水利樞紐GIS開關設備選型的幾點思考

摘 要：從目前的情況來看，氣體絕緣金屬封閉式開關設備（GIS開關）是水利樞紐工程中應用最廣泛的一種開關設備?；诖耍Y合實際案例，分別介紹了GIS開關設備和普通中型敞開式開關設備的特點，并對兩種開關設備的經濟性進行了比較，最后提出了GIS開關設備安裝時的注意事項，期望可以為同類工程項目GIS開關設備選型提供些許理論參考。

關鍵詞：水利樞紐;GIS開關;設備選型

0? ? 引言

時下，在水利樞紐工程持續(xù)發(fā)展的利好背景下，其數量和規(guī)模不斷增加與擴張，這對GIS開關設備選型提出了更加嚴格的要求。GIS開關指的是在GIS的基礎上，將母線設置于金屬外殼內，減少外界環(huán)境對GIS開關的影響，其具有占地小、可靠性高、防污好、安裝周期短以及工作量小等顯著特點，因而在水利樞紐工程中得到了廣泛應用[1]。

1? ? 案例概況

某水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)，其是一座集防洪、發(fā)電和灌溉功能于一體的大型水利樞紐工程項目，總裝機容量700 MW，年利用小時數2 540 h，多年平均風速16 m/s，污穢等級Ⅳ級，地震烈度Ⅷ度。本工程升高壓側電壓等級為220 kV，雙母線分段。

2? ? 升高壓側開關設備選型方案

對于本工程項目升高壓側設備選型可采用SF6全封閉組合電器和220 kV普通中型敞開式開關設備兩種方案。

2.1? ? SF6全封閉組合電器選型方案

本工程項目GIS開關設備裝配位置在副廠房地上第三層內，下層為GIS電纜夾層，主變位于副廠房地上第一層內，出線平臺位于副廠房屋頂。GIS開關設備與主變使用SF6氣體管道相互連接在一起，GIS開關設備至出線平臺之間使用SF6氣體管道相連，整個GIS開關設備占地面積約為960 m2（80 m×12 m），主要技術參數如下：額定電壓/電流為220 kV/3 150 A;最高額定電壓為245 kV;額定頻率為50 Hz;額定雷電沖擊電壓（峰值）為1 050 kV（相對值）/

1 250 kV（斷口間）;1 min額定工頻率（有效值）為44 kV。

GIS開關設備結構示意圖如圖1所示。

2.2? ? 220 kV普通中型敞開式開關設備選型方案

根據現場勘察，本工程項目所處區(qū)域為山區(qū)，地形較陡，坡度很大，如在廠房上游側布置戶外開關站，需開挖100多米高的山體，工程造價巨大。對此，可選擇在廠房下游河床邊布置戶外開關站，土方回填需約2.3×105 m3，開挖需約4×104 m3。采用220 kV普通中型敞開式開關設備，占地面積約為15 000 m2（150 m×100 m），敞開式開關設備至主變裝置通過鋼芯鋁絞線連接，主要技術參數如下：斷路器型號為LW23-252，In=2 000 A、Ib=50 kA;隔離開關型號為GW7-252，In=2 000 A、Is=50 kA/3 s;220 kV普通中型敞開式開關母線型號為LGJQ-2X240。

3? ? 水利樞紐開關設備方案比選

3.1? ? GIS開關設備特點

（1）占地空間和面積較小。經過推算，220 kV GIS開關設備與普通中型敞開式開關設備相比較而言，面積占比uA=1/15.6。占地面積的縮小，將大大減少土地的征用和場地費用，相應也簡化了設施設備，縮減了土建工程量，可為中標單位節(jié)約大量安裝成本。（2）不受環(huán)境和氣候影響。GIS開關設備運行安全可靠。根據調查分析，GIS開關設備內、外絕緣事故發(fā)生比例為10：1，GIS開關設備很少或基本不會暴露在空氣中，其絕緣的可靠性和安全性大幅提高。另外，對于近期投入運營的GIS開關設備的統(tǒng)計數據表明，其可靠性、安全性與普通中型敞開式開關電器相比近似為10：1，能有效避免污穢、大風、降雨、冰雪、潮濕、海拔高度及氣壓變化引起的絕緣事故。（3）抗震能力優(yōu)。GIS開關設備重心低，脆性和瓷套元件較少，抗震能力優(yōu)。（4）GIS開關設備被絕緣物體所包圍，發(fā)生人為觸電事故的概率較低。（5）GIS開關設備的動、熱穩(wěn)定性較普通中型敞開式開關設備好。（6）GIS開關設備安裝周期短、檢修周期長，這主要是因為GIS開關在出廠前已經是合格產品，且各個分部位已經組裝好，運抵施工現場后工作人員對其進行整裝和調試即可，因此安裝周期較短[2]。同時，國內外相關數據表明，GIS設備的檢修周期為10～15年，但每一次檢修時間較長且要求極高。（7）GIS開關設備主要布置在廠房外，可通過監(jiān)控系統(tǒng)實現可視化和自動化管理。（8）GIS開關設備投資高，是普通中型敞開式開關設備的2～2.5倍。

3.2? ? 普通中型敞開式開關設備特點

（1）將該設備放置在一定的高度，讓帶電部件與高度保持距離，這樣施工人員能安全地進行各項作業(yè)操作。（2）布置清晰明了，檢修方便，工程量小，工期較短。（3）防污穢性能差，但抗震性能較好。（4）占地面積較大。

3.3? ? GIS開關設備與普通中型敞開式開關設備比較

對于本工程項目的開關配電設備，可選擇220 kV GIS開關設備和普通中型敞開式開關設備兩種方案。以下就GIS開關設備和普通中型敞開式開關設備的投資費用、土建開挖費用、高壓線纜及避雷針費用、運行費用、故障損失費用等進行比較分析。

（1）設備投資總額。在本工程項目中，若采用GIS開關設備投資額約為2 040萬元;普通中型敞開式開關設備投資額為1 259萬元（主要包括高壓設施設備、開關設備的保護與控制、輔助設施設備、電纜鋼構架與搭架、GIS開關設備護欄與接地網等方面的費用）。

（2）土建開挖費用。在本工程項目中，GIS開關設備安裝于副廠房中，占地面積約為960 m2（80 m×12 m），土建開挖費用大約為380萬元。普通中型敞開式開關只能安裝于戶外，其占地面積約為15 000 m2（150 m×100 m），土建開挖費用大約為410萬元。

（3）高壓線纜及避雷針費用。本工程項目GIS開關設備安裝于副廠房中，與戶外出線平臺之間使用SF6氣體管道相連，沒有高壓線纜費用，設備為戶內布置，也不需要設置避雷針。普通中型敞開式開關設備高壓電纜費用約為40萬元，戶外設備需設置3座避雷針，費用約為79萬元。

（4）運行費用。GIS開關設備運行費用主要包括設備維護費、工具費、人工費用、培訓費用以及安保費用等。假如該設備的運行年限為30年，GIS開關設備的運行費用占總投資額的3%，普通中型敞開式開關設備為12.8%，即：GIS開關設備運行費用為2 040×3%=61.2萬元;普通中型敞開式開關設備運行費用為1 259×12.8%≈161.2萬元。

（5）故障損失費用。已投入使用的GIS開關設備統(tǒng)計數據表明，其安全性、可靠性與普通中型敞開式開關比較為10：1，但目前尚無具體且詳細的數據信息可供比較。

（6）GIS開關設備與普通中型敞開式開關設備經濟性比較如表1所示。

4? ? GIS開關設備安裝事項說明

（1）GIS開關設備上不得施加外力，不得重擊設備的套管、管路以及箱體等部位;（2）具體安裝過程中，應當特別注意避免灰塵、雜物等進入GIS開關設備內部;（3）開展GIS開關清理和安裝工作時，應當身穿防護衣物，手戴塑料薄膜手套;（4）為防止灰塵、雜物等進入GIS開關設備內部，應立即對清理后的導體和殼體進行安裝，連接部位應用專門的塑料布包裹，對于暫時不能安裝的部位，應將保護蓋板部位取下;（5）抽真空工作開始之前，要迅速更換干燥劑，減少和縮短GIS設備開關在空氣中的暴露時間，不得直接通過氣瓶向氣室注入SF6氣體，必須經過減壓閥減壓;（6）電纜終端裝配作業(yè)開始之前，需要確定SF6氣體已回收，且表壓為0，此時才能松開蓋板和法蘭處的連接螺栓，螺栓必須沿著GIS開關設備的圓周方向均勻松動，嚴禁直接拆卸;（7）氣體回收之后，進行GIS開關設備殼體安裝，此時必須檢查氧氣的濃度，必要時應當采取相應的換氣措施，否則工作人員不得進入內部作業(yè)，同時，進入殼體內部時應當委派專業(yè)人員監(jiān)護。

5? ? 結語

基于對以上兩種方案的全面比較和安裝事項說明，GIS開關設備具有占地面積小、抗震性能優(yōu)、安裝周期短、檢測周期長以及可實現自動化和可視化控制等特點，盡管該設備投資合計比普通中型敞開式開關設備多532萬元，但考慮到本工程項目所在地區(qū)風沙較大、設備工作環(huán)境較差、敞開式設備距離廠房較遠導致母線以及出線斷路器故障概率較高、運行維護工作不方便、地震烈度較高、使用壽命等問題，GIS開關設備的技術性、經濟性、安全性和可靠性依然優(yōu)于普通中型敞開式開關設備。故此，本工程項目采用GIS開關設備選型方案。

[參考文獻]

[1] 周逸萍.邕寧水利樞紐電氣優(yōu)化設計研究[D].南寧：廣西大學，2018.

[2] 高云龍.大藤峽水利樞紐GIS開關設備選型問題探討[J].廣西水利水電，2019（4）：101-104.

收稿日期：2021-03-19

作者簡介：於文匯（1989—），女，安徽淮南人，工程師，從事水利水電勘察設計方面的工作。