500 kV戶內(nèi)變電站設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張 濤，李 麗，鐘偉華，孟 軒，顏士海

(1.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,北京 100120；2.廣東技術(shù)師范學(xué)院,廣東 廣州 510665；3.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510623)

目前城市用電負(fù)荷增長(zhǎng)迅速,越來(lái)越多的變電站需要建設(shè)在城市中心,如何利用有限的土地資源,順利實(shí)施變電站建設(shè),保障電力供給,成為擺在電力建設(shè)者面前的重大課題。常規(guī)戶外變電站設(shè)計(jì)中,更注重工程主要功能的實(shí)現(xiàn),而城市變電站還要滿足節(jié)約占地、減少對(duì)周邊環(huán)境影響、建筑外觀與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)等要求,最大限度地利用有限站址和通道資源,特殊條件下還需與其它建筑物合建。為促進(jìn)大城市電網(wǎng)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的和諧發(fā)展,建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”電網(wǎng),盡量減少變電站占用寶貴的土地資源,城市變電站的建設(shè)趨勢(shì)具有緊湊型、大容量且向地下發(fā)展等特征。

與戶外變電站相比,戶內(nèi)變電站空間受限,對(duì)施工、運(yùn)行、檢修均提出了更多的要求,因此,需對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 戶內(nèi)變電站型式

戶內(nèi)變電站建筑可獨(dú)立建設(shè),也可與其它建筑物合建,為節(jié)約占地、減小建筑工程量,通過(guò)選用節(jié)能型、小型化設(shè)備,并進(jìn)行緊湊型布置設(shè)計(jì),提高配電裝置建筑物的空間利用率。根據(jù)主要電氣設(shè)備是否全部戶內(nèi)布置,戶內(nèi)變電站分為全戶內(nèi)、半戶內(nèi)兩種形式,其中：全戶內(nèi)變電站中,主變壓器和其它高低壓電氣設(shè)備均布置在戶內(nèi)；半戶內(nèi)變電站中,為節(jié)省建筑、通風(fēng)等工程費(fèi)用,主變壓器、低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置等部分電氣設(shè)備采用戶外布置。特殊條件下,如地面沒(méi)有空地、無(wú)法建設(shè)變電站時(shí),局部或整體建設(shè)在地下的變電站,稱為半地下/地下變電站。

主要出于經(jīng)濟(jì)性考慮,早期戶內(nèi)變電站采用敞開(kāi)式電氣設(shè)備戶內(nèi)布置方式,為滿足電氣距離的要求,配電裝置樓建筑體積較大,不能充分發(fā)揮戶內(nèi)站配電裝置布置緊湊的優(yōu)勢(shì)。隨著氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear,GIS)設(shè)備逐步國(guó)產(chǎn)化、設(shè)備價(jià)格持續(xù)降低,戶內(nèi)110 kV、220 kV變電站逐漸推廣應(yīng)用,國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司在總結(jié)已建工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,相繼推出了戶內(nèi)變電站典型設(shè)計(jì)方案。

2 已建戶內(nèi)變電站概述

2.1 330 kV及以下電壓等級(jí)的戶內(nèi)變電站

20世紀(jì)70年代末80年代初,電力建設(shè)者首次嘗試110 kV變電站戶內(nèi)設(shè)計(jì)方案,應(yīng)用于北京前門變電站等工程。隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累和設(shè)備制造水平的提高,到了90年代初,上海、北京、天津、廣州等城市用地緊張區(qū)域的220 kV變電站也嘗試采用戶內(nèi)變電站方式,其中,北京左安門220 kV變電站(見(jiàn)圖1)首次采用220 kV GIS設(shè)備。相比常規(guī)空氣絕緣敞開(kāi)式設(shè)備,GIS設(shè)備將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器、母線等元件均封裝在金屬殼體內(nèi),內(nèi)部采用絕緣性能更高的SF6氣體為內(nèi)絕緣材料,具有體積小、噪聲低、利于緊湊布置等優(yōu)點(diǎn),并且無(wú)靜電感應(yīng)和電暈干擾等問(wèn)題,戶內(nèi)變電站的建筑物體量大大減小,建筑物外形設(shè)計(jì)也易于與城市景觀相協(xié)調(diào)。

圖1 北京左安門220 kV變電站

目前,我國(guó)西北地區(qū)的西安城南330 kV戶內(nèi)變電站、西安西郊330 kV戶內(nèi)變電站都正在建設(shè)之中。

2.2 500 kV戶內(nèi)變電站

隨著城市建設(shè)的發(fā)展,北京、上海、廣州、深圳等城市終端變電站最高電壓采用500 kV等級(jí),越來(lái)越多的大城市500 kV變電站考慮戶內(nèi)建設(shè)方案。2008年,國(guó)內(nèi)第一個(gè)500 kV戶內(nèi)變電站——北京朝陽(yáng)500 kV變電站(見(jiàn)圖2)正式投運(yùn)。

圖2 北京朝陽(yáng)500 kV變電站

北京朝陽(yáng)500 kV變電站設(shè)計(jì)中,為盡量減少占地面積,提高設(shè)備可靠性、減少日常運(yùn)行檢修工作量,500 kV、220 kV、66 kV配電裝置均采用GIS設(shè)備,低壓并聯(lián)電容器、電抗器分別采用集合式、油浸式,并積極貫徹“立體化、協(xié)調(diào)型”的設(shè)計(jì)理念,將500 kV、220 kV、66 kV配電裝置布置在變電站二層,以方便架空線路的引接,主變壓器、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備布置在一層,便于設(shè)備運(yùn)輸、安裝和檢修,通過(guò)合理空間布局,優(yōu)化了配電裝置樓的建筑面積和體積,節(jié)省了工程造價(jià),變電站占地面積僅11094 m2,比同規(guī)模的變電站節(jié)省57%。隨后,北京海淀500 kV變電站、城南500 kV變電站相繼投運(yùn)。

2010年4月,上海500 kV世博變電站正式投運(yùn),站內(nèi)按3組500/230/66 kV 1500 MVA變壓器、3組220/115/ 37 kV 300 MVA變壓器規(guī)模規(guī)劃,為多級(jí)降壓變電站,包括了上海超高壓電網(wǎng)中的所有電壓等級(jí),是國(guó)內(nèi)第一座500 kV全地下變電站,與地面的靜安雕塑公園結(jié)合建設(shè),變電站的地面實(shí)景見(jiàn)圖3。該變電站的設(shè)計(jì)中有諸多技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn),其建筑結(jié)構(gòu)本體呈圓形,外徑130 m,最大開(kāi)挖深度33.7 m,為超大超深基坑設(shè)計(jì)。

圖3 上海世博500 kV地下變電站地面實(shí)景圖

目前,上海虹楊、浙江錢江和重慶金山等500 kV戶內(nèi)變電站也在建設(shè)之中。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,大城市對(duì)500 kV變電站的需求將會(huì)增加,選址將愈加困難,500 kV變電站戶內(nèi)布置將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 戶內(nèi)500kV變電站設(shè)計(jì)理念

戶內(nèi)500 kV變電站設(shè)計(jì)一般遵循以下理念：

(1)堅(jiān)持節(jié)約用地的原則。對(duì)于城市戶內(nèi)變電站規(guī)劃建設(shè),周邊設(shè)施的建設(shè)往往已基本完善,因此,首先要求合理利用地形、節(jié)約用地面積、減少拆遷、減小變電站對(duì)周邊環(huán)境的影響。戶內(nèi)變電站設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)變電站性質(zhì)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等要求,積極采用緊湊型、智能化、無(wú)油化、免維護(hù)或少維護(hù)設(shè)備,優(yōu)化建筑體量,在站址受限情況下,可結(jié)合臨近設(shè)施或建筑物合體建設(shè)。

(2)與周邊建設(shè)規(guī)劃和當(dāng)?shù)貐^(qū)域總體規(guī)劃相協(xié)調(diào)。對(duì)位于景觀要求嚴(yán)格的城區(qū)戶內(nèi)變電站,其設(shè)計(jì)須與周邊地上建筑總體規(guī)劃和城市規(guī)劃緊密結(jié)合、統(tǒng)籌兼顧,力求實(shí)用與美觀的統(tǒng)一。以滿足工藝要求及運(yùn)行人員工作、生活要求為前提,力求站內(nèi)建筑物平面布局、功能分區(qū)更為合理,運(yùn)行管理更為方便,充分體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念,精心處理與周圍環(huán)境的關(guān)系,使建筑人工環(huán)境與自然環(huán)境有機(jī)融合。

(3)從需求出發(fā),合理創(chuàng)新。隨著新設(shè)備、新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn),變電站設(shè)計(jì)理念在不斷進(jìn)步,結(jié)合工程功能需求和外部環(huán)境特點(diǎn),對(duì)于戶內(nèi)變電站可適當(dāng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)變電站建設(shè)技術(shù)創(chuàng)新。

4 戶內(nèi)500kV變電站設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 優(yōu)化電氣主接線

位于城市戶內(nèi)的500 kV變電站多為終端變電站,電源數(shù)量較多、設(shè)備水平較高、負(fù)荷側(cè)網(wǎng)絡(luò)比較完善,因此,可簡(jiǎn)化接線方案。根據(jù)系統(tǒng)條件、運(yùn)行方式、設(shè)計(jì)規(guī)模等因素,500 kV側(cè)可采用線變組、橋形等接線形式,當(dāng)進(jìn)出線規(guī)模較大,且變電站在系統(tǒng)中具有重要地位時(shí),宜采用一個(gè)半斷路器接線方案。220 kV及以下電壓等級(jí)變電站的電氣主接線方案可參考常規(guī)戶外變電站有關(guān)規(guī)定。

4.2 選用小型化設(shè)備

高壓設(shè)備如過(guò)多裸露,帶電部分將占用較大空間,造成建筑物體量巨大,因此,戶內(nèi)變電站開(kāi)關(guān)設(shè)備宜采取GIS或開(kāi)關(guān)柜設(shè)備形式,以減少占地面積和建筑面積,節(jié)約投資。

同戶外變電站一樣,500 kV變壓器采用油浸式變壓器,考慮散熱、通風(fēng)、布置、降噪等要求。戶內(nèi)變電站主變壓器多采用本體與散熱器分體形式,即主變本體布置在變壓器室,散熱器根據(jù)具體情況,與主變本體相鄰布置。

并聯(lián)電容器分為框架式、集合式、緊湊型集合式三種形式。如選用框架式并聯(lián)電容器,則一般布置在戶內(nèi)變電站的屋頂位置,以節(jié)省建筑面積。在三種設(shè)備形式中,集合式電容器設(shè)備價(jià)格、占地面積都居中,因此在戶內(nèi)變電站應(yīng)用最多。緊湊型集合式是將串聯(lián)電抗器與電容器一體化組合在一起的成套裝置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地全絕緣和直接落地安裝,占地面積較框架式電容器組的占地面積節(jié)約60%左右,因此,為進(jìn)一步節(jié)約占地面積,可采用緊湊型集合式電容器組。

對(duì)于并聯(lián)電抗器,主要分為干式電抗器和油浸式電抗器,后者較前者占地面積大為減少,且油浸式電抗器在運(yùn)行穩(wěn)定性、使用壽命、產(chǎn)品損耗、運(yùn)行監(jiān)控等方面均好于干式空芯電抗器,因此,戶內(nèi)變電站宜采用油浸式電抗器。

4.3 配電裝置布置

戶內(nèi)變電站設(shè)計(jì)中,為方便設(shè)備運(yùn)輸和簡(jiǎn)化配電裝置樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主變壓器等較重電氣設(shè)備宜布置在一層,GIS、電容器、電抗器等設(shè)備可布置在二層,并設(shè)置室內(nèi)設(shè)置吊裝口或者室外吊裝平臺(tái),GIS室等設(shè)備房間頂部設(shè)置安裝檢修用吊裝設(shè)施。各層房間較多時(shí),為布置清晰,利于運(yùn)行巡視,減少內(nèi)部設(shè)施的相互干擾,戶內(nèi)變電站內(nèi)盡量按功能劃分分區(qū)布置。

4.4 主變壓器與配電裝置的連接方式

主變壓器與配電裝置連接主要包括導(dǎo)線連接、電纜連接、油氣套管連接三種方式,導(dǎo)線連接方式的優(yōu)點(diǎn)是GIS設(shè)備與變壓器之間有易拆解的斷開(kāi)點(diǎn),各類試驗(yàn)及檢修方便,因此,戶內(nèi)變電站主變低壓側(cè)多采用此種連接方式。對(duì)于主變壓器500 kV、220 kV側(cè),若采用導(dǎo)線連接方式,則由于帶電距離的要求,布置尺寸較大,占用較大空間。而廣泛采用于220 kV及以下變電站的電纜連接方式,受電纜載流量、轉(zhuǎn)彎半徑大等因素限制,500 kV變電站中的主變500 kV、220 kV側(cè)也不宜采用電纜連接方式。目前,國(guó)內(nèi)戶內(nèi)500 kV變電站的變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)均采用油氣套管(見(jiàn)圖4),通過(guò)GIS分支管道與GIS設(shè)備連接,此連接方式無(wú)裸露導(dǎo)體,因此,配電裝置布置可不用考慮帶電距離問(wèn)題,大大壓縮了空間尺寸。

圖4 主變與GIS設(shè)備油氣套管連接

4.5 試驗(yàn)與檢修

不同于戶外變電站,戶內(nèi)變電站布置緊湊,空間有限,且主變壓器500 kV、220 kV側(cè)與GIS均采用油氣套管連接方式,無(wú)明顯的斷開(kāi)點(diǎn),各類試驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜,不便檢修,需做特殊考慮。

(1)對(duì)于出廠試驗(yàn),主變壓器和GIS 設(shè)備分別在各自工廠完成相關(guān)試驗(yàn),油氣套管為變壓器廠家供貨范圍,并開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn),出廠試驗(yàn)均無(wú)制約問(wèn)題。

(2)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn),由于油氣套管連接方式中,變壓器與GIS設(shè)備之間的連接為油－SF6封閉式絕緣結(jié)構(gòu),無(wú)法整體試驗(yàn)。因此,在變壓器與GIS設(shè)備連接前,需分別按各自的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn),并在油氣套管結(jié)構(gòu)中,考慮設(shè)置預(yù)留可拆卸套管,可拆卸套管內(nèi)導(dǎo)體與GIS導(dǎo)體采用易拆解連接結(jié)構(gòu),如軟銅帶連接方式,受設(shè)備結(jié)構(gòu)限制,可拆卸套管不能按照GIS設(shè)備試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)做絕緣試驗(yàn),通常按照絕緣水平較低的主變壓器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn),并利用變壓器感應(yīng)電壓對(duì)該部分進(jìn)行絕緣試驗(yàn)。

(3)對(duì)于預(yù)防性試驗(yàn),由于油氣套管為封閉式絕緣連接方式,其預(yù)防性試驗(yàn)難度要遠(yuǎn)大于常規(guī)導(dǎo)線連接方式,進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)前,需先解開(kāi)可拆卸套管內(nèi)的軟銅帶連接,然后再進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn),完成試驗(yàn)后,再連接軟銅帶、安裝可拆卸套管。近年來(lái),主變壓器油色譜、局放等在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越深入,通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),將對(duì)變壓器的定期檢修變?yōu)闋顟B(tài)檢修,達(dá)到降低預(yù)防性試驗(yàn)頻率、減少預(yù)試盲目性的目的。

(4)對(duì)于相關(guān)設(shè)備檢修,在油氣套管或相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下,由于所有導(dǎo)體都處于GIS殼體內(nèi)或變壓器油箱內(nèi),相關(guān)設(shè)備檢修難度遠(yuǎn)大于導(dǎo)線連接方式,因此,更多的要通過(guò)采用先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變定期檢修為狀態(tài)檢修,以降低檢修頻率。

4.6 環(huán)境影響

建在市區(qū)的戶內(nèi)500 kV變電站,考慮到周邊商業(yè)區(qū)或居民區(qū)對(duì)變電站的環(huán)境影響尤為敏感,因此,在變電站設(shè)計(jì)中要采取必要的防治措施。

戶內(nèi)變電站對(duì)周邊的影響主要為電磁環(huán)境影響和噪聲環(huán)境影響兩個(gè)方面。對(duì)于電磁環(huán)境影響,重點(diǎn)關(guān)注500 kV、220 kV高電壓等級(jí)的電磁防治問(wèn)題,由于戶內(nèi)變電站高壓設(shè)備均布置在采取屏蔽措施的建筑物內(nèi),配電裝置外露導(dǎo)體很少,且電場(chǎng)和磁場(chǎng)隨距離衰減很快,因此,對(duì)周邊影響甚微。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)已投運(yùn)戶內(nèi)500 kV變電站的實(shí)測(cè)結(jié)果,其對(duì)周邊環(huán)境影響的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于戶外變電站。

戶內(nèi)變電站的主要噪聲來(lái)源為主變壓器、電抗器等大型線圈類設(shè)備,噪聲治理需從噪聲源和傳播途徑兩方面入手。首先,變電站選址要盡量避開(kāi)0類和1類對(duì)噪聲有嚴(yán)格要求的區(qū)域；其次,設(shè)備選型上應(yīng)優(yōu)先采用低噪聲設(shè)備；再次,可通過(guò)建筑、暖通等專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)變電站進(jìn)行噪聲治理,如主變壓器的進(jìn)風(fēng)口和屋頂風(fēng)機(jī)的排風(fēng)口應(yīng)盡量避免直接朝向居民區(qū)、主變壓器室和風(fēng)機(jī)房采用消聲百葉窗、墻面布置雙層吸音墻等措施。

5 結(jié)語(yǔ)

戶內(nèi)變電站能大幅減少占地面積、提高土地資源的利用率,有效緩解城市變電站選址難的問(wèn)題,并且配電裝置均布置于建筑物內(nèi),最大限度降低了對(duì)周圍的電磁環(huán)境、噪聲環(huán)境影響,是實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型電網(wǎng)建設(shè)的主要途徑之一,可有效實(shí)現(xiàn)變電站建設(shè)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益的最大化。本文針對(duì)戶內(nèi)變電站的特點(diǎn),提出了簡(jiǎn)化電氣接線、選用緊湊型設(shè)備方面的建議。隨著設(shè)備制造、建設(shè)水平的提高,戶內(nèi)變電站的應(yīng)用將愈加廣泛。