严寒地区配电装置选型研究

易 鹏

（国网电科院检测认证技术有限公司，江苏 常州 213127）

0 引 言

为满足兴安盟扎赉特旗负荷增长需要，需完善兴安盟地区220 kV电网结构，提高供电可靠性和供电质量，适应兴安盟地区电网发展，建设蒙东兴安巴达尔胡220 kV输变电工程。

1 工程概况

1.1 建设规模

本工程最终规划2×120 MVA主变，220/66/10 kV电压等级，本期建设1台120 MVA。

1.2 站址环境

本变电站位于兴安盟扎赉特旗西北45 km，秋季短促，霜冻来临早，冬季严寒，积雪时间长，冬季极易出现低于-30 ℃的极寒天气。而寒冷的低温天气，十分不利于电气设备的正常运行。

2 严寒地区各种配电装置型式技术比较

通常高压配电装置型式有三种方式：AIS配电装置、GIS配电装置和HGIS配电装置。

2.1 HGIS与AIS方案比较

（1）空气绝缘的敞开式开关设备（AIS）以瓷套作为设备外壳和外绝缘，优化了投资成本，但占地面积大，而HGIS在减少占地面积方面具有明显优势。

（2）HGIS的造价介于AIS和GIS之间，但是HGIS是一种不带充气母线的相间空气绝缘单相GIS，使得现场结构清晰、简洁、紧凑、安装、维护方便以及运行可靠性高[1]。

（3）HGIS与AIS相比，HGIS设备采购费用比AIS贵，但它的技术经济指标优越，尤其是减少了土建占地、设备构支架以及套管数量。

由此可见，对于变电站来说，HGIS的优势在于：

（1）提高了设备运行可靠性；

（2）提升了设备技术经济性；

（3）有便捷的现场施工；

（4）扩建方便、灵活性高，HGIS采用外置母线，方案布置灵活。

2.2 HGIS与GIS的对比分析

2.2.1 HGIS相对于GIS缺陷率更低

根据辽宁电网在5年期间对58起缺陷故障进行调查统计结果（如表1所示），发现在按电压等级划分下，GIS的缺陷率远高于HGIS的设备缺陷率。

2.2.2 HGIS相对于GIS组合电器有更强的抗震性能

HGIS不同于GIS设备的硬连接方式，它的每个间隔都是采用柔性连接，具有更好的抗震性能。HGIS气室没有盘式绝缘子，可靠性高。

2.2.3 HGIS比GIS运行可靠性更高

（1）HGIS的铝铸技术使密封法兰金属面直接压接，很好地解决了动、热稳定方面的问题；

（2）HGIS使用少量盘式绝缘子，降低了内部绝缘件的故障率，增强了可靠性；

（3）HGIS使用多工位的隔离开关，易损元件减到最少，而多工位隔离开关从设计结构上本身就带有防止误操作的功能，且操作简单，功耗小[2]。

2.2.4 HGIS相对于GIS组合电器方便安装维护

（1）HGIS的一个开关间隔做成一个模块，整体出厂运输，安装简单方便；

表1 GIS和HGIS缺陷率对比表

（2）安装调试便捷，252 kV以下的设备一个间隔一天即可安装完成；

（3）维护方便，HGIS拥有很长的免维护期限；（4）供货周期短。

2.2.5 HGIS相对于GIS成本更低

HGIS的造价与同样规模和种类的GIS相比降低了1/3。经过上述分析，HGIS更强调现场的免维护特点。

3 低温条件下HGIS的SF6气体防液化措施

SF6气体被广泛应用于断路器中，但是在低温环境下和一定压力情况下的SF6气体将会被液化，导致绝缘和灭弧性能相应下降。因此，本次设计竞赛应充分考虑此方面的影响，并采取相应的应对措施。

3.1 SF6气体的物理特性

由于在低温达到一定条件时SF6的压力会降低，一般当压力值小于0.3 MPa时，SF6气体将会发生液化。也就是说，在严寒环境中，SF6气体的压力极易降低至0.3 MPa以下，易发生液化反应。

3.2 HGIS内部SF6断路器防液化的措施

3.2.1 SF6断路器体外加热

将加热装置放在HGIS SF6断路器壳体外端，可以有效防止液化。实践证明，加热器存在的主要问题是：加热器本身寿命短，会直接影响设备的运行安全，理论上不合理；低温继电器的寿命和精度会影响加热器自身的可靠运行。

3.2.2 优化灭弧室结构，降低表压防液化

SF6气体液化温度随着气压的降低而降低。因此，可以采用降低SF6断路器额定充气压力的方法降低液化温度，但这种方法会降低断路器的绝缘性能和开断。表2为不同厂家常规地区瓷柱式断路器压力值，表3为不同厂家寒冷地区瓷柱式断路器压力值。

为了解决以上矛盾，许多厂家设计开发了低气压、单断口结构的SF6断路器，可以在不改变开断电流的情况下，使降低断路器所需的SF6气体压力成为现实。

表2 不同厂家常规地区瓷柱式断路器压力值

表3 不同厂家寒冷地区瓷柱式断路器压力值

3.2.3 采用混合气体的方式防液化

采用SF6和CF4气体混合，两者不发生化学反应，仍保持各自的特性。充气后，经过一段时间达到相互平衡，保持稳态运行。相同压力下，混合气体临界液化温度是-45 ℃，可以适应我国绝大部分寒冷地区的环境条件。

目前，国内生产厂商普遍采用HGIS体外伴热带的加热方式，其相对较为成熟，运行安全性较高，并具有现场运行经验，技术难度相对较低，防液化效果较好。因此，本期工程采用HGIS体外伴热带的加热方式防止SF6气体液化。

4 结 论

综合以上技术经济分析，AIS配电装置、GIS配电装置、HGIS配电装置三种配电装置型式技术上各有优势。在遵循节约用地、运行安全和操作巡视方便、便于检修和施工安装、节约资源、降低造价以及适应模块化智能变电站特点的原则下，推荐蒙东兴安巴达尔胡220 kV变电站采用HGIS配电装置型式。该方案占地小，全寿命周期投资省，环境友好，符合国网公司“两型一化”“全寿命周期成本最优”的要求。

从运维安全方便性的角度综合考量，选取HGIS设备体外伴热带的加热方式。该种方法技术难度低，易于实现，能够有效防止SF6气体液化，提高设备运行的可靠性，是国内HGIS厂家采用的主要防液化手段。