HGIS 技术在落水洞水电站工程中的应用研究

2020-03-16

湖南水利水电 2020年6期

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙 410007）

引言

落水洞水电站工程是一座以发电为主，结合防洪和灌溉等综合利用的水电站。电站位于湖南省湘西自治州龙山县，采用混流式水轮发电机组，装机容量为2×17.5 MW。发电机额定电压为10.5 kV，额定功率因数为0.8。电站以110 kV 一级电压与系统连接，出线回路数1 回，接入至湖南电网宝塔110 kV 变电站。综合考虑电站装机容量不大，110 kV 设备采用变压器-线路组接线方式。

本文对我国主流的高压开关站设备——空气绝缘开关设备（AIS）、气体绝缘金属全封闭开关设备（GIS）和SF6 气体绝缘混合式开关设备（HGIS）进行详细对比分析，并得出HGIS 的特点，通过在落水洞水电站中的实际应用验证这一特点的正确性。

1 HGIS 技术概述

HGIS（Hybrid Gas Insulated Switchgear）是一种新型高压开关设备，是一种介于GIS 和AIS 之间的、具有两者优点的混合型组合高压电器。采用了GIS 的主要设备（但不含母线），将断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、电流互感器等原件分相组合在金属壳体内，由出线套管通过架空软导线连接敞开式PT、避雷器及出线等设备。

2 HGIS 技术特点分析

1）可靠性高。HGIS 采用SF6 密封三工位隔离/接地开关，并且使用新型触指，使隔离开关（DS）与接地开关（ES）结构合二为一，动触头公用，变直动操作为转动，且公用一个操作机构。这种全密封组合隔离开关完全解决了户外高压隔离开关经常出现的4 个问题：瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、锈蚀。DS-ES 合一，整体结构简化，尺寸显著变小，使布置更紧凑。DS 和ES 结合的三工位结构，不存在常规DS 和ES 间各种可能的误操作，因此可省略DS 和ES 的电气操作连锁，运行可靠性因此显著提高。

HGIS 的主要设备密封在SF6 气室内，大大改善了设备运行环境，不受污秽影响。产品重心低，强度高，具有优良的抗震性能。SF6 气体作为绝缘介质，具有优异的绝缘性能和灭弧性能，运行安全可靠，而与AIS 相同的母线、避雷器和PT 故障率较低。

因此总体上来说，HGIS 设备的安全可靠性与GIS设备大抵相同，而大大优于AIS 设备。

2）经济性好。HGIS 设备由于未包含GIS 封闭母线，采用了敞开式避雷器及PT，总体设备价格比GIS设备有大幅度降低，一般来说大约仅为GIS 设备的70%。如果考虑多回架空出线，采用GIS 设备需延长母线，而GIS 封闭母线价格非常昂贵，HGIS 设备则适应于多回架空出线，HGIS 将可节约更多的投资。

由于HGIS 大部分主要设备在SF6 气室内，设备相间及对地绝缘距离大为减少，实现设备的小型化、紧凑化，显著减少占用空间。相比AIS 设备，HGIS 设备减少土地面积50%～70%，而价格仅增加了30%。HGIS 设备施工安装量小，由于设备密封在SF6 气室内，故节约了大量设备支架和基础，加快了施工进度。考虑土建、施工等方面的费用，综合造价相比AIS 设备有时还低。

因此综合比较，HGIS 设备比GIS 设备和AIS 设备具有更高的性价比。

3）可扩展性强。GIS 在扩建设备时需要进行硬连接，扩建时一般必须采用与原有设备同型号的产品。与扩建间隔或设备直接相连的气室需要停电、减压等措施。工序复杂，停电时间长。

而HGIS 设备，无论是扩建间隔还是增加设备，均比较方便。对于扩建采用的设备也无特殊要求，一般不同厂家的设备也能采用。停电时间较短，灵活性较高。

4）智能化程度高。HGIS 的主要控制元件集中于1 台就地控制柜内，包括实时开关性能检测记录仪、具备FTU 功能的自动化装置、间隔线路或变压器微机保护的测控单元功能等。更加易于数字化、智能化升级。

5）检修周期长，维护简单。HGIS 设备属于免维护设备。如果设备某部分故障，制造厂可以对整个原件进行更换，甚至对整相进行更换。HGIS 设备基本达到20年免维护。而常规AIS 设备均需要在2～3 年内进行一次检修。

6）安装调试方便。HGIS 采用在制造厂预制式整体组装调试，模块化整体运输到现场安装，布线灵活，简单。

3 HGIS 技术应用分析

落水洞水电站升高电压侧采用变压器线路组接线，以110 kV 一级电压与系统连接，出线回路数一回，接至湖南电网宝塔110 kV 变电站。电站位于湖南省湘西自治州龙山县的武陵山脉腹地，开关站布置场地比较紧缺且原地貌高差较大，因此通过技术经济比较，在落水洞水电站项目设计过程中，高压配电装置采用了HGIS 设备。

110 kV 配电装置中，GIS 设备、HGIS 设备、AIS 设备的技术经济比较结果见表1。

表1 技术经济比较万元

根据上述技术经济对比，采用HGIS 方案工程造价只是略高于AIS 方案，而远低于GIS 方案，但是它的技术性要比AIS 方案先进，可靠得多。HGIS 可以克服检修、扩建困难等负面影响，并且可以提高设备可靠性，减少维护费用，具有较高性价比。

110 kV 配电装置主要技术参数：

六氟化硫混合式组合电器。型号：ZHW-126；额定电压：126 kV；结构形式：三相共相式；额定频率：50 Hz；额定电流：2 000 A；额定短时耐受电流（有效值）：40 kA；额定短路时间：3 s；额定峰值耐受电流：100 kA。

电站110 kV 出线电气主接线如图1 所示。

图1 落水洞电站110 kV 出线侧电气主接线图

110kVHGIS 设备紧临主变压器，位于厂房左端部，地面高层为428.85m，布置有1 个间隔的HGIS 设备。

采用HGIS 设备后，减少了开关站布置面积，由30 m×27 m 减小为26 m×18.25 m，减少了约40%的面积，节省了大量的土建开挖量和60%的混凝土量，节省了设备基础支架，缩短了建设周期，从而降低了整个开关站的工程投资，达到了预期目的。且在电厂后续的运行维护过程中，将具有运行可靠性高、维护工作量小，维护周期长等优点。电站110 kV 配电装置布置如图2所示。