楊 洸，付 磊，朱 克，程子豪，周圣枝

（1.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

小型化220 kV HGIS設(shè)備的緊湊布置研究

楊 洸1，付 磊1，朱 克2，程子豪1，周圣枝1

（1.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

針對(duì)混合氣體絕緣開關(guān)（HGIS）的應(yīng)用現(xiàn)狀和功能特點(diǎn)，提出一種基于小型化HGIS設(shè)備的220 kV緊湊型配電裝置形式，介紹了該配電裝置的優(yōu)化思路與優(yōu)化效益。通過(guò)模擬仿真驗(yàn)證了該配電裝置在雷電侵入波、空間電場(chǎng)強(qiáng)度、母線感應(yīng)電壓等方面的技術(shù)合理性，為該配電裝置的應(yīng)用提供了依據(jù)。

小型化；混合氣體絕緣開關(guān)（HGIS）；緊湊布置；雷電侵入波；空間電場(chǎng)；母線感應(yīng)電壓

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，土地資源日益稀缺，變電站建設(shè)受用地規(guī)劃等各種外部條件限制的情況日益增多。建設(shè)單位對(duì)變電站進(jìn)一步朝集約化、小型化方向發(fā)展有了更強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)需求?；旌蠚怏w絕緣開關(guān)（hybrid gas insulation switchgear, HGIS）是一種緊湊型電氣設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與GIS基本相同，將除母線以外的設(shè)備，如斷路器(CB)、隔離開關(guān)(DS)、接地開關(guān)(ES)、快速接地開關(guān)(FES)、電流互感器(TA)等以單相方式全部封閉在一個(gè)可靠接地的鋁制金屬殼體內(nèi)，并充入一定壓力的SF6氣體作為導(dǎo)電體對(duì)地的主絕緣。

與同為緊湊型設(shè)備的GIS相比，HGIS有很多實(shí)用的功能性優(yōu)點(diǎn)，如擴(kuò)建方便，停電時(shí)間短；對(duì)土建基礎(chǔ)接口要求不高；間隔互換通用性強(qiáng)，擴(kuò)建時(shí)對(duì)廠家沒(méi)有特殊要求等。但是HGIS占地面積比GIS大，限制了其應(yīng)用范圍。為了發(fā)揮HGIS的眾多功能優(yōu)勢(shì)，值得對(duì)其布置進(jìn)行深入研究，為工程應(yīng)用提供一種新的選項(xiàng)[1]。

1 HGIS配電裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)（2011年版）中，220 kV變電站的HGIS方案共有3個(gè)基本方案，方案中220 kV均采用HGIS設(shè)備，110 kV均采用GIS設(shè)備。220 kV配電裝置的典型基本模塊為6線3變，雙母線接線，尺寸為Φ86 mm×55 m，其平斷面示意圖如圖1、圖2所示[2]。其主要特點(diǎn)有：1）HGIS采用雙列布置；2）2組母線構(gòu)架并列布置，進(jìn)、出線構(gòu)架獨(dú)立布置；3）線路側(cè)設(shè)置橫向運(yùn)輸?shù)缆?，間隔之間設(shè)置縱向的運(yùn)輸?shù)缆罚?）HGIS設(shè)備縱向尺寸按11.5 m控制。其主要指標(biāo)如下：間隔寬度12.5 m，配電裝置橫向距離86 m；母線相間距取3.5 m，兩組母線邊相管母距離6 m，配電裝置縱向尺寸為55.5 m。

圖1 220 kV配電裝置平面布置圖Fig.1 The layout of 220 kV power distribution unit

圖2 220 kV配電裝置斷面圖Fig.2 The profile of 220 kV power distribution unit

2 HGIS設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀

經(jīng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)HGIS設(shè)備有3種技術(shù)路線分別為GIS路線、罐式斷路器路線和國(guó)外引進(jìn)的PASS設(shè)備。GIS路線將GIS設(shè)備中的主母線取消，主回路中與母線連接的導(dǎo)體改為SF6充氣套管，該路線的代表廠家有上海思源和山東泰開。罐式斷路器路線則通過(guò)將罐式斷路器兩側(cè)增加隔離開關(guān)和SF6充氣套管形成，該路線的代表廠家為西安西電[3]。PASS為國(guó)外引進(jìn)設(shè)備，其代表廠家為ABB。上述各廠家的HGIS設(shè)備外形圖如圖3所示。

圖3 HGIS設(shè)備外形圖（單位：mm）Fig.3 The Outline drawing of HGIS(unit:mm)

表1為以上四種廠家的HGIS設(shè)備尺寸。

表1 四種廠家HGIS設(shè)備尺寸對(duì)比表Tab.1 The size Comparison table of 4 kinds of HGIS from different manufacturers

3 緊湊型配電裝置

根據(jù)HGIS應(yīng)用現(xiàn)狀和HGIS設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)HGIS的緊湊布置提出以下優(yōu)化思路。

1）HGIS設(shè)備的研發(fā)和制造經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已有長(zhǎng)足進(jìn)步。在單間隔縱向尺寸上，各廠家設(shè)備均較國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)的取值有較大優(yōu)化?？紤]縱向尺寸的取值，兼顧各制造廠家的通用性，取調(diào)研廠家尺寸中的最大值，即8 m。

2）設(shè)備縱向尺寸減少后，兩組HGIS設(shè)備外側(cè)套管的距離更近，進(jìn)出線構(gòu)架與母線構(gòu)架的距離更加接近，故提出將主變進(jìn)線構(gòu)架、出線構(gòu)架與母線構(gòu)架合并，形成一體化整體構(gòu)架。

3）原通用設(shè)計(jì)中運(yùn)輸?shù)缆吩O(shè)置過(guò)于復(fù)雜，3條縱向道路不僅增加了道路建設(shè)造價(jià)，也對(duì)橫向間隔尺寸優(yōu)化造成了障礙。采用一體化構(gòu)架后，考慮取消母線構(gòu)架中間的支柱，在母線下方增加1條橫向道路，與主變側(cè)橫向道路形成環(huán)形運(yùn)輸?shù)缆穂4]。

4）采用雙列布置。線路側(cè)布置6個(gè)出線間隔，主變側(cè)布置3個(gè)主變間隔與母聯(lián)、母設(shè)間隔。

5）HGIS配電裝置中各設(shè)備電氣上的距離很近，為充分利用避雷器的保護(hù)能力，考慮利用母線避雷器和線路避雷器來(lái)保護(hù)主變，取消主變進(jìn)線避雷器，該設(shè)想將在4.1節(jié)中進(jìn)行論證。

6）母線相間距離取3 m，可進(jìn)一步優(yōu)化斷面尺寸。優(yōu)化后通過(guò)感應(yīng)電壓計(jì)算，合理配置接地開關(guān)，確保母線檢修時(shí)的安全性，該設(shè)想將在4.3節(jié)中進(jìn)行論證。

通過(guò)以上優(yōu)化思路，得出的220 kV緊湊型HGIS配電裝置如圖4、圖5所示。

圖4 220 kV緊湊型HGIS配電裝置平面布置圖(單位：m)Fig.4 The layout of compact 220 kV power distribution unit

圖5 220 kV緊湊型HGIS配電裝置進(jìn)出線斷面圖（單位：m）Fig.5 The profile of compact 220 kV power distribution unit

緊湊型配電裝置的主要指標(biāo)如下：間隔寬度12 m，配電裝置橫向距離83 m；母線相間距取3 m，兩組母線邊相管母距離5.5 m，配電裝置縱向尺寸37 m，縱向尺寸較通用設(shè)計(jì)節(jié)省33%；配電裝置面積較通用設(shè)計(jì)節(jié)省35%。

4 緊湊布置的技術(shù)可靠性與合理性

針對(duì)優(yōu)化后的緊湊配電裝置，對(duì)雷電侵入波、空間電場(chǎng)、母線感應(yīng)電壓等進(jìn)行了仿真和計(jì)算，以驗(yàn)證方案的合理性。

4.1 雷電侵入波仿真

采用EMTP-ATP仿真軟件，對(duì)雷電、鐵塔、避雷器、HGIS、絕緣子串等相關(guān)電氣元件進(jìn)行建模分析，搭建相應(yīng)的仿真模型來(lái)模擬雷擊過(guò)電壓情況下變電站內(nèi)設(shè)備的過(guò)電壓水平，對(duì)過(guò)電壓波形與設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊絕緣水平進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證現(xiàn)有避雷器配置的合理性，仿真結(jié)果如下。

（1）雙母線并列運(yùn)行時(shí)，1回線路運(yùn)行，1臺(tái)變壓器運(yùn)行，各種情況下的仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 雙母線運(yùn)行時(shí)仿真結(jié)果 (單位：kV)Tab.2 The simulation result of double bus bar are in operation

根據(jù)雙母線運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果（表2）及220 kV主要電氣設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平（DL/T 5222-2005附錄B）可知：變電站220 kV側(cè)雙母線運(yùn)行時(shí)，變壓器側(cè)和IM、IIM母設(shè)避雷器均可以省略。

（2）單母線運(yùn)行時(shí)，各種情況下的仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)單母線運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果（表3）及220 kV主要電氣設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平（DL/T 5222-2005附錄B）可知，當(dāng)省略變壓器避雷器時(shí)，設(shè)備過(guò)電壓水平在耐受能力內(nèi)；當(dāng)省略變壓器和母線避雷器時(shí)，母線PT的過(guò)電壓水平超過(guò)了設(shè)備耐受能力的配合系數(shù)要求。

綜合以上兩種運(yùn)行方式的仿真結(jié)果可知，當(dāng)母線保留避雷器，取消主變避雷器時(shí)，各設(shè)備的過(guò)電壓水平均在設(shè)備耐受能力內(nèi)。

表3 單母線運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果 (單位：kV)Tab.3 The simulation result of single bus bar is in operation

4.2 空間電場(chǎng)強(qiáng)度仿真

采用COMSOL Multiphysics軟件，根據(jù)電場(chǎng)計(jì)算原理，利用有限元法，建立電場(chǎng)仿真模型并計(jì)算出線間隔外部電場(chǎng)強(qiáng)度。分析電場(chǎng)的分布規(guī)律，判斷是否符合電場(chǎng)曝露限值標(biāo)準(zhǔn)。220 kV配電裝置出線間隔縱向截面的電場(chǎng)分布如圖6所示，對(duì)地1.5 m高度處的電場(chǎng)分布如圖7所示。

圖6 HGIS設(shè)備出線間隔縱向斷面（A相）電場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of electric field in HGIS equipment outlet interval(A phase)

由圖6、圖7可以看到，該變電站220 kV出線側(cè)工頻電場(chǎng)強(qiáng)度大都處在3～10 kV/m之間，場(chǎng)強(qiáng)畸變集中在跨路管母下方，中間相線下方的場(chǎng)強(qiáng)值較邊相導(dǎo)線小。220 kV間隔內(nèi)對(duì)地1.5 m處的電場(chǎng)強(qiáng)度的控制主要針對(duì)跨路管母下方的區(qū)域。

由于電場(chǎng)云圖只能反應(yīng)電場(chǎng)分布的大致趨勢(shì)，故選取以下幾條對(duì)地1.5 m高的研究路徑來(lái)對(duì)電場(chǎng)分布趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，路徑與區(qū)域的選取如圖8所示。路徑1處于邊相導(dǎo)線（A相）正下方，路徑2橫穿跨路管母中間區(qū)域，分別用于研究邊相導(dǎo)線下方縱向走廊和兩個(gè)HGIS配電裝置之間的電場(chǎng)分布情況。兩條研究路徑上的電場(chǎng)分布曲線如圖9和圖10所示。

圖7 HGIS設(shè)備出線間隔對(duì)地1.5m處電場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of electric field at the outlet of HGIS equipment in the field of 1.5m

從計(jì)算結(jié)果可知，研究路徑上的最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在邊相（A相）跨路管母下方的檢修通道處，約為6.3 kV/m，小于DL/T 5352-2006中的要求值（10 kV/ m），滿足要求。

研究路徑上各相跨路管母下方的最大場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，如表4所示。

圖8 研究路徑選取圖Fig.8 The diagram of study path

圖9 路徑1電場(chǎng)分布曲線Fig.9 Electric field distribution curve of path 1

圖10 路徑2電場(chǎng)分布曲線Fig.10 Electric field distribution curve of path 2

表4 各研究區(qū)域的最大電場(chǎng)強(qiáng)度Tab.4 The table of maximum electric field strength of each study area

4.3 母線感應(yīng)電壓計(jì)算

兩組平行布置的母線，當(dāng)1組母線停電檢修時(shí)，作用在該母線上的電磁感應(yīng)電壓有2種類型：1）正常工況下的電磁感應(yīng)電壓：2）瞬時(shí)電磁感應(yīng)電壓。前者是由工作母線通過(guò)正常工作電流產(chǎn)生作用，是長(zhǎng)期的，后者是當(dāng)工作母線發(fā)生三相或單相接地短路故障造成的，其作用是瞬時(shí)的。接地開關(guān)的配置需要滿足當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)感應(yīng)時(shí)，確保檢修母線上工作人員的人身安全。根據(jù)《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]中相關(guān)公式的計(jì)算結(jié)果如表5～8所示。

表5 長(zhǎng)期電磁感應(yīng)電壓下最大接地開關(guān)距離Tab.5 Distance of maximum ground switch under longterm electromagnetic induction voltage

表6 短路電流30 kA時(shí)最大接地開關(guān)距離Tab.6 The distance of maximum ground switch for short circuit current 30 kA

表7 短路電流50 kA時(shí)最大接地開關(guān)距離Tab.7 The distance of maximum ground switch for short circuit current 50 kA

表8 開關(guān)切斷時(shí)間0.5 s時(shí)不同短路電流的最小安裝間距Tab.8 Minimum installation distance of different short circuit current when switching off time is 0.5 s

從以上計(jì)算結(jié)果，可以得到以下接地開關(guān)的配置原則：

（1）當(dāng)母線短路電流為18 kA時(shí)，考慮到斷路器切除三相、單相短路故障所需的時(shí)間，母線接地開關(guān)只需要安裝1個(gè)就能滿足要求，且接地刀開關(guān)可以放置在母線上任意位置處。

（2）當(dāng)母線短路電流為20 kA時(shí)，母線接地開關(guān)安裝一個(gè)就能滿足要求，接地開關(guān)距離母線端部的距離不超過(guò)66.1 m。

（3）當(dāng)母線短路電流為30 kA時(shí)，母線接地開關(guān)安裝一個(gè)就能滿足要求，如若考慮到斷路器的切斷時(shí)間為0.2 s，則接地開關(guān)距離母線端部不超過(guò)69.7 m；如若考慮到斷路器的切斷時(shí)間為0.5 s，則接地開關(guān)距離母線端部不超過(guò)44.1 m。

（4）當(dāng)母線短路電流為50 kA時(shí)，分為以下三種情況：a.斷路器的切斷時(shí)間如若為0.1 s，則母線接地開關(guān)只需安裝一個(gè)即可，且接地開關(guān)距離母線端部不超過(guò)59.1 m；b.斷路器的切斷時(shí)間若為0.15 s，則母線接地開關(guān)只需安裝一個(gè)，距離母線端部不超過(guò)48.3 m；c.當(dāng)斷路器的切斷時(shí)間為0.2 s時(shí)，母線接地開關(guān)只需安裝一個(gè)，距離母線端部不超過(guò)41.8 m；d.當(dāng)斷路器的切斷時(shí)間為0.5 s時(shí)，必須安裝兩個(gè)接地開關(guān)才能符合要求，兩接地開關(guān)的安裝間距不超過(guò)52.9 m，且距離母線端部的距離不超過(guò)26.4 m。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化，提出了一種220 kV小型化HGIS配電裝置，新方案有如下特點(diǎn)。

（1）與國(guó)網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化效果顯著,其中縱向尺寸節(jié)省33%，占地面積節(jié)省35%。（2）經(jīng)仿真研究，采取優(yōu)化措施后，新方案滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程的各項(xiàng)要求：a.取消主變進(jìn)線避雷器，保留母線和線路避雷器，各設(shè)備過(guò)電壓水平均在設(shè)備絕緣水平的裕度內(nèi)；b.配電裝置空間電場(chǎng)強(qiáng)度最大值在各相跨路管母下方，仿真值約為6.3 kV/m，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；c.接地開關(guān)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)短路電流情況靈活配置，當(dāng)短路電流不超過(guò)30 kA時(shí)，每組母線配1組接地開關(guān)即可滿足檢修安全要求。

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Northwest Electric Power Design Institute of water conservancyand electric power.Electricalengi?neering design manual[M].Beijing：China Electric Power Press,1989.

Research on the Compact Layout of Miniaturized 220 kV HGIS Equipment

YANG Guang1，F(xiàn)U Lei1，ZHU Ke2，CHENG Zihao1，ZHOU Shengzhi1
(1.Hubei Electric Engineering Corporation，Wuhan Hubei 430040，China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan Hubei 430077，China)

Aiming at the application status and functional characteristics of hybrid gas insulation switchgear(HGIS),a form of 220 kV compact power distribution device based on miniaturized HGIS equipment is proposed in this paper,and the optimization ideas and benefits of the power distribu?tion device are introduced.The power distribution device is verified through simulation in the light?ning invasion wave,the space electric field intensity,the technical rationality of bus voltage induc?tion and so on,which provides the basis for the application of the power distribution equipment.

miniaturized;hybrid gas insulation switchgear(HGIS);compact layout;lightning inva?sion wave;the space electric field;the technical rationality of bus voltage

TM642;TM862

A

1006-3986(2016)07-0006-07

10.19308/j.hep.2016.07.002

2016-06-05

楊 洸（1986），男，湖北京山人，工程師。