城市型變電站GIS配電裝置室的優(yōu)化方法

禇　強(qiáng)，葉　軍，朱清清

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00025)

目前，城市建設(shè)的快速發(fā)展導(dǎo)致用地日益緊張，越來(lái)越多的城市變電站中選擇使用氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)設(shè)備。相對(duì)于中小型城市，大型省會(huì)城市及直轄市的土地資源更加稀缺，城市變電站設(shè)計(jì)需在優(yōu)化創(chuàng)新布置、節(jié)約用地、優(yōu)化土地利用上開(kāi)展研究。

GIS配電裝置均采用戶內(nèi)布置型式的變電站在國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于110、220 kV變電站通用設(shè)計(jì)中已有一些方案，但隨著設(shè)備制造、工藝水平的提高，GIS已經(jīng)有小型化的趨勢(shì)，設(shè)備尺寸有一定減小，同時(shí)通過(guò)收緊設(shè)計(jì)裕量，經(jīng)研究分析，GIS配電裝置室尺寸尤其是房間凈高方面還有一定的優(yōu)化空間[1-2]。

1　影響GIS配電裝置室尺寸的因素

一般性而言，GIS配電裝置室的房間尺寸主要受以下幾點(diǎn)因素的影響：GIS設(shè)備本身的尺寸；GIS運(yùn)輸通道尺寸；檢修、巡視、安裝位置的預(yù)留；耐壓試驗(yàn)的帶電安全距離；GIS擴(kuò)建預(yù)留通道尺寸；附屬設(shè)備的尺寸。

具體而言，房間的長(zhǎng)度往往取決于GIS間隔的寬度、GIS間隔的數(shù)量以及必要的運(yùn)輸、擴(kuò)建、檢修通道、消防巡視通道；GIS配電裝置室的寬度取決于GIS間隔的深度、GIS間隔正面巡視和檢修通道的寬度、GIS電纜終端電纜頭安裝位置以及GIS電纜終端耐壓試驗(yàn)時(shí)套管的帶電安全距離；GIS配電裝置室的層高則取決于GIS間隔的高度、GIS安裝吊裝高度、GIS電纜終端耐壓試驗(yàn)時(shí)套管的帶電安全距離以及通風(fēng)管道的厚度、行車或吊鉤的高度等。

可見(jiàn)，需要優(yōu)化GIS配電裝置室的尺寸，需要從GIS設(shè)備本體尺寸優(yōu)化、改進(jìn)耐壓試驗(yàn)方式縮短帶電安全距離、優(yōu)化運(yùn)輸通道、預(yù)留擴(kuò)建通道、巡視與檢修通道等方面考慮[3]。

2　GIS設(shè)備本體的優(yōu)化

2.1　220 kV GIS本體優(yōu)化

GIS設(shè)備制造廠的設(shè)計(jì)水平、制造工藝等決定了GIS產(chǎn)品本身的尺寸大小。常見(jiàn)GIS間隔有主變間隔、饋線間隔、母線設(shè)備及避雷器間隔、分段間隔、母聯(lián)間隔等[4]。

以饋線間隔為例，GIS饋線間隔一般性配置有帶電顯示器、避雷器(架空線路)、線路壓變、出線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)及快速接地開(kāi)關(guān)、電流互感器(次級(jí)個(gè)數(shù)按實(shí)際需求配置)、斷路器、母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)及接地開(kāi)關(guān)。

經(jīng)調(diào)研國(guó)內(nèi)外多家GIS廠家后，得到220 kV GIS設(shè)備的尺寸如表1所示[5-6]。

表1　220 kV GIS關(guān)鍵尺寸參數(shù)匯總表　mm

注：表中耐壓試驗(yàn)要求最低高度按220 kV對(duì)地最小安全距離考慮。

由資料對(duì)比可見(jiàn)，目前大部分的GIS廠家都能生產(chǎn)寬度在2.3 m以內(nèi)的220 kV GIS，耐壓試驗(yàn)要求最低高度一般7.2 m以上。而阿海法公司生產(chǎn)的220 kV GIS設(shè)備在所例舉設(shè)備中尺寸最小，間隔寬度、層高要求分別只需1.5 m和5.5 m。

在深度方向上，當(dāng)220 kV側(cè)接線采用雙母線接線時(shí)，若不包括匯控柜，GIS本體深度一般可控制在6.5 m以內(nèi)，其中泰開(kāi)、平高的GIS相對(duì)較長(zhǎng)，但經(jīng)與廠家溝通，GIS長(zhǎng)度還有優(yōu)化空間；若考慮匯控柜與本體一體結(jié)構(gòu)型式，從表1中可知，總長(zhǎng)度可以控制在7.5 m左右。

若220 kV側(cè)接線采用線變組的接線型式時(shí)，GIS的寬度會(huì)相對(duì)加長(zhǎng)，因泰開(kāi)GIS深度相對(duì)較長(zhǎng)，現(xiàn)以泰開(kāi)線變組接線型式的220 kV GIS為例，如圖1所示[7]。

圖1　泰開(kāi)220 kV線變組型式GIS

由圖1可知，相對(duì)于雙母線接線型式，由于線變組接線形式有兩頭都有電纜出線，在不包括匯控柜的情況下，深度加長(zhǎng)了近1.3 m，達(dá)到7.7 m左右。為了縮短GIS整體的長(zhǎng)度，常用的方法是采用匯控柜和本體一體式布置，這種方式既減少了內(nèi)部連接線纜的長(zhǎng)度、又節(jié)約了空間，為GIS房間減少了寬度上的要求。

但在有些情況下，可能無(wú)法做到本體和匯控柜一體布置，如在保護(hù)測(cè)控、自動(dòng)化設(shè)備、智能終端、合并單元等就地布置在匯控柜內(nèi)時(shí)，匯控柜的寬度需要做到很寬，此時(shí)若GIS本體的間隔寬度較小，匯控柜就無(wú)法布置的下，必須分體布置在GIS對(duì)面。

2.2　110 kV GIS本體優(yōu)化

同樣，經(jīng)調(diào)研國(guó)內(nèi)外多家GIS廠家后，110 kV GIS設(shè)備的尺寸如表2所示[8]。

表2　110 kV GIS關(guān)鍵尺寸參數(shù)匯總表　mm

注：表中耐壓試驗(yàn)要求最低高度按110 kV對(duì)地最小安全距離考慮。

由資料對(duì)比可見(jiàn)，目前大部分的GIS廠家都能生產(chǎn)寬度在1.0 m以內(nèi)的110 kV GIS，耐壓試驗(yàn)要求最低高度一般5.0 m以上。而ABB公司生產(chǎn)的110 kV GIS設(shè)備在所例舉設(shè)備中尺寸最小，間隔寬度、層高要求分別只需要0.8 m和4.7 m。

在深度方向上，當(dāng)110 kV側(cè)接線采用雙母線接線或環(huán)進(jìn)環(huán)出支接變壓器組接線時(shí)，若不包括匯控柜，GIS本體深度一般可控制在4.6 m以內(nèi)，其中西開(kāi)的GIS相對(duì)較長(zhǎng)。但經(jīng)與廠家分析討論，GIS長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)優(yōu)化還有縮短余地，若考慮匯控柜與本體一體結(jié)構(gòu)型式，從表2中可知，總長(zhǎng)度可以控制在6.8 m左右。

若110 kV側(cè)接線采用線變組或橋接線的接線型式時(shí)，GIS的深度會(huì)相對(duì)加長(zhǎng)，現(xiàn)以ABB線變組接線型式的110 kV GIS為例，如圖2所示。

圖2　ABB 110 kV線變組接線型式GIS

由圖2可知，同220 kV GIS，相對(duì)于雙母線/環(huán)進(jìn)環(huán)出接線型式，由于線變組接線形式有兩頭都有電纜出線，在不包括匯控柜的情況下，深度加長(zhǎng)了近1.2 m，達(dá)到4.7 m左右。同樣，GIS可采用匯控柜和本體一體式布置，但在有些情況下，可能無(wú)法做到，如在保護(hù)測(cè)控、自動(dòng)化設(shè)備、智能終端、合并單元等就地布置在匯控柜內(nèi)時(shí)，匯控柜的寬度需要做到較寬，此時(shí)若GIS本體的間隔寬度較小，匯控柜就無(wú)法布置的下，必須分體布置在GIS對(duì)面[9]。

3　預(yù)留檢修位置與巡視通道的優(yōu)化

GIS設(shè)備設(shè)計(jì)上是可以實(shí)現(xiàn)斷路器現(xiàn)場(chǎng)拆出進(jìn)行檢修，所以檢修不考慮整體運(yùn)出，斷路器的結(jié)構(gòu)形式和大小決定了檢修空間要留多少。220 kV GIS中的斷路器多采用水平臥式，檢修時(shí)水平拉出，而垂直布置的斷路器檢修時(shí)則需垂直吊出。110 kV GIS雙母線接線型式或環(huán)進(jìn)環(huán)出接線型式時(shí)，為了盡可能縮短GIS本體的深度，斷路器多采用垂直布置，同樣檢修時(shí)需垂直吊出；當(dāng)接線型式為線變組/橋接線時(shí)，斷路器有時(shí)會(huì)采用水平臥式，可水平拉出。因此，斷路器的布置型式和斷路器的大小是決定配電裝置室的檢修通道和吊點(diǎn)高度的因素之一。具體布置時(shí)，可結(jié)合GIS配電裝置在寬度上的限制和在層高上的限制擇優(yōu)確定。

斷路器是整個(gè)GIS中最大的單體部件，110 kV斷路器、220 kV斷路器尺寸分別如圖3所示。

圖3　110 kV、220 kV GIS斷路器尺寸

由圖3可知，110 kV斷路器長(zhǎng)度約2.8 m，220 kV斷路器含機(jī)構(gòu)箱長(zhǎng)度約3.7 m，不含機(jī)構(gòu)箱長(zhǎng)度約3.1 m，不同廠家GIS的斷路器長(zhǎng)度基本上一致。對(duì)于水平布置的斷路器，若考慮直接水平拖出，110 kV GIS檢修通道至少需3.0 m以上，220 kV GIS檢修通道至少需3.3 m以上，對(duì)常規(guī)GIS房間空間比較寬裕的情況下可以考慮此種方案，但對(duì)于城市型變電站緊湊型布置的要求，如此大的檢修空間要求不易實(shí)現(xiàn)。因此，建議先將斷路器或其他需檢修部件利用行車或單軌吊吊起轉(zhuǎn)向后吊至檢修通道處后再水平拖出，或直接吊運(yùn)至運(yùn)輸門的位置。因此，只考慮1.5 m左右的斷路器運(yùn)輸寬度即可。

巡視通道的設(shè)置。通常GIS配電裝置兩側(cè)應(yīng)設(shè)置安裝檢修和巡視的通道，主通道宜靠近斷路器側(cè)/匯控柜側(cè)(非電纜頭側(cè))，主通道寬度宜為2.0～3.5 m；巡視通道不應(yīng)小于1.0 m。一般說(shuō)來(lái)，GIS的主通道寬度往往取決于GIS本體與匯控柜之間的寬度。

現(xiàn)在很多廠家均可生產(chǎn)匯控柜和本體一體化布置的GIS，以思源電氣220 kV GIS為例，如圖4所示。

圖4　匯控柜布置方式對(duì)比

由圖4可以看出，GIS匯控柜一體化布置以后，縱向長(zhǎng)度可以減少0.4 m左右，有一定的優(yōu)化空間。

綜上，檢修、巡視通道一般合用，但從檢修、巡視角度來(lái)說(shuō)，建議GIS匯控柜側(cè)主通道寬度設(shè)置為2.0 m，另外一側(cè)通道寬度≥1.0 m，同時(shí)從節(jié)約空間角度考慮，建議GIS采用本體、匯控柜一體布置。

4　GIS吊裝對(duì)配電裝置室層高的影響

4.1　GIS本體吊裝

由于GIS配電裝置室層高相對(duì)較低，110、220 kV GIS房間層高分別只有6.0、8.0 m左右，并且GIS安裝時(shí)運(yùn)輸門已經(jīng)安裝完成，110 kV GIS運(yùn)輸門尺寸大約2.9 m×4 m，220 kV GIS運(yùn)輸門高度大約為3.5 m×5.0 m，吊車無(wú)法直接將吊臂伸入房間進(jìn)行GIS就位。因此一般情況下，GIS間隔由吊車吊運(yùn)至運(yùn)輸門口，然后大型部件如斷路器可有滾木等推入房間就位，小件如壓變等可由叉車運(yùn)入，再由房間內(nèi)預(yù)設(shè)單軌吊或行車將部件進(jìn)行吊起就位。常見(jiàn)廠家的GIS尺寸為，220 kV GIS最高點(diǎn)均在4.3 m左右；110 kV GIS最高點(diǎn)高度均在3 m左右。因此，若按吊鉤下至少預(yù)留1.0 m空間，GIS就位時(shí)抬高高度按0.5 m考慮。經(jīng)計(jì)算，220 kV GIS吊裝所需凈高不超過(guò)5.8 m，110 kV GIS吊裝所需凈高不超過(guò)4.5 m。

4.2　GIS耐壓試驗(yàn)套管吊裝

GIS就位后，加裝耐壓試驗(yàn)套管后，220 kV GIS整體最高約6.6 m，110 kV GIS整體最高約5.0 m，考慮吊鉤下至少預(yù)留1.0 m空間。經(jīng)計(jì)算，220 kV GIS耐壓試驗(yàn)套管吊裝所需凈高不超過(guò)7.6 m，110 kV GIS吊裝所需凈高不超過(guò)6.0 m。耐壓套管現(xiàn)場(chǎng)吊裝如圖5所示。

圖5　GIS耐壓試驗(yàn)套管吊裝

以GIS吊裝空間需求為限制條件，220 kV GIS室凈高不得低于7.6 m，110 kV GIS室凈高不得低于6.0 m。

5　GIS耐壓試驗(yàn)對(duì)配電裝置室層高的影響

GIS現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)，是指GIS在現(xiàn)場(chǎng)全部安裝完畢后進(jìn)行的交流耐壓試驗(yàn)，是驗(yàn)證GIS內(nèi)部絕緣承受過(guò)電壓的能力并有效發(fā)現(xiàn)由于包裝不當(dāng)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、起吊和安裝過(guò)程中造成的絕緣缺陷以及雜物混入等，從而及時(shí)處理消除，防止投運(yùn)后發(fā)生電氣事故，確保GIS的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。試驗(yàn)電壓應(yīng)施加于每相導(dǎo)體和外殼之間，非試驗(yàn)相均應(yīng)可靠接地[10]。

若采用串聯(lián)諧振裝置進(jìn)行交流耐壓，需在GIS上加裝試驗(yàn)套管，應(yīng)滿足的要求見(jiàn)表3。

在耐壓試驗(yàn)中，若高壓體與周圍接地體或墻壁的安全距離不足，會(huì)造成意外的閃絡(luò)擊穿，使設(shè)備耐壓試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。

表3　GIS耐壓試驗(yàn)套管的基本要求

綜合考慮人員安全、規(guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)，110 kV安全距離考慮大于1.0 m，220 kV安全距離考慮大于2.2 m。同時(shí)，GIS用的試驗(yàn)套管的大小、安裝位置決定配電裝置室空間的大小，特別是配電室的高度。因此，需要制造廠合理地選擇試驗(yàn)套管的形式和安裝位置(見(jiàn)圖6)。

圖6　耐壓試驗(yàn)套管不同安裝位置

由圖6可見(jiàn)，做現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)時(shí)，若試驗(yàn)空間受限，可根據(jù)實(shí)際情況，改變套管角度及套管位置等滿足試驗(yàn)條件。

根據(jù)目前GIS技術(shù)的發(fā)展情況，絕大多數(shù)GIS廠家完全可以滿足將安裝試驗(yàn)套管后高度控制在6.0 m以下的要求；110 kV GIS安裝耐壓試驗(yàn)套管后高度大多數(shù)GIS廠家可以控制在5.0 m以下。目前，為同時(shí)保證試驗(yàn)時(shí)的電氣安全距離，GIS室凈高要求相對(duì)較高，通用設(shè)計(jì)方案中220 kV GIS房間凈高要求為8.5 m，通用設(shè)計(jì)方案中110 kV GIS房間凈高要求為6.5 m。因此，GIS耐壓試驗(yàn)采用常規(guī)諧振耐壓試驗(yàn)裝置時(shí)，220 kV GIS房間凈高要求可降低約0.3 m，至8.2 m；110 kV GIS房間凈高要求可降低約0.5 m，至6.0 m。

6　GIS擴(kuò)建預(yù)留通道的優(yōu)化

若變電站GIS基建時(shí)不是一次性上齊就需要充分考慮遠(yuǎn)景擴(kuò)建時(shí)，在不影響正在運(yùn)行的GIS的情況下，擴(kuò)建的GIS如何吊運(yùn)就位，因此就需要給遠(yuǎn)景擴(kuò)建的GIS留出足夠的運(yùn)輸通道。由于GIS長(zhǎng)度較長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)調(diào)研，比較不同廠家GIS的最大運(yùn)輸單元，一般110 kV GIS最大運(yùn)輸尺寸約為3.8 m(長(zhǎng))×1.0 m(寬)×3.7 m(高)；220 kV GIS最大運(yùn)輸尺寸約為4.5 m(長(zhǎng))×1.8 m(寬)×3.2 m(高)。因此，現(xiàn)實(shí)中，現(xiàn)場(chǎng)不可能有這么大空間實(shí)現(xiàn)GIS運(yùn)輸單元在地面轉(zhuǎn)運(yùn)就位過(guò)程中直角轉(zhuǎn)彎，這就需要有足夠數(shù)量的運(yùn)輸門，并且運(yùn)輸門和預(yù)留擴(kuò)建間隔的位置要合理。以110 kV配電裝置室為例，當(dāng)運(yùn)輸門與擴(kuò)建間隔的相對(duì)位置角度為30°時(shí)，GIS室運(yùn)輸通道尺寸如圖7所示。

圖7　GIS擴(kuò)建間隔安裝圖

由圖7可知，110 kV配電裝置室的寬度達(dá)到了10.1 m，而國(guó)網(wǎng)典型設(shè)計(jì)的110 kV配電裝置室的寬度為9.0 m，不可行。經(jīng)核算，若要110 kV配電裝置室的寬度控制在9.0 m以內(nèi)，運(yùn)輸門和擴(kuò)建間隔的相對(duì)位置角度要控制在15°以內(nèi)，基本上要求運(yùn)輸門正對(duì)著擴(kuò)建間隔。因此，基建工程中，合理規(guī)劃GIS的近遠(yuǎn)景間隔位置至關(guān)重要，否則只能在擴(kuò)建過(guò)程中拆除墻面，增加很大工作量及投資。

經(jīng)過(guò)分析，GIS運(yùn)輸通道的寬度其實(shí)只需考慮GIS本體的寬度即可，方便以后GIS檢修轉(zhuǎn)運(yùn)，110 kV GIS運(yùn)輸通道寬度建議為1.2 m，220 kV GIS運(yùn)輸通道寬度建議為2.0 m。

7　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)調(diào)研多個(gè)國(guó)內(nèi)外常用廠家的GIS情況，分別從GIS本體尺寸、耐壓試驗(yàn)凈高要求、巡視和檢修通道尺寸、吊裝尺寸、擴(kuò)建預(yù)留通道尺寸等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，得出了GIS配電裝置房間的尺寸要求，并提出了優(yōu)化方案。

其中重點(diǎn)對(duì)房間的凈高要求進(jìn)行了詳細(xì)分析，分別在原有通用設(shè)計(jì)中220 kV GIS房間凈高要求8.5 m、110 kV GIS房間凈高要求6.5 m的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)分析，結(jié)論如下。

(1)GIS房間的凈高要求主要受GIS耐壓試驗(yàn)及吊裝所需高度制約；

(2)GIS建議采用本體、匯控柜一體布置的結(jié)構(gòu)型式；

(3)GIS斷路器側(cè)/匯控柜側(cè)主檢修巡視通道寬度建議為2.0 m以上；

(4)110 kV GIS電纜頭側(cè)運(yùn)輸通道寬度建議為1.5 m以上；220 kV GIS電纜頭側(cè)運(yùn)輸通道寬度建議為2.0 m以上；此運(yùn)輸通道兼做巡視通道；

(5)可將220 kV GIS房間凈高要求縮至8.2 m、110 kV GIS房間凈高要求縮至6.0 m；

(6)GIS及主變房間凈高要求降低后，可進(jìn)一步壓縮變電站的層高，使之更加適應(yīng)城市型變電站的要求。

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