侯國柱

(內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

隨著內(nèi)蒙古電網(wǎng)第一座220 kV全戶內(nèi)變電站——烏海納林220 kV變電站于2016年投產(chǎn)，內(nèi)蒙古電網(wǎng)的全戶內(nèi)GIS變電站的建設(shè)進入了快車道。內(nèi)蒙古電網(wǎng)近幾年超過50%的新建220 kV及以下電壓等級變電站采用了全戶內(nèi)GIS的設(shè)計方案。全戶內(nèi)GIS變電站具有對外部環(huán)境友好、布置緊湊、占地面積小、設(shè)備全部封閉不受環(huán)境干擾、運行可靠方便、檢修維護工作量少、可靠性高等優(yōu)點。內(nèi)蒙古電網(wǎng)大量全戶內(nèi)GIS變電站的投運標志著內(nèi)蒙古電網(wǎng)建設(shè)水平站上了一個新臺階，不僅有利于電網(wǎng)安全可靠供電，還有利于節(jié)省變電站征地及減少社會矛盾。目前變電站設(shè)計參考的重要依據(jù)是國網(wǎng)和南網(wǎng)編制的“通用設(shè)計”，“通用設(shè)計”設(shè)置了一定的環(huán)境邊界條件，以國網(wǎng)“通用設(shè)計”為例，其環(huán)境邊界條件為：海拔1 000 m以下；地震動峰值加速度0.01g；設(shè)計風(fēng)速為30 m/s；地基承載力特征值fax=150 kPa；地下水無影響；國標III級(d級)污穢區(qū)。該環(huán)境條件可適應(yīng)國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)大部分地區(qū)的工程建設(shè)需要[1]。鑒于內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展水平和地理環(huán)境條件有別于“通用設(shè)計”設(shè)定的環(huán)境邊界條件，內(nèi)蒙古電網(wǎng)的全戶內(nèi)變電站設(shè)計方案相比國網(wǎng)和南網(wǎng)的通用設(shè)計方案有一定的地域特點。

1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)變電站建設(shè)條件

內(nèi)蒙古電網(wǎng)供電區(qū)域含自治區(qū)西部的六市二盟，包括呼和浩特市、包頭市、烏海市、阿拉善盟、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟。為了更深入地探討內(nèi)蒙古電網(wǎng)全戶內(nèi)變電站的特點，需先了解內(nèi)蒙古電網(wǎng)所處地域的社會發(fā)展情況和環(huán)境條件等電網(wǎng)建設(shè)條件。

1.1 經(jīng)濟發(fā)展對變電站選址的影響

內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在區(qū)域的呼和浩特市、包頭市和鄂爾多斯市共同構(gòu)成內(nèi)蒙古自治區(qū)黃河“金腰帶”上的“金三角”，經(jīng)濟發(fā)達，人口集中，工業(yè)和服務(wù)業(yè)增長迅猛，這些區(qū)域負荷集中，用電量增長較快。另外，以包頭石拐工業(yè)園區(qū)和烏蘭察布市察右中旗高載能工業(yè)園區(qū)為代表的工業(yè)園區(qū)成為了新的負荷增長點，近幾年負荷增長較快，電網(wǎng)加強和升級的需求旺盛。因此，近幾年越來越多的變電站選址集中于經(jīng)濟發(fā)展較快的城市周邊以及負荷增長較快的工業(yè)園區(qū)內(nèi)，這對變電站選址及方案設(shè)計提出了更高、更嚴苛的要求。

1.2 內(nèi)蒙古電網(wǎng)的污區(qū)分布情況

內(nèi)蒙古電網(wǎng)的e級污穢區(qū)主要集中在包頭、鄂爾多斯、烏海等幾個盟市，伴隨著工業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展，近幾年烏蘭察布市的重污穢區(qū)也在逐年增加?！秲?nèi)蒙古電力公司污區(qū)分布圖使用手冊》(2017年版)顯示：呼和浩特地區(qū)中南部、包頭地區(qū)南部、烏海地區(qū)中南部、巴彥淖爾地區(qū)中南部，以及鄂爾多斯地區(qū)、阿拉善地區(qū)和烏蘭察布地區(qū)工業(yè)發(fā)展較快的零星區(qū)域都廣泛分布著e級污穢區(qū)。相比“2011年版污區(qū)分布圖”，內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在區(qū)域e級污穢區(qū)范圍有明顯的擴大趨勢。這些重污穢區(qū)往往是電力需求比較旺盛的區(qū)域，在變電站選址階段無法做到完全避讓這些重污穢地區(qū)。因此，在e級污穢地區(qū)選址建設(shè)變電站已成為內(nèi)蒙古電網(wǎng)基建的新常態(tài)。

1.3 內(nèi)蒙古電網(wǎng)變電站站址海拔情況

內(nèi)蒙古自治區(qū)地貌以蒙古高原為主體，屬于海拔較高區(qū)域。內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在區(qū)域除了錫林郭勒盟部分地區(qū)海拔900 m左右外，其他地區(qū)海拔均高于1 000 m。內(nèi)蒙古電網(wǎng)變電站大部分都建在海拔高于1 000 m的地區(qū)。其中，巴彥淖爾市北部、包頭地區(qū)北部、呼和浩特地區(qū)北部和烏蘭察布市大部海拔都在1 500 m左右，這些區(qū)域廣泛分布著工業(yè)園區(qū)和廠礦企業(yè)，電網(wǎng)建設(shè)必不可少。目前內(nèi)蒙古電網(wǎng)已建的海拔最高的220 kV及以上電壓等級變電站為獲各琦220 kV變電站，海拔高度1 870 m。內(nèi)蒙古電網(wǎng)在變電站設(shè)計方案制定和設(shè)備選型時需要考慮高海拔的影響。

1.4 內(nèi)蒙古電網(wǎng)低溫環(huán)境條件

內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在區(qū)域各氣象資料對各盟市極端最低溫度統(tǒng)計如表1所示。

表1 內(nèi)蒙古部分盟市累年極端最低溫度統(tǒng)計表

由表1可以看出，內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在地區(qū)除了烏海市外，其它盟市都有極端溫度低于-35℃的地區(qū)存在。依據(jù)DL/T 5352《高壓配電裝置設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，SF6絕緣的電氣設(shè)備需要耐受極端最低溫度下的環(huán)境條件，“十八項反措”規(guī)定：用于低溫(年最低溫度為-30℃及以下)、日溫差超過25 K的GIS應(yīng)采用戶內(nèi)安裝方式。因此低溫環(huán)境條件是內(nèi)蒙古電網(wǎng)變電站采用戶內(nèi)設(shè)計的重要參考依據(jù)。

1.5 內(nèi)蒙古電網(wǎng)高地震烈度地區(qū)分布

依據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在區(qū)域8度地震烈度區(qū)分布廣泛。其中包括，呼和浩特市區(qū)及土左旗，包頭市市區(qū)及土右旗，烏海市，鄂爾多斯市的達拉特旗，巴彥淖爾市的烏拉特前旗、烏拉特中旗及烏拉特后旗，阿拉善盟的阿拉善左旗、阿拉善右旗。上述區(qū)域廣泛分布著基本地震動峰值加速度大于等于0.2g的8度及以上地震烈度區(qū)。因此，內(nèi)蒙古電網(wǎng)變電站選址及方案設(shè)計需考慮地震烈度的影響。

1.6 環(huán)境條件對變電站設(shè)計的影響

依據(jù)DL/T 5218—2012《220 kV～750 kV變電站設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，在大氣污穢嚴重、場地限制、高地震烈度、高海拔環(huán)境條件，以及城市區(qū)域變電站，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟論證，可采用氣體絕緣金屬封閉組合電器。同時，大氣重污穢地區(qū)，配電裝置可采用屋內(nèi)式。綜合上述環(huán)境條件，在內(nèi)蒙古部分區(qū)域適合建設(shè)全戶內(nèi)變電站。基于內(nèi)蒙古電網(wǎng)發(fā)展情況和地理環(huán)境特點，在全戶內(nèi)變電站設(shè)計過程中形成了區(qū)別于國網(wǎng)和南網(wǎng)“通用設(shè)計”的設(shè)計方案。

2 GIS配電室布置的特點

2.1 GIS布置樓層

GIS設(shè)備戶內(nèi)布置時，為了壓縮變電站占地面積，經(jīng)常采用多層建筑結(jié)構(gòu)。國網(wǎng)通用設(shè)計就采用了將GIS布置在了建筑二層的方案。GIS作為變電站內(nèi)的重要電氣設(shè)備，按照GB 50556—2010《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》要求，“樓層設(shè)備的地震作用為地面設(shè)備地震作用的兩倍”。因此，GIS布置在建筑二層不利于抗震，布置在建筑一層的設(shè)計方案具有較好的抗震性能。內(nèi)蒙古電網(wǎng)的所在區(qū)域中變電站建設(shè)需求旺盛的呼包鄂等地區(qū)與內(nèi)蒙古西部的8級及以上地震烈度區(qū)的含蓋范圍高度重合，因此在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的全戶內(nèi)變電站大部分都采用了220 kV和110 kV GIS設(shè)備布置在建筑一層的設(shè)計方案。GIS布置在建筑一層的方案適用于內(nèi)蒙古電網(wǎng)高地震烈度區(qū)的全戶內(nèi)變電站設(shè)計[2]。

2.2 GIS配電室的設(shè)計

通常，220 kV戶內(nèi)GIS間隔寬度(本體)按照2.2 m考慮，間隔縱向距離6.9 m(不包含控制柜)，配電室縱向?qū)挾?2.5 m。戶內(nèi)GIS設(shè)備室內(nèi)運輸采用墊滾杠拖拽或氣墊運輸?shù)姆绞?，主要部件采用電動葫蘆或行車的方式進行設(shè)備吊裝，最大起吊重量不大于10 t，配電室高度按吊裝和試驗考慮，室內(nèi)吊鉤凈高不小于8 m。110 kV戶內(nèi)GIS間隔寬度(本體)宜按照0.8 m考慮，兩間隔間距1.2 m，間隔縱向距離5.2 m(不包含控制柜)，配電室縱向?qū)挾?0 m。戶內(nèi)GIS設(shè)備室內(nèi)運輸采用墊滾杠拖拽或氣墊運輸?shù)姆绞竭M入室內(nèi)，吊裝設(shè)備就位，最大起吊重量不大于5 t，配電室高度按吊裝和試驗考慮，室內(nèi)吊鉤凈高不小于6.5 m。近期內(nèi)蒙古電網(wǎng)全戶內(nèi)GIS變電站采用了220 kV GIS與110 kV GIS共用一個配電室的方案，由于該方案220 kV配電裝置和110 kV配電裝置共用一個運維通道，可節(jié)省配電室寬度1 m。如圖1所示，220 kV GIS與110 kV GIS共用一個配電室具有一定優(yōu)勢，已在內(nèi)蒙古電網(wǎng)推廣。

圖1 220 kV、110 kV GIS配電室平面布置圖

3 主變壓器布置的特點

3.1 主變散熱器的布置方式

內(nèi)蒙古電網(wǎng)110 kV全戶內(nèi)GIS變電站遠期規(guī)模一般設(shè)置2臺或3臺容量63 MVA、油浸自冷式主變壓器。220 kV全戶內(nèi)GIS變電站遠期規(guī)模一般設(shè)置3臺180 MVA油浸自冷式主變壓器或3臺240 MVA油浸風(fēng)冷式主變壓器。按照主變散熱器的結(jié)構(gòu)分類，主變壓器可分為散熱器與主變本體“一體式”和散熱器與主變本體水平“分體式”兩種結(jié)構(gòu)。內(nèi)蒙古電網(wǎng)已投運的變電站中，這兩種變壓器結(jié)構(gòu)均有采用。如海亮110 kV變電站、棉紡110 kV變電站等采用了“一體式”結(jié)構(gòu)(如圖2所示)；呼和浩特萬達110 kV變電站、烏海納林220 kV變電站等則采用了“分體式”結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。

圖2 “一體式”主變壓器平面布置

圖3 “分體式”主變壓器平面布置

“一體式”和“分體式”各有利弊，“一體式”結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是節(jié)省占地，以110 kV、3×63 MVA規(guī)模主變?yōu)槔?，一個“一體式”主變壓器室的跨度可比“分體式”變壓器室加散熱器室節(jié)省大約2.7 m，3臺主變共節(jié)省約300 m3建筑體積，在節(jié)省建筑體積方面優(yōu)勢明顯。但一體式布置時，主變壓器的通風(fēng)散熱和噪音治理是一對矛盾體，通風(fēng)散熱良好的變壓器室往往噪音控制差一些，很難兼顧，用在通風(fēng)設(shè)施和降噪的費用比較大。變壓器“分體式”布置是將散熱器布置在了通風(fēng)條件較好的散熱器室，這有利于變壓器散熱。一般變壓器本體發(fā)熱量只占變壓器發(fā)熱量的約10%，如果將變壓器本體布置在戶內(nèi)，散熱器分體布置在戶外，則變壓器所產(chǎn)生的總熱量的約90%將由散熱器帶走，獨立的變壓器散熱器室更方便設(shè)置進、出風(fēng)道，變壓器室內(nèi)需由通風(fēng)系統(tǒng)帶走的熱量將不大于10%，可大大減少主變壓器室用于通風(fēng)散熱的風(fēng)機的功率，同時也有利于噪聲控制。分體式布置降低了通風(fēng)、降噪設(shè)備的投資及運行費用，符合變電站全壽命周期管理的理念，目前在內(nèi)蒙古電網(wǎng)大力推廣[3]。

3.2 主變壓器與GIS的連接方式

全戶內(nèi)變電站的主變進線方案是設(shè)計過程中的重點和難點。110 kV全戶內(nèi)GIS變電站GIS與主變的連接通常采用架空導(dǎo)線連接方式。220 kV全戶內(nèi)GIS變電站個別布置方案中GIS主變進線套管可伸入到主變壓器室時，采用架空連接或油氣套管外，除此之外的絕大多數(shù)布置方案采用電纜連接方式。GIS與主變電纜連接分為兩種方式，一種是插拔式電纜終端連接方式(如圖4所示)，另一種是電纜終端通過架空導(dǎo)線與主變套管連接的方式(如圖5所示)。

圖4 插拔式電纜頭與主變連接方式安裝圖

圖5 電纜終端通過導(dǎo)線與主變套管連接方式安裝圖

國網(wǎng)通用設(shè)計(2017版)220 kV部分的A2-1、A2-2、A2-4、A2-5設(shè)計方案中GIS與主變連接方式兩種方式都有采用[4]。插拔式電纜終端連接的方式具有節(jié)省安裝空間的優(yōu)點，相較于架空導(dǎo)線連接方式，其變壓器室寬度可縮小約2 m，變壓器室凈高可縮小約1 m。但是該方案缺點是在投運后的試驗方面有一定缺陷。對于插拔式電纜終端連接的變壓器，對其做預(yù)防性試驗時需要購置專用的試驗套管，試驗時將連接變壓器的插拔式電纜頭拔出后，插入專用試驗套管進行試驗。由于此試驗方法拆裝難度大，在安裝試驗套管和回復(fù)變壓器與電纜頭連接時，需要較長停電時間。給后期的運行維護帶來不便[5]。與之相比，電纜終端通過架空導(dǎo)線與主變套管連接的方式的優(yōu)點是方便后期運維和試驗，由于電纜頭與主變套管通過架空導(dǎo)線連接，變壓器試驗時解開架空導(dǎo)線即可完成相關(guān)試驗，試驗步驟與常規(guī)戶外變壓器無異，停電時間短。其缺點是布置電纜頭支架需增加變壓器室寬度，變壓器配帶高中壓套管會增加變壓器室凈空高度，該方式下變壓器室建筑體積較大，經(jīng)濟性差。內(nèi)蒙古電網(wǎng)已投產(chǎn)的烏海納林220 kV變電站、攸攸板220 kV變電站和金海工業(yè)園220 kV變電站都采用插拔式電纜終端的連接方式。由于后期試驗復(fù)雜，給生產(chǎn)運行單位帶來不便，近期內(nèi)蒙古電網(wǎng)的220 kV全戶內(nèi)GIS變電站不再采用該方案，基本都采用了電纜終端通過架空導(dǎo)線與主變套管連接的方案。

4 結(jié)語

全戶內(nèi)變電站采用小型化、組合型設(shè)備，立體化布置，配合電纜進出線和二次設(shè)備智能化的設(shè)計，不但能解決環(huán)境協(xié)調(diào)問題，提高土地資源利用率，還可以提高變電站運行可靠性及減少運維工作量，必將為電網(wǎng)建設(shè)發(fā)揮越來越重要的作用。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)所在區(qū)域的部分地區(qū)具有環(huán)境溫度較低、海拔高度較高、地震烈度較高、污穢較嚴重等環(huán)境特點，設(shè)計全戶內(nèi)變電站時應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件，因地制宜，選擇合適的設(shè)計方案。