楊　洋，李祥飛，王　星

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007 ；2. 衡陽雁能電力勘探設(shè)計(jì)咨詢有限公司，湖南 衡陽 421000）

株洲茶陵城關(guān)110 kV變電站優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊洋1，李祥飛1，王星2

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007 ；2. 衡陽雁能電力勘探設(shè)計(jì)咨詢有限公司，湖南 衡陽 421000）

按照資源型、環(huán)境友好型、工業(yè)化的智能變電站的要求，針對(duì)湖南省株洲市茶陵城關(guān)110 kV變電站站址特點(diǎn)進(jìn)行了變電站優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化方案主要從總平面布置和設(shè)備選型優(yōu)化方面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且與常規(guī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比。通過計(jì)算，變電站總用地為常規(guī)方案的53.39%，靜態(tài)投資相對(duì)常規(guī)方案減少了20.30%，優(yōu)化方案不僅完成了變電站緊湊化布置而且節(jié)省了投資費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了變電站優(yōu)化。

變電站優(yōu)化；變電站緊湊化布置；設(shè)備選型優(yōu)化

0　引言

為了滿足國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)對(duì)電力的需求，我國(guó)電力工業(yè)在不斷地高速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，同時(shí)也為電力工程設(shè)計(jì)人員提出了一些問題，比如，由于變電站深入負(fù)荷中心所造成的占地問題、環(huán)境兼容等問題［1-2］。作為我國(guó)輸配線路組成的一部分，110 kV網(wǎng)架扮演著非常重要的角色，隨著110 kV等級(jí)網(wǎng)架的逐步完善，110 kV變電站規(guī)模急劇增加。提出合理利用土地面積且高質(zhì)量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案變得越來越重要，所以對(duì)110 kV變電站的優(yōu)化勢(shì)在必行。本文在參照通用設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，結(jié)合株洲市茶陵縣城關(guān)110 kV變電站的特點(diǎn)，提出了變電站平面布置優(yōu)化方案以及相應(yīng)設(shè)備選型方案。通過與通用方案在設(shè)計(jì)用地面積以及其它技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了該變電站優(yōu)化。

1　變電站總平面布置優(yōu)化

平面布置是變電站設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，是變電站可靠性、節(jié)省造價(jià)的體現(xiàn)［3］。平面優(yōu)化布置主要依照站址特點(diǎn)、出線情況及電氣主接線等方面的要求，提出既能合理利用土地資源又符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的方案。

1.1站址基本信息與工程建設(shè)規(guī)模

茶陵城關(guān)110 kV變電站站址位于湖南省茶陵縣南部下東鄉(xiāng)孟溪村一組，在茶陵縣城南側(cè)約3 km處，地處茶陵經(jīng)濟(jì)開發(fā)園區(qū)中部。其所處地形為丘陵地形，由北至南地勢(shì)逐漸增高，最大高差達(dá)11 m左右，站址土地為茶陵經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)規(guī)劃建設(shè)用地，現(xiàn)使用權(quán)歸當(dāng)?shù)卮褰M集體所有。站址以北70 m處有工業(yè)園區(qū)內(nèi)主干道，現(xiàn)有一條村用道路由主干道經(jīng)過站址，該道路為混凝土路面，路面寬度4 m。變電站的建設(shè)規(guī)模如表1所示。

表1　建設(shè)規(guī)模一覽表Table 1　A list of construction scale

1.2常規(guī)與優(yōu)化方案平面布置的對(duì)比

常規(guī)設(shè)計(jì)方案采用國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)《110（66）～220 kV智能變電站施工圖設(shè)計(jì)》中110-A-1方案［4］。變電站圍墻內(nèi)尺寸為61.2 m× 62.9 m=3 850 m2，變電站110 kV向北向出線，35 kV向東向出線，10 kV由電纜經(jīng)電纜溝向南向出線至站外，如圖1所示。

圖1　常規(guī)設(shè)計(jì)的總平面圖Fig. 1　Conventional design before optimization

優(yōu)化方案中110 kV配電裝置采用戶外HGIS（half gas insulated switchgear）設(shè)備單列布置進(jìn)行優(yōu)化，35，10 kV配電裝置采用預(yù)制艙，主變位于110 kV配電裝置與10 kV預(yù)制艙之間，10 kV電容補(bǔ)償裝置采用箱式電容器戶外布置，布置于35 kV預(yù)制艙東側(cè)。變電站圍墻內(nèi)尺寸為79.0 m×37.6 m=2 861 m2，優(yōu)化后的布置圖如圖2所示。

圖2　優(yōu)化后的總平面圖Fig. 2　A general layout after optimization

站址所在用地為非城區(qū)用地，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)建議不考慮采用全戶內(nèi)或半戶內(nèi)方案，而采用戶外布置方案，站址地形為丘陵地形，由北至南地勢(shì)逐漸增高，最大高差達(dá)11 m左右，東西向較寬敞平緩，有94 m。

本次優(yōu)化充分考慮地形實(shí)際情況，將站區(qū)設(shè)計(jì)為東西向長(zhǎng)、南北向短的設(shè)計(jì)方案，避開站址南側(cè)山包，減少土石方開挖工程量，如圖3所示。因此，本站110 kV配電裝置采用HGIS單列布置，極大地壓縮了南北向尺寸，節(jié)約了占地面積。此外，站址西南角地形高差較大，為盡可能地減少土石方開挖及擋墻、護(hù)坡等工程量，本次優(yōu)化在滿足本工程需要的同時(shí)，壓縮了西側(cè)南北方向尺寸，站區(qū)西側(cè)南北向尺寸為29 m。

圖3　土石方開挖工程量前后對(duì)比圖Fig. 3　A comparison graph of earthwork excavation volumes

常規(guī)方案總土石方工程量為6 806 m3，檔墻體積為80 m3，建筑面積為450 m2。

在優(yōu)化方案中，變電站總用地為3 292 m2；圍墻內(nèi)占地面積為2 861 m2；進(jìn)站道路長(zhǎng)24 m，總土石方工程量為2 137 m3，檔墻體積為0 m3；建筑面積為22.6 m2。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，采用110 kV戶外HGIS設(shè)備單列布置，極大地壓縮了站內(nèi)南北向尺寸，避開了南側(cè)山包，大大減少了站區(qū)檔墻及護(hù)坡工程量，從而減少了變電站總占地面積，減少了土石方開挖工程量；35，10 kV設(shè)備采用預(yù)制艙，極大減少了現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，提高了機(jī)械化施工范圍，減少現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力投入，縮短建設(shè)施工周期，降低現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了工程建設(shè)質(zhì)量、工藝水平。表2為變電站總平面布置的主要技術(shù)指標(biāo)。由表2可知，優(yōu)化方案較常規(guī)設(shè)計(jì)方案節(jié)省了225萬元的投資。優(yōu)化方案的電氣總平面布置圖如圖4所示。

表2　變電站總平面布置主要技術(shù)指標(biāo)Table 2　Major technical indicators for a general layout of substations

圖4　優(yōu)化后的電氣總平面布置圖Fig. 4　An optimized general electrical layout plan

2　設(shè)備選型優(yōu)化

新一代的智能變電站的設(shè)計(jì)原則是“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)保、支撐調(diào)控一體”［5］。在電氣平面布置中，設(shè)備尺寸是影響變電站占地面積的決定性因素之一，所以設(shè)備選型優(yōu)化顯得尤為重要。

2.1110 kV 設(shè)備優(yōu)化

設(shè)計(jì)者常常根據(jù)地理位置以及人口稠密情況進(jìn)行分析，選取最佳的110 kV變電站110 kV等級(jí)設(shè)備。常規(guī)設(shè)計(jì)模塊劃分合理，接口靈活方便，組合方案多樣，體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，減少占地、注重環(huán)保［6］。由于110 kV敞開式電氣設(shè)備生產(chǎn)水平較為成熟，且工程上對(duì)GIS（gas insulation switch）設(shè)備有著嚴(yán)格控制要求，所以常規(guī)設(shè)計(jì)方案中，110 kV設(shè)備采用常規(guī)AIS（air insulated substation）設(shè)備戶外布置，110 kV配電裝置區(qū)尺寸為61.2 m×32.4 m。雖然戶外常規(guī)設(shè)備具有價(jià)格低廉、制造技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但是其占地面積太大，且戶外操作繁復(fù)，維護(hù)工作量大，由于其主要組部件均裸露于自然環(huán)境中，設(shè)備銹蝕快，導(dǎo)致設(shè)備全壽命周期成本高。

在優(yōu)化方案中，110 kV配電設(shè)備選用戶外半封閉緊湊型組合電器（HGIS）設(shè)備，110 kV配電裝置區(qū)尺寸為17 m×79 m，為常規(guī)方案面積的67.7%。HGIS是將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器等裝置組合封閉在接地且充滿一定要求壓力的SF6（六氟化硫）氣體的金屬殼體中。其主要適用于三相交流50 Hz，額定電壓為72.5～126 kV電力系統(tǒng)中，具有開斷及關(guān)合線路負(fù)載電流與短路電流，進(jìn)行電力線路的聯(lián)絡(luò)、切換、控制、測(cè)量、系統(tǒng)調(diào)節(jié)以及線路和設(shè)備檢修時(shí)的安全隔離功能［7］。圖5為半封閉緊湊型組合電器示意圖。

圖5　半封閉緊湊型組合電器Fig. 5　Half gas insulated switchgear

HGIS既具有氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、運(yùn)行維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)，又具有空氣絕緣開關(guān)設(shè)備（AIS）價(jià)格低、檢修方便靈活的優(yōu)點(diǎn)。HGIS與GIS的主要區(qū)別在于：GIS把整個(gè)變電站的一次設(shè)備集成在充滿SF6氣體的金屬殼體中，因此集成度過高，只要設(shè)備中一個(gè)元件出現(xiàn)問題就會(huì)容易造成其他設(shè)備的聯(lián)動(dòng)性影響，使得變電站無法正常運(yùn)行。如果變電站又處在主干網(wǎng)上，則很容易造成大面積停電甚至失步，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)和生活。GIS設(shè)備雖然提高了一體化但也增加了維修的難度，即維修問題器件的同時(shí)還要盡可能地避免失誤造成其他器件的損壞。而HGIS把電流互感器、電壓互感器、斷路器、接地開關(guān)以及隔離開關(guān)根據(jù)設(shè)計(jì)需求放在不同的充滿SF6密封艙中組成一個(gè)模塊，每一個(gè)模塊獨(dú)立于其中模塊，有較高的可靠性和靈活性［8］。如果設(shè)備出現(xiàn)問題，只要在HGIS中找到問題設(shè)備所在的模塊進(jìn)行更換即可，這樣既快速地處理了問題設(shè)備同時(shí)又不會(huì)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，維修時(shí)間也將大大地減小。

HGIS的工程造價(jià)比敞開式設(shè)備價(jià)格多出兩百多萬元，所以在設(shè)計(jì)中到底采取什么樣的裝置方案，必須結(jié)合技術(shù)，比較采取方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使其既要節(jié)省投資又要縮小占地面積。從之前的總平面布置的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，采用HGIS是最佳方案［9］。

2.210，35kV設(shè)備優(yōu)化

在常規(guī)設(shè)計(jì)中，10，35 kV設(shè)備采用戶內(nèi)SF6充氣式固定開關(guān)柜戶內(nèi)布置。文獻(xiàn)［10］的優(yōu)化方案也是使用智能環(huán)境友好型金屬封閉式開關(guān)柜，其特點(diǎn)是占地面積小、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、成本低。根據(jù)實(shí)地計(jì)算，在10 kV設(shè)備采用戶內(nèi)金屬鎧裝中置式開關(guān)柜戶內(nèi)布置，它們的占地面積分別為15.8 m×5.7 m、32.4 m× 6.0 m。而優(yōu)化方案中，35，10 kV設(shè)備采用預(yù)制艙式組合設(shè)備，它們的占地面積分別為14.58 m×3.86 m、29.27 m×4.10 m，與常規(guī)方案比較，分別為常規(guī)方案的62.5%， 61.7%。預(yù)制艙的布置如圖6所示。

圖6　預(yù)制艙式配電室布置Fig. 6　A layout of prefabricated-cabin-style power distribution rooms

35，10 kV預(yù)制艙式的結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、強(qiáng)度高、運(yùn)輸安裝方便。一般的箱體是由鋼板做支架鋪以FC（fiber cement）板等構(gòu)成即金屬性艙體，但是該箱體外墻材料采用金邦板，它是以水泥、粉煤灰、硅粉等非金屬為主要原料，加入復(fù)合抗堿纖維，經(jīng)真空高壓噴模具成型組裝一體化，整個(gè)箱體的基本承重框架用高強(qiáng)度型鋼（工字鋼）組成的骨架構(gòu)成相對(duì)于金屬性預(yù)制艙室其具有更強(qiáng)的抗熱抗風(fēng)性適用壽命更長(zhǎng)［11］。預(yù)制艙式配電室采用現(xiàn)場(chǎng)干式施工，沒有污染，鋼材可完全回收再利用，預(yù)制艙板材也可回收再利用［12］。

預(yù)制艙是國(guó)家電網(wǎng)在新一代智能電網(wǎng)建設(shè)過程中取得的重大成果，它的使用帶動(dòng)了組合二次設(shè)備的一次創(chuàng)新與革命。預(yù)制艙式組合設(shè)備不僅具有倉儲(chǔ)、運(yùn)輸上的便利優(yōu)勢(shì)，大大縮短了變電站土建和電氣安裝的建設(shè)工期，又能保證變電站的工程質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。

2.310 kV電容器優(yōu)化

在常規(guī)方案中，10 kV電容器采用戶外框架裝式電容器，傳統(tǒng)戶外框架式電容器占地面積大，特別是電抗器采用品型安裝后，占地面積進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)戶外框架式電容器長(zhǎng)期裸露于空氣中，不利于防塵、防腐、防潮，縮短了設(shè)備使用壽命。

在優(yōu)化方案中，10 kV電容器采用了箱式電容器。如圖7所示。

圖7　箱式電容器Fig. 7　A tank capacitor

箱式電容器是在集合式電容器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種電容器，其結(jié)構(gòu)與集合式主要的不同是內(nèi)部的單元電容器沒有外殼，單元電容直接浸入絕緣油中，排除了單元電容器擊穿電容器外殼的可能性，提高了使用的可靠性［13］。此類電容器用油量也較少，相對(duì)于別的同級(jí)集合式電容器重量減輕30%左右，在比特性、制造成本、消耗金屬材料、冷卻介質(zhì)以及重量等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上均優(yōu)于集合式電容器。

箱式電容器心子由若干個(gè)元件串并聯(lián)組成，元件在產(chǎn)品中立放布置，每個(gè)元件均帶有內(nèi)熔絲，采用新型內(nèi)熔絲技術(shù)，其特點(diǎn)是將內(nèi)熔絲放在元件之間，熔絲與熔絲完全隔離，一根熔絲的熔斷是在絕熱狀態(tài)下進(jìn)行的，不會(huì)影響到相鄰?fù)旰玫娜劢z，既可以防止群爆或誤動(dòng)作現(xiàn)象，又防止了熔絲動(dòng)作對(duì)絕緣油的污染。該產(chǎn)品占地面積少，免維護(hù)，防塵、防腐、防潮、防火性能好，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)。

3　結(jié)論

綜上所述，課題組通過對(duì)變電站總平面布置進(jìn)行了優(yōu)化研究，合理選擇設(shè)備，并結(jié)合現(xiàn)有站址實(shí)際地形條件，形成了最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)平面布置方案。

優(yōu)化后，變電站采用戶外HGIS設(shè)備單列布置，110 kV母線采用支撐式硬管母，壓縮南北向尺寸，站內(nèi)道路采用L型布置方案，縮短站內(nèi)道路面積；10 kV電容器采用箱式電容器，減少占地面積，提高設(shè)備防塵、防腐、防潮、防火性能，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。10，35 kV配電裝置及主控室采用預(yù)制艙組合設(shè)備，減少占地面積，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，減少現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力投入，設(shè)備費(fèi)用相比常規(guī)設(shè)計(jì)減少了8萬元，縮短建設(shè)施工周期，降低現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高機(jī)械化施工范圍，提高工程建設(shè)質(zhì)量，工藝水平。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表3所示。

表3　 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比Table 3　A comparison between technical and economic indicators　萬元

整個(gè)站區(qū)布置緊湊，形狀為矩形，長(zhǎng)為79.0 m，寬為37.6 m，變電站總用地3 292 m2為常規(guī)方案的53.39% ；圍墻內(nèi)占地面積2 861 m2為優(yōu)化方案的74.31% ；進(jìn)站道路24 m，為常規(guī)方案的52.17%；總土石方工程量2 137 m3，為常規(guī)方案的31.40%；檔墻體積0 m3；建筑面積22.6 m2，為常規(guī)方案的5.00%；施工周期為3個(gè)月，較一般變電站建設(shè)周期縮短了三分之二。從表3可以看出優(yōu)化后的靜態(tài)投資比常規(guī)設(shè)計(jì)節(jié)省了473 萬元，減少了20.30%。該優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足了資源型、環(huán)境友好型、工業(yè)化的要求，即減少了用地面積又降低了投資費(fèi)用，為其他類似的工程提供了很好的借鑒。

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（責(zé)任編輯：申劍）

Optimized Design of 110 kV Substations in Chengguan District of Chaling County

YANG Yang1，LI Xiangfei1，WANG Xing2
（1. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Yanneng Electric Power Exploration and Design Consultation Co.， Ltd.，Hengyang Hunan 421000，China）

An optimized design， in accordance with the standards as required by resource-based， environmentfriendly and industrialized intelligence substations， has been made of 110 kV substations in Chengguan District of Chaling County. This optimized method mainly involves an improved design of the overall layout and device selection optimization，followed by a comparison between characteristics of the improved design and the conventional one. By calculation， the gross floor area for the improved design accounts for only 53.39% of what the conventional design requires， and reduces the static investment by 20.30% correspondingly. The optimized method fulfills the compact layout as well as decreases the investment cost， thus ultimately achieving the goal of the substation optimization.

substation optimization ；a compact layout for substations ；equipment selection optimization

TM63

A

1673-9833（2016）03-0037-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.03.007

2016-02-05

楊洋（1991-），男，湖南耒陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏W(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：553801884@qq.com

王星（1984-），男，湖南衡陽人，湖南衡陽雁能電力勘探設(shè)計(jì)咨詢有限公司助理工程師，主要研究方向?yàn)樽冸娬疽淮卧O(shè)計(jì)，E-mail：270579896@qq.com