GIS变电站电缆仓户外布置优化设计

毛毳闽，付 磊，宋 昭，马 吉，李声威,2

(1.湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉430000；2.武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉430000)

气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear，GIS）采用SF6气体作为绝缘介质，将断路器、母线、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、套管等高压电器密封在接地金属筒中，具有可靠性高、维护工作量少、检修周期长的特点。20世纪60年代中期美国制造了第一套GIS设备，高压电器由此发生了质的飞跃，世界各地电力部门开始注重GIS设备的研究[1]。此后几十年，GIS设备迅速发展，欧洲、美洲、中东的电力公司都规定配电装置要用GIS设备，在亚洲、非洲、澳洲的发达国家也大规模使用GIS设备。我国GIS的发展始于20世纪60年代末，为提高GIS设备的生产制造水平，我国积极引进了国外先进的技术，经过不断的学习与吸收，20世纪80年代中期GIS设备全部实现了国产化[2]。

目前我国电网工程的建设持续发展，投资重点已逐步转向电网智能化以及配电网建设。在配电网中高压配电装置是关键组成部分，由于GIS配电装置相比于敞开式开关设备（air insulated switchgear，AIS）具有占地面积小、维护周期长、可靠性高、环境适应性强等特点，已经被广泛应用于智能变电站中。据报告预测2021年我国GIS设备的数量将达到28000个，GIS配电装置越来越受到电网企业的青睐[3]。随着GIS设备在城郊区域大量应用，对其与周边环境规划匹配性和建设成本提出了更高的要求，因此本文设计了一种户内GIS单层布置改进方案，将主变、10 kV室及GIS室三列布置，并将出线TV、避雷器、电缆仓布置于GIS室外以降低建筑物高度和节约成本，该方法既可以保证GIS的可靠性和稳定性，又能大大降低建设成本，在城郊区域具有广泛的实际推广价值。

1 城郊变电站GIS发展趋势

由于社会经济水平的提高以及城市化进程的快速发展，城市周边的郊区大部分被规划为开发区或新城区。在这些地区建设变电站不仅要满足运行安全可靠，还要满足城市规划发展和环境评估等要求。另外，由于城郊区征地价格连年攀升导致变电站占地面积减小，变电站的出线条件往往受城市规划影响导致通道走廊狭窄。常规GIS设备的布置方案一般分为户内型和户外型，户内型GIS方案将绝缘组合电器等相关设备安装在室内，而户外型GIS方案则将开关设备安装在户外，为了提高设备的安全性而增加相关的防雨和防尘措施。两种类型的GIS变电站由于建筑物的作用具有不同的特点，二者的主要区别如下：户内GIS变电站相对于户外GIS变电站土建费用高、建设周期长、检修次数少、占地面积小、抗腐蚀性强。为了适应城市规划的要求和配合城市的长期规划，户内型GIS变电站设备布置于室内，没有明显的工业设施特征而更有利于变电站融入城市环境，且受环境因素影响小，能够更加稳定可靠地运行。建设成本是户内型GIS变电站需要考虑的重要因素，由于比户外型GIS变电站需要更多的建筑施工，由此带来的建设成本约占总成本的35.3%[4]。随着变电站装配化水平和机械化施工水平的不断提升，户内型GIS方案的土建费用越来越低，与户外型GIS方案的施工工期差距也在逐渐减小，因此城郊变电站越来越倾向于采用受环境因素影响小的户内型GIS方案。在出线配置方面，由于出线受阻和通道走廊狭窄，采用架空出线对城市规划与市政景观产生较大影响，因此多采用全电缆出线。实际工程应用中，因为户内型GIS变电站占地面积小、设备布置灵活、受环境因素影响小等特点，目前城郊变电站布置方案的趋势为采用户内型GIS配电装置与全电缆出线。

2 常规户内型GIS布置方案

变电站的GIS布置方案一般分为双层布置和单层布置，以220 kV的城郊变电站为例，双层布置方案通常将无功功率补偿室与10 kV室布置于第一层，GIS设备布置于第二层，通过第一层的电缆夹间向下引线至电缆夹层出线，主变压器中压侧采用电缆进线，高压侧通过架空线连接，其布置方案如图1所示。

图1 双层户内变电站变压器进线布置断面

单层布置将GIS室、10 kV室和主变压器室按顺序三列布置于第一层，10 kV室左侧和GIS室靠近变压器一侧区域设置电缆夹层，主变压器高压、中压侧采用电缆进线，其布置方案如图2所示。

图2 单层户内变电站变压器进线布置断面

两种布置方案有着各自的优缺点，其中双层布置方案的主要优点是建筑物占地面积小，主变压器高压侧可以采用架空线连接，但其也存在如下不足之处：需要设置楼梯、电缆夹间等辅助设施，不仅使得建筑面积增加，且不便于布置设备和电缆；需要设置消防登高面和室内专用消防通道以满足消防要求，进一步增加了建筑面积和占地面积；GIS设备布置于第二层，由于开关设备的重量较大，需要对第二层的承重进行加固，增加了建筑成本。

对于单层布置方案，其主要优点在于省去了楼梯、电缆夹间、消防登高面等辅助设施，不仅缩短了设备连接之间的电缆长度，还因GIS设备布置于一层而降低了建筑物的结构成本。单层布置方案主要不足之处如下：单层布置方案的占地面积比双层布置方案更大；单层布置方案的电缆通道规划比双层布置方案更复杂；单层布置方案的防火隔离措施比双层布置方案更复杂。

对于户内GIS设备的布置方式，还需要考虑耐压试验的带电距离。工程中一般通过两种方法进行耐压试验：一种方法是增加GIS室层高从而在户内试验；另一种方法为通过气体绝缘输电线（gas insulated transmission line，GIL）分支母线引出户外试验。由于第二种方法使用的GIL分支母线必须由GIS厂家提供，带有GIL分支母线的GIS设备价格高于常规GIS设备，其导致整个变电站成本增加。GIL只在耐压试验时使用，由于利用率较低而通常被设计单位放弃，因此户内GIS室的耐压试验一般采用第一种方法实现。然而，增加GIS室层高进行户内耐压试验也存在如下不足之处：对于双层布置方案，该方案将使建筑物整体高度超过15 m，需要设置消防登高面从而导致占地面积随之增加；对于单层布置方案，8.5 m高的GIS室和5 m高的10 kV室不匹配，影响建筑物整体一致性；无论是单层配置还是双层配置，增加层高都增加了建筑物体积和土建工程量。

3 户内型GIS变电站优化设计

结合上述户内型GIS单层和双层布置方案的各种优缺点，本文从耐压试验和电缆仓布置两方面综合考虑，设计了一种适用于城郊区域变电站的单层户内型GIS电缆舱户外布置方案。

3.1 优化方案

在单层户内型GIS变电站中，为了进行耐压试验而需要增加建筑层高。图3为220 kV变电站单层布置时结构示意图，从图中可知耐压套管的安全距离为1.8 m，在进行母线电缆仓耐压试验时，加上套管自身高度则要求最大室内净空高度为8.5 m。增加GIS设备室高度不仅增加了建设成本，还导致单层并列的10 kV室与GIS室高度不协调，影响整体的城市规划。

图3 户内型单层GIS设备户内耐压试验布置图

为了降低GIS室的层高以节省建设成本和保持建筑的协调性，本文将电压互感器罐体、避雷器、电缆舱、出线空气套管、出线电缆头等固定设备布置于室外，将GIS母线部分、断路器机构箱、开关机构箱、连杆、智能组件柜、表计、压力释放阀等需要重点防护的设备置于室内，详细布置如图4所示。此方案中电缆仓在GIS室围墙以外，GIS耐压试验可在户外进行，通过GIL分支母线穿墙对单独间隔进行耐压试验从而完成与户内耐压试验相同的测试。出线TV、避雷器连同电缆仓一并户外布置便于拆卸和试验，而GIS室建筑物高度仅需满足GIS设备吊运要求，不需要增加GIL管道等额外试验设置。从图4中可知，由于GIS室内设备布置无需考虑耐压试验的安全距离，因此GIS室高度依旧为5.5 m，此高度与10 kV室高度一致。相对于单层室内耐压试验方案，此方案既能够减小建筑物的建设成本和缩短建设周期，还能够确保建筑物整体一致性。由于电缆舱布置于户外，室内不需要设置电缆夹间和电缆夹层，减少了辅助设施和地下相关设施的建设，尤其是减少了土方开挖量。另外，户外布置的高压电缆采用电缆隧道或电缆沟铺设时，不仅便于电缆规划和机械化施工，还避免了与室内其他设施交叉干涉，简化了站外电缆设施接口。由于高压电缆布置于户外，电缆故障时不影响户内部分，减小了事故范围，提高了高压电缆运行安全性。

图4 户外型单层GIS设备户外耐压试验布置图

上述方案中TV、避雷器、电缆仓布置于户外，设备元件受到气候环境的影响出现故障的概率增加，因此整体的运行维护成本随之增加。另外，由于电缆仓与GIS室墙壁之间需要进行开孔和封堵处理，特别是GIS室装配式建筑金属面板开口和接缝处较易生锈，上述户外电缆仓布置在高寒、高温、高湿、大风沙等环境时需要对建筑物采取更复杂的维护措施。由于TV、避雷器设备直接布置在户外，突兀的外形与周围的居民区、厂房不相协调，对整体的市政规划造成一定影响，在环境美观要求较高的中心区域则需采用实体围墙和围栏等进行遮挡。

3.2 经济性分析

上述改进方案与单层户内GIS布置方案相比，在建筑成本、电缆成本等方面具有较大经济优势，以220 kV变电站为例进行具体分析。

3.2.1 建筑成本分析

由于GIS电缆仓布置不占用户内空间，此时220 kV变电站GIS室纵向尺寸由12 m减小至10 m，则建筑面积节约率为16.7%和空间节约率为46.1%。

根据上述优化方案，一座3×180 MVA规模的220 kV变电站大约减少装配式建筑面积120 m2，减小建筑物体积360 m3，按照单位成本0.165万元，节约投资额度约为60万元/m3。

3.2.2 辅助设施成本分析

容量为3×180 MVA的220 kV变电站，常规布置时电缆夹层面积约500 m2，土方量约1500 m3，总建设成本约为150万元。当按照本方案进行电缆仓外置时，高压电缆经过电缆隧道出现而无需布置电缆夹层，此时开挖电缆隧道和铺设辅助设施成本约为70万元，则优化方案节约辅助设施投资额度约为80万元。

3.2.3 高压电缆成本分析

220 kV变电站终期220 kV出线6回，110 kV电压出线12回，上述改进方案与双层户内变电站布置方案相比，每回出线节约高压电缆15 m，若电缆价格为0.075万元/m，则节约电缆设备投资额度约为20万元。

综上所述，如果采用上述电缆仓外置方案进行布置，一座3×180 MVA规模的220 kV变电站整体投资节约资金为160万元。

3.3 可靠性分析

GIS装置具备维修周期长、检修次数少、故障率低等优点，但若有故障发生则会造成大面积停电，若大型变电站发生GIS故障，将会带来巨大的社会影响和经济损失，因此确保GIS设备可靠运行是设计过程中需要优先考虑的问题。根据国家电网的统计数据，GIS设备元件中断路器、隔离开关设备和母线部分故障率最高，三者故障分别占整体故障的35.4%、22.4%和15.9%；避雷器、电压互感器的故障较低，分别占整体故障的0.9%和3.7%；其他故障占整体故障的21.7%[5]。在上述优化方案中，母线部分、开关设备和表计等设备布置于室内，工作环境和运行条件能得到保证，为GIS设备整体稳定运行提供了基本保障。优化方案中出线空气套管、出线电缆头、电压互感器罐体、避雷器、电缆舱等设备布置于户外，虽然户外设备稳定性受到环境因素的影响，但布置于户外的出线空气套管在国内外均有大量实施案例，其可靠性能得到保证；另外，GIS设备厂家罐体大部分采用全铝合金制造，本身已经具有很好的防腐能力，在气候环境不太恶劣的地区仍能可靠运行。

从上述分析可知，本文所提出的改进方案能够确保GIS系统稳定运行，对于诸如空气污染严重、降雨充沛、多酸雨的恶劣运行环境，则需要采取增加顶棚、遮雨棚以及加装防雨罩等措施来保护户外设备免受环境影响。因此，除了在气候环境非常恶劣的地区，本文提出的优化方案能够保障GIS设备安全和稳定运行。

4 结束语

在确保GIS设备安全稳定运行的基础上，本文提出的方案适合应用于城市郊区、对变电站规划用地有一定限制、采用全电缆出线、且气候环境条件不太恶劣的变电站。结合城郊区域规划和土地政策，本文所设计的电缆仓外置方案不仅满足城郊区域对城市整体外观的要求，又能够减小变电站的建筑工程量而降低整体建设成本，具备大规模推广应用的前景。