1 000 kV变电站高抗回路抗震设计技术经济分析

2017-11-14赵洪远杨旭方

山东电力技术 2017年10期

关键词：出线避雷器潍坊

焦红，程剑，张斌，赵洪远，杨旭方

（1.国核电力规划设计研究院，北京 100095；2.国网山东省电力公司，山东济南 250001；3.山东送变电工程公司，山东济南 250022；4.国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东潍坊 261021）

·特高压技术·

1 000 kV变电站高抗回路抗震设计技术经济分析

焦红1，程剑2，张斌3，赵洪远4，杨旭方1

潍坊1 000 kV变电站是迄今为止所有特高压变电站中抗震等级最高的变电站。对潍坊1 000 kV变电站高抗回路抗震设计方案进行深入探讨，从技术经济两方面分析方案优劣性和可行性，以积累总结抗震示范典型经验，为其他类似工程优化设计提供参考。

特高压；抗震设计；技术经济分析

0 引言

随着社会对电网容量需求的不断提高，长距离、大容量、高电压输电逐渐成为电网的发展趋势。榆横—潍坊特高压交流输变电工程是国家大气污染防治行动计划“四交四直”特高压工程中第5条获得核准开工的输电通道，是华北特高压交直流主网架的重要组成部分。建设榆横—潍坊特高压交流输变电工程（以下简称榆横—潍坊工程），对于推动陕北、晋中煤炭基地发展，提高煤炭、发电行业的集约化发展，满足京津冀鲁地区用电负荷增长需求，落实国家大气污染防治行动计划，改善生态环境质量，具有重要意义。

潍坊1 000 kV变电站新建工程站址位于山东省潍坊市以南40 km的昌乐县红河镇，占地13.92 hm2（围墙内占地11.67 hm2）。潍坊站是迄今为止所有特高压变电站中抗震等级最高的变电站。站址处于鄌郚葛沟大断裂带与安丘莒县大断裂带之间，西侧距离鄌郚葛沟大断裂带仅5 km，电气设施按9度进行抗震设防，工程中首次采用110 kV汇流母线悬吊式管型分支母线、110 kV电抗器低位布置等世界上最先进的抗震措施，主变、高抗、避雷器、CVT等电气设备采用减震、隔震新抗震技术措施。

选取潍坊站高抗回路进行抗震性能分析，提出支持管母与悬吊管母两种方案并进行技术经济比较，提出适合于本站的推荐方案。

1 高抗回路布置方案

1.1 支持管母方案

在皖东电东送工程及浙北—福州输变电工程中1 000 kV高抗配电装置采用敞开式设备，根据过电压计算研究，高抗回路在不考虑高抗退出的情况下，出线回路与高抗回路共用1组避雷器可以满足过电压的保护要求。因此将出线回路和高抗回路设1组避雷器。

同时高抗AIS回路取消敞开式接地开关，检修时可利用GIS内部出线快速接地开关接地并配合挂接地线的方式。

综合考虑设备的抗震性能、运行条件下的设备受力、金具制造、施工的难度以及美观度等因素，1 000 kV高抗回路设备连接采用硬连接，选用铝管母线D200/D180。1 000 kV高抗回路采用抗震性能较好、运行经验成熟的“四元件”方案，系统由GIS套管、避雷器、电压互感器和高抗套管组成［1］。采用“四元件”方案的高抗回路断面图如图1所示。其中避雷器与管母线采用固定连接金具，电压互感器和管母线的连接采用滑动连接金具，高抗套管与回路管母线采用软导线连接。

图1 高抗回路断面图（四元件方案）

高抗回路系统中，按电压互感器与高抗套管间距分别为4 m和5 m两种情况进行抗震计算。

1）电压互感器与高抗套管间距为4 m，计算模型如图2所示。模型中支架主材Φ194mm×12mm，辅材Φ83 mm×5mm。设备间距8.5m，管母线中心距地高度18.5mm。

计算结果。大风工况分析结果，对结构进行Y向大风工况下的力学性能分析，结果如表1所示。

地震工况分析结果。对结构进行X和Y向地震工况下的力学性能分析，地震组合工况为1.0自重+0.25大风+1.0地震荷载，结果如表2、表3、表4所示。

图2 计算模型（间距4 m）

表1 大风工况Y向分析结果

表2 地震工况X向分析结果

表3 地震工况Y向分析结果

表4 X地震作用下管母滑动金具的滑动范围 mm

设备最小安全系数为0.96，不满足规范要求；通过多次特高压电气设备减震试验，加装减震器后设备的减震效率为50%～80%，保守按照50%的减震效率计算，设备加装减震器后的最小安全系数为1.92，满足规范不小于1.67的要求［2］。

高抗回路管母线相对于高抗设备顶端位移保守计算为450 mm，重力作用下互感器端悬臂管母线竖向位移为26.56 mm。

2）电压互感器与高抗套管间距为5 m，计算模型如图3所示。模型中支架主材Φ194 mm×12 mm，辅材Φ83 mm×5 mm。设备间距8.5 m，管母线中心距地高度18.5 mm。

图3 计算模型（间距5 m）

计算结果。大风工况分析结果，对结构进行Y向大风工况下的力学性能分析，结果如表5所示。

表5 大风工况Y向分析结果

地震工况分析结果。对结构进行X和Y向地震工况下的力学性能分析，地震组合工况为1.0自重+0.25大风+1.0地震荷载，结果如表6、表7、表8所示。

表6 地震工况X向分析结果

表7 地震工况Y向分析结果

表8 地震作用下X向管母滑动金具滑动范围 mm

设备最小安全系数为0.94，不满足规范要求；通过多次特高压电气设备减震试验，加装减震器后设备的减震效率为50%～80%，保守按照50%的减震效率计算，设备加装减震器后的最小安全系数为1.88，满足规范不小于1.67的要求［2］。

高抗回路管母线相对于高抗设备顶端位移保守计算为450 mm，悬臂5.5 m的互感器端管母线竖直位移为45.9 mm。

由抗震计算结果可知，电压互感器与高抗套管间距分别为4 m和5 m两种情况均能满足潍坊站地震水平加速度0.486 g的抗震要求。

若电压互感器与高抗套管间距为4 m，由于潍坊站的1 000 kV CVT为西容产品，高抗1 000 kV套管为ABB套管，高抗套管均压环与CVT底部金属法兰的距离在满足相地距离7 500 mm的基础上仅有650 mm的裕度，高抗套管金属带电部分与CVT底部金属法兰的距离在满足相地距离7 500 mm的基础上有240 mm的裕度。经调研，高抗套管均压环与CVT底部金属法兰的距离太近会影响CVT电磁测量单元的测量精度，又为了能对抗震有利，故目前暂按电压互感器与高抗套管间距为4.5 m设计。高抗套管均压环与CVT底部金属法兰的距离在满足相地距离7 500 mm的基础上有850 mm的裕度，高抗套管金属带电部分与CVT底部金属法兰的距离在满足相地距离7 500 mm的基础上有470 mm的裕度［3］。

1.2 悬吊管母方案

1 000 kV高抗回路由四元件组成，以往设备间采用管母连接，由于管母线较长，硬度大，地震时设备之间会有相互的作用力，另外常规布置高抗中性点采用支撑管母方案，同时防火墙对支撑管母还有放大作用，在地震时容易损坏。

因此提出优化高抗回路四元件的连接方式，优化后在高抗附近出线侧增加了构架，高抗回路采用悬吊管母方案。GIS套管、高抗套管与悬吊管母采用多分裂导线连接，为满足管母挠度，避雷器、CVT分别T接到GIS套管和高抗套管与悬吊管母的引接线上［4］。在出线构架悬挑梁上设置中性跨线，采用软母线连接，可以较好地满足抗震要求。

采用此悬吊管母方案可以通过降低电压互感器高度或者将高抗向西移动的方案解决电压互感器与高抗套管距离近，相互之间有电磁干扰的问题，经与水工专业人员核实，高抗可以向西移动4 m，电压互感器与高抗套管距离可达到8 m。

采用此悬吊管母方案可以满足抗震要求，但是存在以下几方面问题。

1）悬吊管母方案与支撑管母方案相比，设备最小安全系数仅提高5%，即设备最小安全系数为2.0左右。2）根据特高压实验示范工程计算结果，为满足过电压要求，避雷器和高抗套管之间的距离不宜超过12 m，避雷器和CVT之间的距离不宜超过32 m［5］。但采用悬吊管母后，避雷器和高抗套管之间的距离至少为48 m，避雷器和CVT之间的距离超过50 m，均不满足过电压要求。需要在高抗套管和CVT附近增加一组避雷器，布置方式、连接方式也均有变化，必然会有1个设备在悬吊管母中间T接，管母挠度不能满足要求，且需要向1 000 kV出线方向多增加占地6.5 m，新增征地约2968.15 m2。3）新增出线架构基础需要与高抗防火墙以及中性点小抗基础整体浇铸。上部结构通过基础相互影响，基础受力情况复杂。4）构架柱须伸出一段横担来挂线，且单侧受力，构架柱将承受较大的扭矩，对于格构式结构来说受力不合理。5）由于济南一线、济南二线、远景枣庄一线的出线架构为三跨连续梁，本期需建设枣庄一线的出线架构（若本期不建设，远景扩建时不满足带电安装架构的要求）。枣庄一线作为远景出线，因1台高抗、小抗基础与构架基础整体浇注，需本期建设底板，而上部基础由于设备外形未知只能远期建设。与此同时，高抗1面防火墙距离构架柱不足1.5 m，若按远景建设考虑造成施工不便，而如果本期建设则位置、高度、宽度均不可知，影响远期扩建。6）出线构架由1排变为2排，用钢量增加较多。7）高抗中性点引上线在大风工况下很难同时满足与高抗套管7 500 mm以及与高抗油枕1 800 mm的要求，若采用悬吊管母方案，需要高抗厂家将油枕与高抗本体的距离拉远，高抗厂家需要重新进行高抗本体抗震计算。8）用于1 000 kV悬吊管母金具没有运行经验，需要金具厂家配合研制。9）两榀架构距离仅17.5～21.5m，距离太近，影响现场美观。

3 不同布置方案技术经济比较

潍坊站本期济南一线高抗回路两种方案技术经济比较［6］（未考虑悬吊管母方案新增一组避雷器、新增占地）如表9所示。

表9 支持管母与悬吊管母方案技术经济比较

由于济南一线、济南二线、远景枣庄一线的出线架构为三跨连续梁，本期需建设枣庄一线的出线架构。枣庄一线作为远景出线，因一台高抗、小抗基础与构架基础整浇，故需本期建设底板，但未考虑悬吊管母方案新增一组避雷器、新增占地。技术经济比较如表10所示。

可见，本期工程悬吊管母方案在未考虑新增一组避雷器、新增占地的情况下比支持管母方案的工程设备材料费用增加720万元。

表10 支持管母与悬吊管母方案技术经济比较

4 结语

通过对1 000 kV高抗回路支持管母与悬吊管母方案进行分析比较，两方案均能满足本工程50年超越概率为2%的地震动峰值加速度为0.486 g抗震设防要求，但是悬吊管母方案存在问题，有待进一步分析研究。

根据特高压实验示范工程计算结果，采用悬吊管母方案时，不满足过电压要求，需要在高抗套管和CVT附近增加一组避雷器，且需要向1 000 kV出线方向多增加占地6.5 m，需重新征地约2 968.15 m2；用于1 000 kV悬吊管母金具没有运行经验，需要金具厂家配合研制；经核实，悬吊管母方案与支撑管母方案相比，设备最小安全系数仅提高5%，即设备最小安全系数为2.0左右；两方案经经济比较本期工程悬吊管母方案比支持管母方案的工程设备材料费用高720万元；鉴于悬吊管母方案存在诸多问题，抗震安全系数相当，投资费用增加较多，本工程高抗回路仍推荐“四元件”支持管母方案。

［1］郭振岩.变压器抗地震性能的研究［J］.变压器，2005，42（8）：13-31.

［2］国家能源局.电力设施抗震设计规范：GB 50260—2013［S］.北京：中国计划出版社，2013.

［3］杨亚弟，李桂荣.电气设施抗震研究概述［J］.世界地震工程，1996，12（2）：20-22，54.

［4］Andre Filiatrault，Christopher Stearns.Electrical Substation Equipment Interaction：Experimental Rig－id Conductor Studies［M］.California Energy Commission，2005.

［5］朱祝兵，代泽兵，崔成臣.连接方式对电气设备抗震性能的影响分析［J］.武汉大学学报（工学版），2010，43（S1）：49－52.

［6］马永军.工程造价控制［M］.北京：机械工业出版社，2009.

Technical and Economic Analysis on Seismic Design of High Voltage Reactor Circuit in Weifang 1 000 kV Substation

JIAO Hong1，CHENG Jian2，ZHANG Bin3，ZHAO Hongyuan4，YANG Xufang1
（1.State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing，100095，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan250001，China；3.Shandong Electric Power T&T Engineering Company，Jinan 250022，China;4.State Grid Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

The Weifang 1 000 kV substation is of the highest level of earthquake resistance in all UHV substations by far.In this paper，the seismic design of high voltage reactor circuit in Weifang 1 000 kV substation are discussed.Technical and economic analysis of the project are presented.It summarizes the typical experience of earthquake resistance，and lays the foundation for other similar engineering optimization design.

ultra high voltage；seismic design；technical and economic analysis

TM632

1007－9904（2017）10－0045－04

2017-06-26

焦红（1982），女，高级经济师，从事电力技术经济研究。