基于半封闭气体绝缘开关的110 kV 配电装置拉链式布置研究

岳陈熙，王代勇，徐庆锋

(1.国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙 410004；2.广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

高压开关设备主要包括空气绝缘开关设备(Air Insulated Switchgear，AIS)、气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS) 和半封闭气体绝缘开关设备 (Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS)[1]。随着制造技术的发展，GIS、HGIS 已成为智能变电站模块化建设的关键设备，是未来电网发展的方向[2]。

HGIS 是一种新型组合电器，将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器以及相应的控制系统组合在一起，采用套管与架空出线和母线连接，具有多方面的技术优势和适用性。与AIS、GIS、罐式断路器相比，HGIS 特征鲜明，在高电压等级变电站有着广泛的应用[3－4]。

在«国网基建部关于发布输变电工程通用设计、通用设备应用目录(2021 年版) 的通知» (基建技术〔2021〕 2 号) 中，220 kV 及以上电压等级变电站均有采用HGIS 设备的布置方案。110 kV 变电站因规模较小，接线简单，HGIS 较多用在改造站[5]、临时过渡、车载移动变[6]等特殊场合，国家电网有限公司2021 年版110 kV 变电站通用设计中没有采用HGIS 设备的通用布置方案。国网湖南省电力有限公司(简称国网湖南公司) 结合本地实际情况，已在2021 年版通用设计HN－110－C－4方案中将110 kV 配电装置调整为HGIS 设备。

本文研究一种基于HGIS 的110 kV 配电装置优化布置方案，通过调整母线侧套管布置方向，实现出线间隔、主变压器间隔呈拉链式布置。方案比较表明，拉链式布置具有占地小、设备价格合理、全寿命周期费用低、高可靠性、符合使用习惯等优点。

1 110－C－4 方案

1.1 方案简介

110－C－4 方案是国家电网有限公司2021 版通用设计方案中常用的AIS 建设方案。该方案设置户外主变压器两台，容量为2×50 MVA；110 kV、35 kV、10 kV 均采用单母分段接线，规划110 kV架空出线4 回，35 kV 出线6 回，10 kV 出线16 回，35 kV、10 kV 户内开关柜双列布置，并联电容器4 组。

国网湖南公司结合本地实际情况，在2021 版通用设计方案中，将HN－110－C－4 方案的110 kV配电装置调整为HGIS 设备，110 kV 出线均安装避雷器，取消母线避雷器，具备扩展第三台主变压器的条件。

1.2 方案特点

国家电网有限公司110－C－4 方案采用户外敞开式AIS 设备，适用于场地大、投资少的场合，推荐围墙内区域71.5 m×69.6 m，110 kV 区域道路中线至围墙占地51.7 m×34 m。

国网湖南公司HN－110－C－4 方案采用户外HGIS 设备，传动部件密封，可靠性高，具备扩建第三台主变的场地。推荐围墙内区域78.6 m×57.6 m，110 kV 区域道路中线至围墙占地70 m×19 m。

2 方案改进

AIS 受带电距离影响，设备间距较为固定[7－8]；GIS 占地已压缩到极致[9]，进一步压缩会带来更大的场强、更小的绝缘裕度、更高的故障概率，反而降低设备可靠性[10]；HGIS 具有较强的可塑性和组合特性，空间布局具有较大的优化空间。

为便于比对，以国家电网有限公司通用设计110－C－4 方案内容为基准，规模为户外110 kV 主变压器2 台，容量2×50 MVA，4 回110 kV 架空出线，110 kV采用单母线分段接线，主要研究110 kV配电装置布置及改进。

2.1 HGIS 设备改进

HGIS 设备外部结构可以根据实际需要进行调整，这为配电装置优化布置提供了有利条件。为实现出线间隔、主变压器间隔的交错、咬合的拉链式布置，将HGIS 的出线套管由横向布置调整为纵向布置。

图1 为改进后110 kV HGIS 侧视图。从图1 右半部分可以看到，母线侧套管改用纵向布置，可减少各间隔母线侧宽度。

图1 改进后110 kV HGIS 侧视图

图2 为改进后110 kV HGIS 俯视图。从图2看，母线侧套管改用纵向布置，纵向距离与110 kV母线宽度基本保持一致；出线侧套管采用横向布置，与传统出线间隔布置相同。

图2 改进后110 kV HGIS 俯视图

图3 为改进后110 kV HGIS 外观图。从图3 可以看到，母线侧套管改用纵向布置，不影响出线侧套管横向布置，间隔设备相对位置与通用设计完全一致。

图3 改进后110 kV HGIS 外观图

图4 为改进后110 kV HGIS 出线间隔断面图，母线构架对地高5.6 m，出线门架对地高10.15 m，采用支撑管母，相间距离取1 500 mm，大于A2 距离(1 000 mm)，出线套管对地围墙顶大于D 距离(2 900 mm)，符合安全距离要求[7－8]。

图4 改进后110 kV HGIS 出线间隔断面图(单位:mm)

2.2 拉链式布置

通过调整母线侧套管布置，各间隔母线侧宽度由8 m 缩短至3.5 m，出线侧采用两回线共一跨，出线间隔宽度可缩小到7 m。国网湖南公司2021年版通用设计110－C－4 方案采用单回出线一跨，出线间隔宽度7.5 m。

如图5 所示，拉链式HGIS 相间距离2 000 mm，大于A2 距离(1 000 mm)；相对地(构架) 距离1 500 mm，大于A1 距离(900 mm)；两回出线间距3 000 mm，大于D 距离(2 900 mm)。均满足安全距离要求[7－8]，在工程中也有应用案例，文献[11] 给出了核算方法。

改进后的HGIS 单间隔占地呈“凸” 字型布置，如图2 改进后110 kV HGIS 俯视图。在母线侧将主变压器间隔和分段间隔与线路间隔交错布置。为使场地布置紧凑，考虑将110 kV 电压互感器布置在主变压器HGIS 设备内部或者母线端部。通过优化布置，110 kV场地横向宽度减少到34 m，场地纵向长度减少到10.5 m。通过调整HGIS 设备及布局，实现间隔咬合，类似拉链型式。即便是扩建第三台主变压器，也可以通过对称延拓实现。

3 方案比较

以110－C－4 通用设计配置为基准，选取AIS、户外GIS、常规HGIS、拉链式HGIS 进行比较。

3.1 占地比较

占地比较以110 kV 配电装置场地横向、纵向尺寸作为比较对象，AIS 纵、横向距离取自国家电网有限公司2021 年版110－C－4 方案，户外GIS纵、横向距离取自国家电网有限公司2010 年版110－A1－1 方案，常规HGIS 取自国网湖南公司HN－110－C－4方案，比较结果见表1。

表1 几种布置方案占地比较 m

通过比较可以看到，在4 回110 kV 出线的条件下，场地横向距离主要受出线回数的限制，拉链式HGIS 布置的横向距离与户外GIS 布置相当。拉链式HGIS 布置110 kV 场地面积只相当于AIS 场地面积的20.47%，相当于常规HGIS 占地面积的44.16%。对比表明，拉链式HGIS 布置能显著减少横向、纵向距离，布局紧凑，节省占地效果明显。

3.2 费用比较

随着HGIS 设备日臻成熟，设备价格也趋于稳定。制造商调研数据显示，110 kV HGIS 设备价格约为同类GIS 设备价格的90%。AIS 设备价格虽然只有GIS 设备的50～60%，但不符合变电站模块化建设的发展方向。

对一项工程而言，设备费用只是全寿命周期费用的一部分，更应该考虑设备全寿命周期总费用。考虑到日常维护工作量及稳定性，有研究表明，HGIS 设备全寿命周期费用最低[12]。

3.3 其他比较

AIS 以节省初期投资成本为特征，GIS 以最小的空间需求为特征，HGIS 则以可靠性极高的单线布置为特征。

从安全角度看。AIS 占地面积大且设备外露部件多，套管和绝缘支柱数量多，易受气候环境条件影响，不利于安全可靠运行。GIS 因母线采用大量盆式绝缘子，易引发绝缘薄弱事故[13]，故障定位难度大[14－15]，故障检修时间长。因其结构原因，GIS 产生的特快速瞬态过电压 (VFTO) 也高于HGIS[16]。HGIS 综合了GIS 与AIS 的优点，安全性好，可靠性高。

从安装方便性看。AIS 采用独立元件安装，带电部位多，安全风险大，施工周期长，质量风险点多，不利于模块化施工。GIS 集成度高，对安装工艺、环境等要求高，间隔扩建时，一般采用“单一来源” 采购原厂设备，需要母线全停来完成整体耐压试验，母线停电时间长。HGIS 各间隔模块独立，可采用不同厂家设备，安装工艺简单，模块化施工方便，只需完成单间隔耐压试验，母线停电时间短。

从运维便利性看。AIS 设备布置零散，巡视点多，运维便利性差。GIS 设备高度集中，运维便利性好。HGIS 设备虽然母线外露，但各间隔独立性、直观性、区分度优于GIS，降低了运维难度。

从故障概率看。AIS 外露部件多，布置零散，易受气候环境条件影响，故障概率高，虽然故障元件易于更换，但随着GIS、HGIS 可靠性提高，这一优势已不明显。GIS 母线全封闭，母线采用大量盆式绝缘子，易引发绝缘薄弱事故。HGIS 设备虽然母线外露，但母线故障概率低，且HGIS 各间隔隔离性能优于GIS，HGIS 故障概率更低，且故障定位较GIS 更容易。

从应用场景看。AIS 占地面积大，外露部件多，适用于户外布置。GIS 在户内、户外均有应用，将GIS 应用于户内时，可将其布置紧凑、占地小的优势发挥到极致。HGIS 在户内、户外、非标间隔、移动变电站均有应用，适用性非常广泛。

从电压等级适用性看。AIS、GIS、HGIS 均适用于各类电压等级，均有各类产品应用案例，由用户根据需要进行选择。

综合上述分析，比较结果见表2。结果表明，采用户外布置时，HGIS 具有占地面积小、全寿命周期费用低、安全性高、安装方便、运维便利、故障概率低、适用性好等特征。拉链式HGIS 较常规HGIS、户外GIS 占地面积更小，布局清晰，具有很好的应用前景。

表2 几种布置方案综合比较

4 结论

本文介绍了HGIS 设备的特点及应用。通过研究国家电网有限公司110－C－4 通用设计方案，提出一种基于改进HGIS 设备的拉链式布置。改进的HGIS 设备母线侧套管方向由常规的横向布置改为纵向布置，单间隔占地呈“凸” 字型布置，各间隔在母线下互相咬合，实现双列交叉，类似拉链型式。综合比较表明，HGIS 具有高度可靠、全寿命周期费用低、安装运维方便、占地小、适用性好等特征。户外布置时，拉链式HGIS 布置较常规HGIS、户外GIS 占地更小，布置清晰，易于实现，具有很好的应用前景和推广价值。