500kV變電站35kV配電裝置優(yōu)化設(shè)計研究

劉洪正

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

目前500 kV變電站中高壓側(cè)及中壓側(cè)設(shè)備多已采用GIS、HGIS等技術(shù)先進(jìn)、運行可靠、占地面積小的新型設(shè)備，但低壓側(cè)仍為敞開式設(shè)備。設(shè)備種類多、數(shù)量大，施工周期長，且占地面積大（低壓側(cè)設(shè)備占地面積在全站占地面積中的比例高達(dá)20%～30%），給運行維護(hù)帶來很大不便。因此，總結(jié)以往500 kV變電站的設(shè)計和運行經(jīng)驗，優(yōu)化35 kV配電裝置設(shè)計，對500 kV變電所的整體設(shè)計有著十分重要的意義。

1 35 kV配電裝置現(xiàn)狀

目前500 kV變電站低壓側(cè)主要為容性、感性無功負(fù)荷，其短路電流水平和單組無功容量是選用斷路器的主要影響因素。根據(jù)多年設(shè)計運行經(jīng)驗，山東省內(nèi)500 kV變電站35 kV側(cè)短路電流水平一般接近40 kA，單相并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器容量一般均為20 Mvar，受設(shè)備技術(shù)條件的限制，目前斷路器一般選用敞開式72.5 kV瓷柱斷路器降壓運行，35 kV無功設(shè)備多選用干式空心并聯(lián)電抗器和框架式并聯(lián)電容器組。以岱宗500 kV變電站為例，遠(yuǎn)景4臺主變壓器，每臺主變壓器低壓側(cè)配置2組60 Mvar電容器、1組60 Mvar電抗器，其35 kV區(qū)橫向尺寸179 m，縱向尺寸 35 m，占地 0.63 hm2。 布置見圖 1［1］。

圖1 常規(guī)35 kV配電裝置布置圖

以上方案占地面積大，維護(hù)檢修復(fù)雜。 針對上述情況，提出采用35 kV HGIS設(shè)備代替敞開式開關(guān)設(shè)備、采用磁屏蔽并聯(lián)電抗器代替干式空心并聯(lián)電抗器、采用緊湊型框架式并聯(lián)電容器組代替常規(guī)框架式并聯(lián)電容器組的一系列優(yōu)化措施，在不降低運行可靠性的同時，大幅減小占地面積。

2 35 kV開關(guān)設(shè)備選型優(yōu)化

2.1 35 kV HGIS設(shè)備生產(chǎn)水平

結(jié)合近年來山東省內(nèi)短路電流水平，為優(yōu)化35 kV配電裝置布置，針對設(shè)備額定電流、額定開斷電流、切容性（感性）電流能力、次數(shù)等主要技術(shù)參數(shù)，對合資電氣設(shè)備廠A、山東某電氣設(shè)備廠、陜西某電氣設(shè)備廠、合資電氣設(shè)備廠B等廠家的HGIS產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研，基本情況見表 1。

表1 HGIS設(shè)備調(diào)研匯總表

圖2 敞開式設(shè)備斷面圖

圖3 HGIS設(shè)備斷面圖

2.2 優(yōu)勢分析

根據(jù)以上調(diào)研結(jié)果，以岱宗500 kV變電站為例，主要對采用敞開式設(shè)備和HGIS設(shè)備兩種布置型式的占地面積及設(shè)備投資兩方面做對比分析。

2.2.1 占地面積分析

岱宗500 kV變電站500 kV出線6回，220 kV出線14回，橫向尺寸主要由500 kV和220 kV配電裝置確定，約為179 m，采用HGIS設(shè)備后，35 kV配電裝置縱向尺寸可由原來的35 m減小到29 m，節(jié)省占地面積 1 074 m2，合計 0.12 hm2，詳見圖 2、圖 3［1］。

2.2.2 投資分析

采用HGIS后，與敞開式設(shè)備相比，設(shè)備投資有所增加，將各廠家現(xiàn)有的滿足要求的斷路器間隔進(jìn)行比較，詳見表2。

表2 投資對比表

由表2可以看出，采用敞開式設(shè)備，單母線接線每個間隔投資約為37.1萬元，采用HGIS后，投資增加最少的為山東某電氣設(shè)備廠提供的72.5 kV HGIS每個間隔增加14.9萬元，投資增加最多的為合資電氣設(shè)備廠A提供的72.5 kV HGIS，每個間隔增加62.9萬元。

2.3 小結(jié)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果可以看出，目前大部分廠家無35kV HGIS產(chǎn)品或不能滿足短路電流水平的要求，因此一般選用72.5 kV或126 kV產(chǎn)品降壓運行。目前合資電氣設(shè)備廠A、陜西某電氣設(shè)備廠、山東某電氣設(shè)備廠可提供滿足短路電流、切容性、感性電流要求的72.5 kV HGIS產(chǎn)品，合資電氣設(shè)備廠B能提供滿足短路電流、額定電流要求的145 kV產(chǎn)品。

但以上廠家容性電流投切試驗次數(shù)均按IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行（48次），鑒于本站HGIS設(shè)備擬用于并聯(lián)電容器組及電抗器組間隔，每一次投切的電流均為容性或感性電流，因此本站要求容性（感性）電流投切次數(shù)5 000次。進(jìn)一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在500 kV變電站普遍應(yīng)用的72.5 kV瓷柱式斷路器，其容性電流投切試驗次數(shù)也均按IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行（48次），但大都運行穩(wěn)定性良好。

采用HGIS后，與敞開式設(shè)備相比，可節(jié)省占地0.12 hm2，根據(jù)廠家的不同每個間隔增加設(shè)備投資約14.9～62.9萬。

綜合考慮以上因素，推薦35 kV配電裝置采用HGIS設(shè)備。

3 35 kV配電裝置接線形式優(yōu)化

3.1 35 kV配電裝置接線形式

500 kV變電所中35 kV主要裝設(shè)并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器和站用變壓器，目前35 kV配電裝置主要有以下3種接線方式：方式一，主變壓器35 kV側(cè)裝總斷路器，無功補(bǔ)償裝置分支回路裝設(shè)負(fù)荷開關(guān)。方式二，主變壓器35 kV側(cè)裝設(shè)總斷路器，無功補(bǔ)償裝置分支回路裝設(shè)斷路器。方式三，主變壓器35 kV側(cè)不裝設(shè)總斷路器，無功補(bǔ)償裝置回路裝設(shè)斷路器［2］。

經(jīng)調(diào)研，目前一次設(shè)備廠家均無采用負(fù)荷開關(guān)的HGIS產(chǎn)品，因此方式一不適用于本站HGIS設(shè)備。方式二與方式三的主要區(qū)別在于是否裝設(shè)總斷路器。

3.2 主變壓器35 kV側(cè)取消總斷路器可行性分析

3.2.1 總斷路器主要作用及要求

主變壓器35 kV側(cè)總斷路器的作用主要是開斷母線短路電流，縮小故障停電范圍，并可作為分支斷路器拒動的后備。因此要求總斷路器能開斷較大的短路電流（約40 kA）及容性電流（2 kA），且回路的故有頻率極高，總斷路器應(yīng)能承受極高的恢復(fù)電壓上升速率，滿足上述條件的斷路器造價相當(dāng)昂貴。

3.2.2 取消總斷路器可行性分析

短路故障方面。主變壓器35 kV側(cè)為不接地系統(tǒng)，即便發(fā)生單相接地也不會使斷路器立即跳閘；35 kV側(cè)選用SF6氣體絕緣的HGIS設(shè)備，投切無功裝置的可靠性高；并聯(lián)電抗器采用單相式分相布置，母線的相間距離采用1.5 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)程要求的35 kV電壓等級的相間距離，發(fā)生短路故障的機(jī)率大大降低。

保護(hù)方面。 圖4、圖5中，K1點短路時，主變壓器差動保護(hù)瞬時動作，跳主變壓器三側(cè)斷路器；K2點短路時，主變壓器差動保護(hù)不動作，過流保護(hù)延時跳主變壓器35 kV側(cè)總斷路器；K3點短路時，主變壓器差動保護(hù)不動作，過流保護(hù)延時跳主變壓器高、中壓側(cè)斷路器?？梢奒3點短路與K1點短路情況類似，K3短路的跳閘時間比K1點滯后。圖5中節(jié)省一組隔離開關(guān)、一臺斷路器、一組電流互感器，接線更簡潔，短路故障幾率更低。

圖4 設(shè)總回路斷路器示意圖

圖5 不設(shè)總回路斷路器示意圖

運行情況調(diào)研。為進(jìn)一步了解總斷路器的運行情況，對500 kV濰坊變電站、500 kV濟(jì)南變電站和500 kV淄博變電站的運行情況進(jìn)行調(diào)研，以上3座500 kV變電站均設(shè)置了總斷路器，且運行時間已超過10年。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以上3個500 kV變電站中35 kV分支斷路器拒動和35kV母線故障，引起35kV總斷路器動作的次數(shù)為零。因此裝設(shè)總斷路器，在減小短路及分支斷路器拒動時停電范圍方面的作用幾乎沒有發(fā)揮條件。

從檢修角度考慮，假設(shè)裝設(shè)總斷路器及總隔離開關(guān)，主變壓器檢修時35 kV側(cè)有明顯的斷開點。假設(shè)不裝設(shè)總斷路器，可將各分支回路的斷路器都斷開，35 kV側(cè)同樣有明顯斷開點。

3.2.3 投資分析

如增加總斷路器回路，每回路需增加投資52～100萬元，岱宗變電站按4臺主變壓器考慮，需增加投資204～400萬元。設(shè)置總斷路器后，HGIS分支回路無法采用負(fù)荷開關(guān)，仍需采用斷路器，因此分支回路設(shè)備投資并不降低。

3.3 小結(jié)

綜合考慮可行性、運行檢修、設(shè)備投資等因素，岱宗站推薦采用接線方式三，即主變壓器35 kV側(cè)不裝設(shè)總斷路器，無功補(bǔ)償裝置回路裝設(shè)分支回路斷路器。

4 35 kV并聯(lián)電抗器選型優(yōu)化

本站并聯(lián)電抗器設(shè)備考慮三種方案：干式空心并聯(lián)電抗器、油浸式并聯(lián)電抗器、磁屏蔽并聯(lián)電抗器。

4.1 干式空心并聯(lián)電抗器

干式空心電抗器多采用多層并聯(lián)繞組結(jié)構(gòu)，每個繞組由小截面絕緣鋁導(dǎo)線并聯(lián)繞制而成，電抗器整體由環(huán)氧玻璃纖維包封，經(jīng)高溫固化，每層繞組的引線引出端都焊接在上下鋁合金支架上。產(chǎn)品外表面涂抗老化、抗紫外線的絕緣漆。

干式空心電抗器本身由于暴露在外界環(huán)境中，任何外界環(huán)境的變化都會造成對它的影響，因此需要經(jīng)常觀察是否有絕緣劣化現(xiàn)象，必須定期清掃和涂RTV涂料以延長它的使用壽命。干式空心電抗器要保證對地的絕緣距離，再加上多層線圈的累加重心不斷提高，僅靠細(xì)長的支柱絕緣子支撐，抗地震能力較弱。常規(guī)干式空心電抗器存在漏磁問題，占地面積較大，且隨著運行時間的增加，震動及噪音現(xiàn)象會越來越明顯。

干式空心電抗器外形及布置見圖6。

圖6 干式空心并聯(lián)電抗器

4.2 油浸式并聯(lián)電抗器

油浸電抗器主要由鐵心、繞組及其絕緣、油箱、套管、冷卻裝置和保護(hù)裝置等組成。單相電抗器鐵心結(jié)構(gòu)為單心柱兩旁柱結(jié)構(gòu)，三相電抗器鐵心結(jié)構(gòu)為品字形心柱、卷鐵扼結(jié)構(gòu)。油浸電抗器具有以下特點。

1）電磁污染小，鐵心電抗器以硅鋼片為導(dǎo)磁介質(zhì)，磁通大部分在鐵心中流通，對周圍環(huán)境無電磁污染。

2）鐵心渦流損耗小，鐵心無局部過熱現(xiàn)象。

3）噪音低，鐵心柱經(jīng)整體真空澆注成型，成為一個堅固的剛體，運行時振動很小，產(chǎn)品噪音低。

4）體積小，重量輕，外形美觀。同空心并聯(lián)電抗器相比，體積、重量要小很多。

5）可在戶外使用，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。所有帶電部分均密封在金屬的容器中，不受污染、鹽害、灰塵、積雪、潮濕、紫外線照射、高溫等外部環(huán)境的影響，可以保證設(shè)備長期運行的穩(wěn)定性。

6）預(yù)埋基礎(chǔ)采用螺栓固定，產(chǎn)品自身重心低，強(qiáng)度又高，因此具有良好的抗震性。

7）可以實現(xiàn)免維護(hù)或少維護(hù)。全密封油枕防止老化，并可通過對絕緣油的定期檢測進(jìn)行監(jiān)測，及時地掌握和處理老化前兆現(xiàn)象，同時判斷出設(shè)備的剩余壽命時間，預(yù)防事故發(fā)生，從而使電力供給的安全性有切實的保障。根據(jù)用戶的需求，可以安裝在線監(jiān)測裝置，確保設(shè)備運行完全處于安全可控的狀態(tài)中。

油浸式并聯(lián)電抗器外形及布置圖見圖7。

圖7 油浸式并聯(lián)電抗器

4.3 磁屏蔽干式空心電抗器

磁屏蔽干式空心電抗器是在空心電抗器的線圈基礎(chǔ)上加裝了內(nèi)、外導(dǎo)磁屏蔽罩。與普通干式空心電抗器相比，磁屏蔽空心電抗器在性能方面有較大優(yōu)勢。

1）磁屏蔽電抗器心部截面積更小，線圈的匝數(shù)更少，整個電抗器體積大幅度縮小，同時電抗器的電阻也變小，從而使電抗器的主要損耗——線圈損耗得到大幅度降低。

2）磁屏蔽電抗器磁力線由于收斂在內(nèi)、外導(dǎo)磁屏蔽筒里，導(dǎo)線的渦流損耗也會相應(yīng)大幅度減少。

3）磁屏蔽電抗器能大大減少外圍空氣中的漏磁，安裝時只考慮電氣距離足夠即可，不像空心電抗器那樣要保證相當(dāng)大的電磁安全距離，從而進(jìn)一步減小安裝場地。由于內(nèi)、外導(dǎo)磁屏蔽筒的鐵心被緊緊地包裹在固化物中，避免了鐵心的振動和受潮，且其整體性好，結(jié)構(gòu)簡單而牢固，無松動噪音問題，戶內(nèi)、戶外均可使用。

4）磁屏蔽電抗器由于鐵心中無氣隙，并且被環(huán)氧樹脂澆注成堅固、密實的整體，經(jīng)過固化后結(jié)構(gòu)簡單而牢固，運行時噪音很低。同時，兩個鐵心筒對磁通的“分流”作用，電抗器導(dǎo)線處的磁密相對減小，加之導(dǎo)線長度相對較短（因匝數(shù)相對較少），因此，在相同短路電流下，其單根導(dǎo)線受到的電動力相對就小，忽略力的方向改變，其合力相應(yīng)就小，抗短路電動力沖擊的能力自然就提高了。

5）磁屏蔽干式空心電抗器大大減少了電抗器運行過程產(chǎn)生的磁泄漏對周邊環(huán)境造成的磁污染，減少了對現(xiàn)代電子儀表、設(shè)施的損害，也避免了因磁污染而造成的社會影響。

6）磁屏蔽干式空心電抗器取消了傳統(tǒng)空心電抗器的玻璃鋼支柱，設(shè)備重心低，抗震性能好。

總之，磁屏蔽電抗器具有體積小、損耗低、占地面積小、大幅減小磁泄漏污染、抗震性能高等優(yōu)點，是既能減少用戶的設(shè)備投入，又能達(dá)到節(jié)能減排要求的一種創(chuàng)新型產(chǎn)品。磁屏蔽電抗器外形及布置見圖8。

圖8 磁屏蔽并聯(lián)電抗器

4.4 小結(jié)

干式空心并聯(lián)電抗器為目前500 kV變電站應(yīng)用最多的電抗器，運行經(jīng)驗豐富，設(shè)備價格較低，約110萬元，但電磁安全距離大，占地面積大，抗震性能低。必須定期清掃和涂RTV涂料以延長它的使用壽命。

油浸電抗器溫升小，運行穩(wěn)定性高、抗干擾性能好，宜維護(hù)，占地面積較空心電抗器小，但橫向尺寸依然較大，運行經(jīng)驗較少，價格相對較高，約220萬元，且含油量大，火災(zāi)危險性高，需設(shè)置儲油池。

磁屏蔽干式空心電抗器是在空心電抗器的線圈基礎(chǔ)上加裝了內(nèi)、外導(dǎo)磁屏蔽罩，屬于2011年國家電網(wǎng)公司基建新技術(shù)研究應(yīng)用項目，目前已研制出相應(yīng)產(chǎn)品。磁屏蔽電抗器具有體積小、損耗低、占地面積小、大幅減小磁泄漏污染、抗震性能高等優(yōu)點。價格約200萬元，略高于空心電抗器，但低于油浸電抗器。

綜合比較以上3種電抗器的性能、設(shè)備價格、占地面積等因素，推薦采用磁屏蔽并聯(lián)電抗器方案。

5 35 kV并聯(lián)電容器組選型優(yōu)化

本站并聯(lián)電容器組設(shè)備考慮三種方案：常規(guī)框架式并聯(lián)電容器、大電容器件箱式電容器、緊湊型框架式并聯(lián)電容器。

5.1 常規(guī)框架式并聯(lián)電容器

常規(guī)框架式并聯(lián)電容器組，采用單臺小容量電容器在框架上串并聯(lián)組成，采用三相水平布置，四周設(shè)置圍欄。串聯(lián)電抗器、避雷器、接地開關(guān)等位于圍欄外部。其電容器壽命受溫升影響較大，但框架式電容器更換方便，可以接受一定的故障率。常規(guī)框架式并聯(lián)電抗器外形及布置見圖9。

圖9 框架式并聯(lián)電容器

5.2 緊湊型框架式并聯(lián)電容器

緊湊型框架式并聯(lián)電容器是在常規(guī)框架式并聯(lián)電容器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用三相疊裝的布置方式，電容器組、電抗器三相疊裝，單相分層雙排側(cè)臥排列，設(shè)有兩個塔架。每個塔架為雙排分布。塔架底座（對地）設(shè)防污型支柱絕緣子，每兩層間設(shè)防污型支柱絕緣子。塔架采用抗震設(shè)計。四周設(shè)圍欄，電容器、串聯(lián)電抗器、放電線圈均布置于圍欄內(nèi)。緊湊型框架式并聯(lián)電容器外形見圖10。

圖10 緊湊型框架式并聯(lián)電容器

5.3 大電容器件箱式電容器

大電容器件箱式電容器采用獨立的大電容器件，內(nèi)部元件采用冷壓接工藝制成，不存在串并聯(lián)關(guān)系，設(shè)計場強(qiáng)低于框架式電容器，低場強(qiáng)帶來的好處是電容器抗過電壓、過電流的能力大大增強(qiáng)。但目前，國內(nèi)生產(chǎn)的集合式電容器存在一定的故障率，若出現(xiàn)較大故障導(dǎo)致整臺設(shè)備停運，需返廠維修，導(dǎo)致維修期間無功補(bǔ)償缺失。大電容器件箱式電容器外形及布置見圖11。

5.4 小結(jié)

常規(guī)框架式并聯(lián)電容器為目前500 kV變電站應(yīng)用最多的電容器裝置，運行經(jīng)驗豐富，設(shè)備價格較低，約230萬元，但占地面積大、維護(hù)費用較高。

圖11 大電容器件箱式電容器

緊湊型框架式并聯(lián)電容器采用三相疊裝的布置方式，屬于2011年國家電網(wǎng)公司基建新技術(shù)研究應(yīng)用項目，目前已研制出相應(yīng)產(chǎn)品。橫向尺寸大幅減小，有效解決了常規(guī)框架式電容器占地面積大的缺點，且縱向尺寸與磁屏蔽電抗器匹配良好。價格與常規(guī)框架式電容器相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于大電容器器件箱式電容器。

大電容器件箱式電容器占地面積小、維護(hù)費用低、溫升小，但設(shè)備價格高，約370萬元，含油量大，火災(zāi)危險性高，需設(shè)置儲油池。

綜合比較以上3種電容器的性能、設(shè)備價格、占地面積等因素，推薦采用緊湊型框架式并聯(lián)電容器方案。

6 結(jié)語

圖12 優(yōu)化后35 kV配電裝置平面布置圖

35 kV配電裝置推薦HGIS設(shè)備，35 kV并聯(lián)電容器推薦采用戶外緊湊型框架式設(shè)備。35kV并聯(lián)電抗器推薦采用磁屏蔽設(shè)備。無功補(bǔ)償裝置排列與主變壓器呈平行布置。

主變壓器場地縱向尺寸主要由無功補(bǔ)償裝置縱向尺寸決定，橫向尺寸主要由無功補(bǔ)償裝置橫向?qū)挾燃伴g隔通道決定。磁屏蔽電抗器和緊湊型電容器的維護(hù)通道按單側(cè)維護(hù)考慮即可，并聯(lián)電抗器外徑為2 000 mm，串聯(lián)電容器裝置中電抗率為5%的串聯(lián)電抗器外徑為1 660 mm，電抗率為12%的串聯(lián)電抗器外徑為1 900 mm，建議維護(hù)通道寬度均按不小于2 500 mm考慮（框架式電容器不考慮整體運出檢修，僅考慮串聯(lián)電抗器整體運出）［1］。布置見圖12。

35 kV區(qū)縱向尺寸為22 m，橫向尺寸138.5 m，占地0.30hm2，較優(yōu)化前的0.63hm2，節(jié)約占地面積48.6%。

采用HGIS設(shè)備、磁屏蔽并聯(lián)電抗器等新型設(shè)備，場區(qū)內(nèi)電磁環(huán)境得到明顯改善，檢修維護(hù)工作量大大降低，設(shè)備抗震性能顯著提升、站區(qū)總布置更加流暢。

［1］ 水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊［M］.北京：中國電力出版社，1989.

［2］ 馬榮芳，宋緒鵬，周朝林.500 kV變電所35 kV配電裝置的設(shè)計優(yōu)化［J］.山東電力技術(shù)，2005（3）:39－41.