110kV设备采用双列布置，分别布置在主母线的两侧，主母线套管通过导线直接与各间隔设备连接。每个间隔的出线间隔采用宽度为7m的两跨联合架构。配电装置间隔总宽度尺寸由原来的136缩减为70米，纵向深度由原来的37．5米缩减为16．5米。见图9。

对比可知，优化后的110kV配电装置的占地面积较小，只有1442m2，只有典设方案的24%，共节约占地面积4558m2(约6．8亩)。