500 kV开关设备选型研究

黄锦明（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门529000）

500 kV开关设备选型研究

黄锦明
（广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门529000）

目前，常用的500 kV开关设备主要分为3种，常规敞开式开关设备（简称AIS）、复合式气体绝缘开关设备（简称HGIS）以及气体绝缘金属封闭式开关设备（简称GIS）。该文探讨了在工程实际中，如何选择适宜的开关设备种类的问题。介绍了这3种开关设备的特点，并给出了各种开关设备对应的总平面布置方案，对开关设备的技术经济性也做了比较。结合500 kV江门站改造的工程实例，提出了每一种开关设备的适用范围，为工程应用提供参考。

常规敞开式开关设备；复合式气体绝缘开关设备；气体绝缘金属封闭式开关设备

随着电网建设的发展，变电站数量大幅增加，对超高压开关设备的性能、可靠性、小型化等方面的要求也越来越高。目前，超高压开关设备主要有：常规敞开式开关设备（简称AIS）、复合式气体绝缘开关设备（简称HGIS）以及气体绝缘金属封闭式开关设备（简称GIS）等三大类。这三类开关设备有各自的特点，适用于不同的情况。本文对不同种类的开关设备的特点进行分析，比较各种开关设备对应的总平面布置方案，并对这三类开关设备的技术经济性进行比较，有助于在特定条件下选择合适的开关设备，在工程实际中有一定的参考指导意义。

1　不同种类开关设备的特点

1.1常规敞开式开关设备

常规开关设备在电网中的运行经验丰富，且价格相对便宜，故目前在变电站的设备选型中仍处于主导地位。同时近年来随着设备制造水平的不断提升，常规电气设备的性能已有了很大的提高，如500 kV瓷柱式断路器由原先的双柱四断口结构发展到如今的单柱双断口结构，开断能力由原来的40 kA发展为如今的63 kA。但常规设备占地面积较大，元件多、故障几率相对较高，可靠性相对较差[1]。

1.2复合式气体绝缘开关设备

HGIS（hybrid gas insulate switchgear）是介于AIS和GIS之间的一种复合式气体绝缘开关设备，它兼有二者的优点，它将变电站中除变压器、母线以外的一次设备，包括断路器（GCB）、隔离开关（DS）、接地开关（ES）、快速接地开关（FES）、电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、避雷器（LA）、架空套管（BSG）等，按不同的主接线及平面布置的要求将有关元件联成一体，构成一种没有母线的组合式高压电器。它具有可靠性高，安装周期短，维护工作量小等优点，而且由于它母线敞开，比GIS扩建更方便。但和GIS相比，占地面积较大，同时设备造价高于AIS[2]。

1.3气体绝缘金属封闭式开关设备

GIS（gas insulate switchgear）与HGIS结构类似，在HGIS的基础上将母线也密封在金属外壳中，受外界条件的影响更小。它具有占地面积小，运行可靠性高，防污及抗震性能好，安装周期短，维护工作量小等优点[3]。但存在设备造价高、内部检修及事故时的影响范围大、远期扩建不便等问题，使得GIS的应用受到一定限制。

2　总平面布置方案比较

不同种类的开关设备对应不同的总平面布置方案，对三种开关设备的布置方案进行分析，给出各布置方案的特点。

2.1AIS设备布置方案

500 kV配电装置选用常规开关设备，采用悬吊式管型母线断路器三列中型布置，即主变压器进线回路与出线回路相互垂直。母线布置在两侧，配电装置采用三排中间构架，出线间隔宽度为28 m。主变低进，出线高出，500 kV主变进线的导线悬挂高度为19 m，主母线悬挂高度为20.5 m，间隔内上导线悬挂高度为27 m。母线隔离开关采用单臂垂直伸缩式，串内隔离开关采用组合式水平开启型。

根据配电装置尺寸的校验，设备相间距离取8 m，相对地距离为6 m。设备支架高度，主要由设备间连线对地距离和连线对相间运输道路的安全距离所决定；构架的高度由设备的高度以及相对地距离，不同时停电检修等因素所决定。这种布置有下列特点：

1）布置紧凑，占地面积小。

2）布置与接线对应，接线清晰。

3）主变采用低构架横穿方式，简化了构架。

4）线路可以正向出线，也可反向出线，使电源分别接在两组母线上。

5）构架简单，钢耗量低，可采用大档距导线。

6）两组母线布置在两侧，距离远，停电检修时，感应电压小。

7）采用悬挂式硬管母线，具有施工较方便，抗震性能好，投资相当，适用范围广等优点，在国内已有多年的运行经验。

8）检修与维护设备的工作量较大，土建支架较多。

9）施工安装周期较长，设备的安装运行受周围环境的影响。

2.2HGIS设备布置方案

HGIS的布置有以下3种组合方式[4]：

1）“3+0”方式：以断路器为单元，3个断路器单元连成一个整体构成一个完整串，如图1所示。

图1　方式1的HGIS布置图Fig.1HGIS section of mode 1

此布置方式的优点是进出线侧可配置隔离开关，设备可靠性高，较适合于一个完整串一次性建成。缺点是扩建及检修不方便，布置不够灵活，尤其是出线反跳时。

2）“2+1”方式：以断路器为单元，2个断路器单元联成一个整体，另1断路器单元独立，中间通过软导线连接构成一个完整串，如图2所示。

图2　方式2的HGIS布置图Fig.2HGIS section of mode 2

此布置方式的优点是布置较灵活，尤其是出线反跳时，设备可靠性较高，较适合于首期为不完整串的建设，扩建中间断路器单元时解开断路器中间的连线后，线路仍可继续运行，扩建后再将连线接回，仅解线和接线时短时停电。缺点是进出线用软导线连接侧不能配置隔离开关，与“3+0”方式相比每串设备增加3只出线套管，设备费用投资稍大。

3）“1+1+1”方式：以断路器为单元，3个断路器单元均独立，通过软导线连接构成一个完整串，如图3所示。

图3　方式3的HGIS布置图Fig.3HGIS section of mode 3

此构造方式的优点是布置较灵活，较适合于首期为不完整串（线-线串）的建设，扩建和更换设备时为插接式，非常方便，出线仅须短时停电（解开中间的连线及扩建后接回连接线时）。缺点是进出线侧不能配置隔离开关且不适合出线反跳的布置（场地受不反跳串的限制，否则须加大场地），与“3+0”方式相比每串设备增加6只出线套管，设备费用投资稍大。

目前广东地区已投产的采用HGIS设备的500 kV变电站均采用“2+1”方式，布置型式采用悬吊式管型母线断路器三列中型布置，主变压器进线回路与出线回路相互垂直。母线布置在两侧，配电装置采用三排中间构架，出线间隔宽度为28 m。主变低进，出线高出，500 kV主变进线、主母线的导线悬挂高度为20.5 m，间隔内上导线悬挂高度为27 m。

根据配电装置尺寸的校验，设备相间距离取8 m，相对地距离为6 m。设备支架高度，主要由设备间连线对地距离和连线对相间运输道路的安全距离所决定；构架的高度由设备的高度以及相对地距离，不同时停电检修等因素所决定。这种布置有下列特点：

1）布置紧凑，占地面积小。

2）间隔内设备少，检修方便，维护工作量小，土建支架大大减少。

3）布置与接线对应，接线清晰。

4）主变采用低构架横穿方式，简化了构架。

5）线路可以正向出线，也可反向出线，使电源分别接在两组母线上。

6）构架简单，钢耗量低，可采用大档距导线。

7）采用悬挂式硬管母线，具有施工较方便，抗震性能好，投资相当，适用范围广等优点，在国内已有多年的运行经验。

8）施工安装周期较长，设备的安装运行受周围环境影响。

2.3GIS设备布置方案

目前广东地区已投运的采用500 kV GIS的变电站有2个，均采用户内单列式布置，两个间隔中心距离宽27 m。GIS配电室宽13 m，高11 m，室内配置安装检修吊车。出线通过GIS管道引出户外与27 m宽、25 m高的门型构架连接；主变进线通过GIS管道引出户外与主变套管连接。这种布置有下列特点：

1）布置紧凑，占地面积小。

2）施工安装周期短，维护工作量小。3）布置与接线对应，接线清晰。

4）GIS户内安装，不受周围环境影响。

5）500 kV设备支架大幅减少，500 kV构架型式简单，只有出线门型构架。

6）GIS内部检修或事故时影响的范围较大。

3　AIS、HGIS、GIS方案的技术经济性比较

依据这3种开关设备的特点，对各方案的技术经济性进行比较，如表1所示。

分析表1，AIS方案造价便宜，扩建方便，运行业绩多，但安全可靠性、防污及抗震性等相对较差，同时维护的工作量大，施工安装时间长，占地面积大。HGIS方案的安全可靠性、防污及抗震性、扩建的方便性较好，维护工作量与施工安装工作量较小，占地面积较小，有一定的运行业绩，但造价较高。而GIS方案的安全可靠性、防污及抗震性好，维护工作量、施工安装工作量小，占地面积小，有一定的运行业绩，但造价高，扩建的方便性较差，同时维修时影响的范围较大[5-6]。

4　工程设备选型实例

对3种开关设备的特点、对应的平面布置方案以及技术经济性进行了分析与比较，接下来结合500 kV江门变电站改造时开关设备选型的实例，依据变电站的地理位置、重要性与建设条件等选择合适的开关设备种类。

表1　AIS、HGIS、GIS方案的技术经济性比较Tab.1Techno-economical comparisons among AIS，HGIS and GIS

4.1从变电站的地理位置来看

500 kV江门变电站位于广东省江门市东北8 km的蓬江区杜阮镇松园乡，是广东省第一座500 kV变电站，由于变电站建设初期按照交直流合建规划，因此站内有大片空余场地，从AIS、GIS、HGIS设备占地情况来看，目前，空地的位置仅适于布置GIS、HGIS设备，但GIS设备价格过于昂贵，故采用设备费用相对较低，检修与扩建方便的HGIS设备是很适宜的。

4.2从变电站在电网中的重要性来看

500 kV江门变电站对于改善江门地区220 kV电网结构，提高电网的安全性和可靠性，满足江门市西部负荷的发展起到重要作用。而且它是糯扎渡直流电力送入江门的第一个枢纽变电站，要求有很高的可靠性。HGIS与GIS设备由于其主要组成元件均封闭在金属壳体内，故其可靠性优于常规开关设备[7]。由于HGIS设备的母线布置于户外，一旦故障对HGIS设备本体的影响较小，因此，采用HGIS更加合理。

4.3从分期建设情况来看

若采用GIS则扩建时运行中的设备需停电对接，而采用HGIS则不存在此问题，首期为不完整串的建设，在扩建中间断路器单元时解开断路器中间的连线后，线路仍可继续运行，扩建后再将连线接回，仅解线和接线时短时停电，扩建十分方便。

5　结论

通过对AIS、HGIS、GIS开关设备所对应的总平面布置方案与技术经济性进行比较，并结合500 kV江门变电站改造时开关设备的选型实例，得出如下结论：

1）AIS方案造价便宜、扩建方便，运行经验丰富，但占地面积大，安全可靠性相对较差，同时设备的运行维护工作量大。HGIS方案扩建较方便、占地面积较小，安全可靠性较好，维护工作量较小，但造价较高。而GIS方案占地面积小、安全可靠性好，维护工作量小，但造价高、扩建不方便，同时维修时影响的范围较大。

2）有足够的设备场地、对变电站的安全可靠性没有很高的要求，并考虑后期的扩建，建议选用价格便宜同时有丰富运行经验的AIS方案。

3）设备场地较紧张，对变电站的安全可靠性要求高，并考虑扩建灵活方便，建议选用综合成本较低、维护工作量较小的HGIS方案。

4）设备场地紧张，建设周期短，环境条件恶劣，对变电站的安全可靠性要求高，建议选用维护工作量小的GIS方案。

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[2]陈潮，王宁.500 kV HGIS在广西防城港电厂中的应用[J].勘测设计，2009（2）:70-74. CHEN Chao，WANG Ning.Application of 500 kV HGIS in Fangchenggang power plant Guangxi[J].Electric Power Survey&Design，2009（2）:70-74（in Chinese）.

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[4]夏文，胡旭辉.550 kV气体绝缘金属封闭组合电器及其应用[J].高压电器，2010，46（12）:89-92. XIA Wen，HU Xuhui.550 kV hybrid gas insulated switchgear and its application[J].High Voltage Apparatus，2010，46（12）:89-92（in Chinese）.

[5]张智军.GIS设备的运行维护[J].东北电力技术，2009（7）:24-26. ZHANG Zhijun.Operation and maintenance of GIS devices[J].Northeast Electric Power Technology，2009（7）: 24-26（in Chinese）.

[6]李亚峰，王纯.GIS设备在陕西电力系统中的应用[J].陕西电力，2009（2）:79-81. LI Yafeng，WANG Chun.Application of gis device in shaanxi power system[J].Shaanxi Electric Power，2009（2）:79-81（in Chinese）.

[7]张晓明.浅谈水电站330 kV配电装置选择和布置[J].中国农村水利水电，2009（4）:124-125. ZHANG Xiaoming.Discussion on 330 kV distribution equipment selection and layout in hydropower station[J]. China Rural Water and Hydropower，2009（4）:124-125（in Chinese）.

（编辑徐花荣）

Research on Selection of the 500 kV Switchgears Equipment

HUANG Jinming
（Jiangmen Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Jiangmen 529000，Guangdong，China）

At present，there are three kinds of common 500 kV switchgears，namely air insulated switchgear（AIS），hybrid gas insulated switchgear（HGIS）and gas insulated switchgear（GIS）.This paper focuses on how to choose the most appropriate type of switchgear.The characteristics and the corresponding scheme of general layout of each kind of the switchgears are elaborated，and techno-economical comparisons are made.Based on the actual case of the 500 kV Jiangmen Substation Innovation project，the paper recommends the application scope of each kind of switchgear with useful reference for engineering applications.

air insulated switchgear；hybrid gas insulated switchgear；gas insulated switchgear

1674-3814（2015）06-0083-05

TM56

A

2014-12-17。

黄锦明（1974—），男，大学本科，电气工程师，认证的国际项目经理IPMP，现从事电网生产运行管理。