洪志鵬

3/2隔離開(kāi)關(guān)（雙斷口）母線環(huán)形接線研究與應(yīng)用分析

洪志鵬

（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都 610041）

針對(duì)雙母線接線開(kāi)關(guān)元件偏多的問(wèn)題，受3/2斷路器接線啟發(fā)，本文提出3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線。在雙母線接線的氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)（GIS）設(shè)備擴(kuò)建中，做交流耐壓試驗(yàn)時(shí)要停雙母線，本文引入雙斷口隔離開(kāi)關(guān)，即采用一種全新的3/2隔離開(kāi)關(guān)（雙斷口）母線環(huán)形接線，實(shí)現(xiàn)原運(yùn)行線路不停電擴(kuò)建。

3/2隔離開(kāi)關(guān)；雙斷口；停電檢修；可靠性評(píng)估分析

0 引言

220kV電壓等級(jí)通常采用雙母線或雙母線分段接線方式，此接線方式開(kāi)關(guān)元件偏多，不能實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)荷的靈活分配及同名回路布置在不同段母線的要求，檢修可靠性及調(diào)度靈活性偏弱；同時(shí)雙母線接線的氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)（gas insulated switchgear, GIS）[1]設(shè)備擴(kuò)建時(shí)，在做交流耐壓試驗(yàn)時(shí)要停母線，為此引入雙斷口隔離開(kāi)關(guān)解決停雙母線的問(wèn)題。

1 原因分析

采用SSRE-TH軟件進(jìn)行3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線可靠性評(píng)估[2]。

1.1 接線形式分析比較

根據(jù)DL/T 5218—2012《220kV～750kV變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定[3]，220kV變電站中的220kV配電裝置，當(dāng)出線和變壓器等連接元件總數(shù)為15回及以上時(shí)，宜采用雙母雙分段接線。例如變電站220kV配電裝置最終進(jìn)出線20回，220kV配電裝置采用雙母雙分段接線，對(duì)應(yīng)電氣主接線如圖1所示。

本文提出一種全新接線形式，采用四段母線環(huán)形接線，進(jìn)（出）線通過(guò)3組隔離開(kāi)關(guān)與母線聯(lián)絡(luò)，類似于3/2斷路器接線。220kV 3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線示意圖如圖2所示。

1.2 靈敏度分析

單串3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線示意圖如圖3所示。具體分析如下：正常運(yùn)行時(shí)，中隔離開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，Ⅰ母帶出線1，Ⅱ母帶出線2，當(dāng)出線1檢修或故障時(shí)，出線1斷路器斷開(kāi)，靠Ⅰ母隔離開(kāi)關(guān)拉開(kāi)，Ⅰ母不停電，出線2及Ⅱ母均可不停電，可實(shí)現(xiàn)同名回路不同時(shí)停電檢修，當(dāng)出線2檢修或故障時(shí)同理。

圖1 220kV雙母線雙分段接線示意圖

圖2 220kV 3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線示意圖

圖3 單串3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線示意圖

當(dāng)任何一段母線檢修或故障時(shí)，檢修母線或故障母線上的回路短時(shí)停電，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線和雙母線雙分段一樣，可以通過(guò)母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)分閘和轉(zhuǎn)移隔離開(kāi)關(guān)合閘來(lái)實(shí)現(xiàn)倒閘操作，將檢修母線或故障母線上的回路轉(zhuǎn)移到運(yùn)行母線上恢復(fù)供電。

當(dāng)出線1擴(kuò)建時(shí)，靠Ⅰ母邊隔離開(kāi)關(guān)前期上齊，處于常開(kāi)狀態(tài)，考慮擴(kuò)建做交流耐壓試驗(yàn)，Ⅰ母要停電，串內(nèi)出線2要停電，Ⅱ母可帶電，其他接在Ⅰ母的出線可通過(guò)中隔離開(kāi)關(guān)倒閘至另外一段母線運(yùn)行，當(dāng)出線2擴(kuò)建時(shí)同理；雙母線雙分段在擴(kuò)建出線時(shí)，待擴(kuò)建段出線上的雙母線均要停電，因此，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線優(yōu)于雙母線雙分段接線。

綜上可知，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線比雙母線雙分段接線的檢修及調(diào)度靈活性更好。

1.3 分析計(jì)算

1）計(jì)算條件[4-6]

（1）復(fù)雜斷路器模型，考慮開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)及線路、機(jī)組故障率對(duì)其可靠性數(shù)據(jù)的影響。

（2）斷路器故障判定時(shí)間為0.5h。

（3）隔離開(kāi)關(guān)重合閘時(shí)間為0.1h。

（4）斷路器拒動(dòng)和繼電保護(hù)誤動(dòng)概率為0.5%。

（5）斷路器操作次數(shù)為24次/年。

（6）進(jìn)線側(cè)操作次數(shù)為24次/年。

（7）線路平均長(zhǎng)度為240km。

（8）線路故障率為0.133 4次/（百km·年）。

2）計(jì)算原始數(shù)據(jù)

計(jì)算時(shí)選擇設(shè)備可靠性參數(shù)的基本思路是：確定變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、架空線、母線等5類數(shù)據(jù)的5個(gè)基本參數(shù)，即主動(dòng)性故障率、平均修復(fù)時(shí)間、檢修率、檢修平均時(shí)間、元件價(jià)格。

220kV設(shè)備采用GIS設(shè)備，采用GIS元件可靠性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算用元件可靠性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算用元件可靠性參數(shù)

3）電氣主接線評(píng)估指標(biāo)

（1）可靠性指標(biāo)

故障概率、停電頻率、期望故障受阻電能是關(guān)注度比較高的三個(gè)指標(biāo)，分別反映了故障頻次的多少、停電時(shí)間的長(zhǎng)短及造成停電損失的大小。可靠性指標(biāo)見(jiàn)表2。

（2）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

靜態(tài)總投資：電氣設(shè)備投資費(fèi)用的總和。根據(jù)用戶要求可選擇現(xiàn)值或等年值。設(shè)備投資等年值的計(jì)算公式為

式中：0為設(shè)備投資；0為投資收益率；為評(píng)估年限。

表2 可靠性指標(biāo)

運(yùn)行費(fèi)用：包括電能損失、檢修、維護(hù)、折舊費(fèi)等，可按投資額的比率計(jì)算或根據(jù)實(shí)際工程確定。折算年的運(yùn)行費(fèi)用為

可靠性成本（停電損失）：可通過(guò)直接的電度量損失計(jì)算直接損失或根據(jù)產(chǎn)電比計(jì)算間接損失。根據(jù)產(chǎn)電比理論，將變電站的年停電損失電能，轉(zhuǎn)化成為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，即停電損失折合費(fèi)用。該值反映了可靠性水平的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可靠性高，停電損失??；可靠性低，停電損失就大。停電損失折合費(fèi)用為

1··EENS （3）

式中：為電廠的功率因數(shù)；為產(chǎn)電比；EENS為期望電能損失。

綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為上述三部分經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的總和，即1，在SSRE-TH主接線可靠性評(píng)估軟件中能夠?qū)ι鲜鼋?jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面評(píng)估，然后用于主接線經(jīng)濟(jì)性的比較分析。

4）累計(jì)可靠性指標(biāo)

累計(jì)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線的可靠性比雙母線雙分段接線略高。

5）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線的經(jīng)濟(jì)性定量分析，采用表4的設(shè)備價(jià)格數(shù)據(jù)。

表3 累計(jì)可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表4 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的設(shè)備價(jià)格數(shù)據(jù)　單位: 萬(wàn)元/臺(tái)

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算中的有關(guān)參數(shù)取值為：產(chǎn)電比（定義為單位電能產(chǎn)生的社會(huì)效益，即停電造成的單位社會(huì)損失費(fèi)用值）10元/（kW·h）；電價(jià)0.5元/（kW·h）；投資折現(xiàn)率8%；變電站經(jīng)濟(jì)使用壽命30年；年運(yùn)行費(fèi)用率2.5%。

采用上述經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)和可靠性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，可得到經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 遠(yuǎn)景4變16線經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)　單位: 萬(wàn)元/年

由表5可知，投資費(fèi)用占經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主體，其次是與可靠性對(duì)應(yīng)的停電損失折合費(fèi)用，然后是運(yùn)行費(fèi)用。從綜合年費(fèi)用指標(biāo)來(lái)看，由于3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線投資少，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與可靠性有密切關(guān)系，具體而言，是EENS可靠性指標(biāo)和產(chǎn)電比參數(shù)的選取影響了相應(yīng)的停電損失折合費(fèi)用的大小，從而會(huì)改變綜合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的結(jié)果。

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上各表數(shù)據(jù)，累計(jì)可靠性指標(biāo)的比較分析：從故障概率指標(biāo)來(lái)看，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線比雙母線雙分段接線略優(yōu)；從EENS指標(biāo)來(lái)看，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線比雙母線雙分段接線 略優(yōu)。

3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線比雙母線雙分段接線檢修及調(diào)度靈活性更好。

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的比較分析：3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線與雙母線雙分段接線相比，終期減少28組隔離開(kāi)關(guān)，節(jié)省設(shè)備投資約300萬(wàn)元，二次設(shè)備投資也與之相當(dāng)。因此，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于雙母線雙分段接線。

2 應(yīng)對(duì)擴(kuò)建停電措施

2.1 雙斷口隔離開(kāi)關(guān)優(yōu)點(diǎn)分析

3/2隔離開(kāi)關(guān)（雙斷口）母線環(huán)形接線就是將母線間的隔離開(kāi)關(guān)升級(jí)為雙斷口隔離開(kāi)關(guān)，能減少擴(kuò)建停電，雙斷口隔離開(kāi)關(guān)優(yōu)點(diǎn)[7-8]如下：

1）雙斷口隔離開(kāi)關(guān)的兩個(gè)斷口分別能滿足單斷口的絕緣要求，即任何一個(gè)斷口均能滿足運(yùn)行電壓或試驗(yàn)電壓的耐壓要求[9-10]。兩個(gè)斷口組合，能承受最極端的電壓情況，即運(yùn)行電壓和試驗(yàn)電壓之和。

2）在動(dòng)觸頭中間設(shè)置一組軸向布置的接地開(kāi)關(guān)，能保證在一個(gè)斷口發(fā)生絕緣擊穿的時(shí)候，不至于影響母線的正常運(yùn)行，不擴(kuò)大事故范圍。

3）雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)的GIS設(shè)備可以不停電擴(kuò)建。雙斷口隔離開(kāi)關(guān)的兩個(gè)斷口組合，能承受運(yùn)行電壓和試驗(yàn)電壓之和，擴(kuò)建工程實(shí)施時(shí)，將需要擴(kuò)建的間隔與母線隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行對(duì)接安裝和交流耐壓試驗(yàn)，安裝和交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中母線均可以保持正常帶電運(yùn)行。

4）采用雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)的GIS設(shè)備完全適用于現(xiàn)有國(guó)內(nèi)主流廠家設(shè)備接口，具有普遍適用性。

2.2 雙斷口隔離開(kāi)關(guān)位置分析

3/2隔離開(kāi)關(guān)（雙斷口）母線環(huán)形接線共3種，三種接線形式對(duì)比見(jiàn)表6。

根據(jù)表6比較，三種接線形式可靠性相當(dāng)，3/2隔離開(kāi)關(guān)（中隔離開(kāi)關(guān)帶雙斷口）母線環(huán)形接線只需停一段母線，其他出線可以通過(guò)中隔離開(kāi)關(guān)倒閘至另外一段母線運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)不停電擴(kuò)建；3/2隔離開(kāi)關(guān)（邊-邊隔離開(kāi)關(guān)帶雙斷口）母線環(huán)形接線擴(kuò)建不但要停待擴(kuò)建串內(nèi)已上出線，而且雙斷口隔離開(kāi)關(guān)比3/2隔離開(kāi)關(guān)（中隔離開(kāi)關(guān)帶雙斷口）母線環(huán)形接線多1組，單串設(shè)備投資貴約6萬(wàn)元；3/2隔離開(kāi)關(guān)（邊-中-邊隔離開(kāi)關(guān)帶雙斷口）母線環(huán)形接線擴(kuò)建雖然可不停電，但雙斷口隔離開(kāi)關(guān)比3/2隔離開(kāi)關(guān)（中隔離開(kāi)關(guān)帶雙斷口）母線環(huán)形接線多2組，單串設(shè)備投資貴約12萬(wàn)元；因此3/2隔離開(kāi)關(guān)（中隔離開(kāi)關(guān)帶雙斷口）母線環(huán)形接線不但經(jīng)濟(jì)效益好，而且技術(shù)上靈活可靠，檢修擴(kuò)建方便。

表6 三種接線形式對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)采用SSRE-TH軟件，對(duì)3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線與雙母線雙分段接線進(jìn)行可靠性評(píng)估與對(duì)比可知，3/2隔離開(kāi)關(guān)母線環(huán)形接線比雙母線雙分段接線檢修及調(diào)度靈活性更高，經(jīng)濟(jì)性也更好，具體表現(xiàn)在：

1）終期減少30組隔離開(kāi)關(guān)，節(jié)省設(shè)備投資約300萬(wàn)元，對(duì)應(yīng)二次設(shè)備配置及投資與雙母線雙分段接線相當(dāng)。

2）可以實(shí)現(xiàn)電源和負(fù)荷的靈活分配，同名回路布置在不同段母線，提高供電可靠性，減少倒閘 操作。

3）當(dāng)任何一段母線檢修或故障停運(yùn)時(shí)，母線上的回路停電，可以通過(guò)母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)分閘和轉(zhuǎn)移隔離開(kāi)關(guān)合閘來(lái)實(shí)現(xiàn)倒閘操作，將檢修母線或故障母線上的回路轉(zhuǎn)移到運(yùn)行母線上恢復(fù)供電。

4）任何一段母線故障或者檢修時(shí)，4臺(tái)主變可正常運(yùn)行。

5）中隔離開(kāi)關(guān)引入雙斷口，能解決及避免今后GIS設(shè)備擴(kuò)建雙母線全停的問(wèn)題，只需停其中擴(kuò)建段母線，其他出線可以通過(guò)中隔離開(kāi)關(guān)倒閘至另一段母線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)原運(yùn)行線路不停電擴(kuò)建。

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Research and application analysis of 3/2 isolating switch (double break) bus ring wiring

HONG Zhipeng

(Sichuan Electric Power Design ＆ Consulting Co., Ltd, Chengdu 610041)

In view of the excessive number of switching elements in the double busbar connection, inspired by the 3/2 circuit breaker connection, this paper proposes the 3/2 isolating switch bus ring connection. In the expansion of the double busbar connection gas insulated switchgear (GIS) equipment, the double busbar should be stopped when the AC withstand voltage test is performed, so this paper introduces double-break isolating switch, which is a new 3/2 isolating switch (double-break) bus ring wiring, to realize the uninterrupted expansion of the original operation line.

3/2 isolating switch; double break; power failure overhaul; reliability evaluation analysis

2021-08-16

2021-09-03

洪志鵬（1979—），男，湖北省赤壁市人，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)發(fā)變電工程設(shè)計(jì)工作。