1、66kV智能變電站66kV電氣設備全壽命周期比擇謝云秀1 沈曄華2 （沈陽電力勘測設計院）【摘 要】本文以國家電網公司輸變電工程通用設計、通用設備為基礎，以變電站全壽命周期設計建設技術導則為導向，結合二牛66kV變電站新建工程的實際情況，對AIS和GIS兩種形式的電氣設備進行設備參數、土建接口、安裝接口進行全面分析，通過全壽命成本最優比較，得出適宜本工程的66kV電氣設備選擇方案。【關鍵詞】66kV智能變電站 全壽命 設備選擇0 概述變電站主要電氣設備的選型應以國家電網公司輸變電工程通用設計、通用設備為基礎，全面貫徹“兩型一化”設計導則，根據變電站電氣主接線形式、站址條件、系統接網方案、負荷性

2、質等條件綜合考慮。主要電氣設備的選型還關系變電站的供電可靠性以及后期的運行維護成本，本文旨在通過對66kV AIS和GIS兩種型式的主要電氣設備比選，結合二牛66kV變電站工程特點，選擇出最優的電氣設備型式，以達到變電站全壽命周期成本最優的要求。1 工程概況二牛66kV變電站位于康平縣二牛鎮二牛村供電營業所東側，待建場地地形平坦，站區南側與303省道相鄰，進線方向位于站區東側。遠景規模：安裝2臺40MVA主變壓器，66kV出線2回，10kV出線24回，66kV側安裝1臺1900kVA消弧線圈，每段10kV母線安裝1組3600+3000kvar電力電容器組成套裝置。本期規模：安裝2臺20MVA主

3、變壓器，66kV出線2回，10kV出線8回，66kV側安裝1臺1900kVA消弧線圈，每段10kV母線安裝1組3000kvar電力電容器組成套裝置。2專題研究內容變電站66kV電氣設備的選擇全面貫徹資產全壽命周期成本管理要求，針對66kV AIS和GIS兩種設備形式，在可靠性和安全性、可回收性、防災和突發事件處理、資產全壽命周期成本最優五個方面進行全面的分析比較，得出全壽命周期最優結論。針對二牛66kV變電站工程規模，根據國家電網公司標準化建設成果（輸變電工程通用設計、通用設備）應用目錄（2013年版）中通用設備，本文電氣設備選取AIS設備與GIS設備兩種形式相比較，各電氣設備主要技術參數詳見

4、表2-1。表2-1 設備編號及主要技術參數序號設備形式設備名稱通用設備編號主要技術參數1AIS72.5kV斷路器CQF2000/31.5額定電壓：72.5kV額定開斷電流：31.5kA額定電流：2000A272.5kV隔離開關CQS-2D1250/31.5額定電壓：72.5kV額定開斷電流：31.5kA額定電流：1250A366kV電流互感器CTA-D-5-31.5額定電壓：66kV額定開斷電流：31.5kA額定電流比：2×600/54GIS72.5kV組合電器CGIS-2000/31.5額定電壓：72.5kV額定開斷電流：31.5kA額定電流：2000A本工程設計中選用通用設備，統

5、一設備參數、統一電氣接口、統一二次接口、統一土建接口。設備采購過程中，通過國網公司集中規模招標，設備價格更低，可有效控制初始投入成本。3 設計方案比選3.1 AIS設備選型分析3.1.1 72.5kV斷路器選型分析（1）設備參數72.5kV斷路器采用瓷柱式SF6斷路器，選擇額定電流2000A，額定開斷電流31.5kA/4s的產品。同時，斷路器采用“”形鋼結構支架，支架由設備制造商提供。（2）土建接口1斷路器采用“”形鋼結構支架，“”形支架間距取1600mm。2斷路器本體上的機構箱高度滿足如下要求：運行人員站在操作平臺上進行操作時能保證運行人員的安全凈距要求。3斷路器每個基礎采用4個地腳螺栓固定

6、，地腳螺栓由廠家隨設備提供，并提供地腳螺栓尺寸及其埋深。4斷路器高出地面的基礎寬度不大于800mm。5斷路器基礎均高出地面200mm。（3）安裝接口示意圖圖3.1-1 瓷柱式SF6斷路器正視圖、側視圖圖3.1-2 瓷柱式SF6斷路器基礎尺寸示意圖3.1.2 72.5kV隔離開關選型分析（1）設備參數72.5kV隔離開關采用雙柱V型旋轉式，選擇額定電流1250A，額定開斷電流31.5kA/4s的產品。鑒于隔離開關的安裝方式和特點，隔離開關的接口分界面為隔離開關底座，采用螺栓與設備支架固定。（2）土建接口1隔離開關采用雙柱支架安裝，由業主自行采購。雙柱間距為2000mm，支架高度不低于2700mm

7、。2雙柱V型旋轉式隔離開關底座與支架上的槽鋼接口，隔離開關的底座安裝槽鋼和操作機構的安裝方式宜由電氣專業進行設計。操作機構現場安裝，其連桿由設備制造廠提供。操作機構距離地面高度1000mm。3鋼管支架可采用單杯口柱下獨立基礎，其它型式鋼支架可采用預埋地腳螺栓的柱下獨立基礎。（3）安裝接口示意圖圖3.1.2-1 雙柱V型旋轉式隔離開關正視圖、側視圖圖3.1.2-2 雙柱V型旋轉式隔離開關基礎槽鋼開孔詳圖3.1.3 66 kV電流互感器選型分析（1）設備參數66kV電流互感器采用干式正立式電流互感器，選擇額定電流比為2×600/5A，額定開斷電流31.5kA/4s的產品。鑒于電流互感器的

8、安裝方式和特點，電流互感器的接口分界面為電流互感器底座，采用螺栓與設備支架固定。（2）土建接口66kV電流互感器支架采用鍍鋅鋼管桿或鋼筋混凝土環形等徑桿，頂封板螺孔中心距離及螺孔大小同電氣安裝要求，采用410mm×410mm 4-f20mm；鋼管桿顏色為銀灰色，每個支架應有兩個接地點，接地點高度與其他設備接地點一致。支架具體管徑大小應根據規范要求及時確定。（3）安裝接口示意圖圖3.1.3 66kV干式正立式電流互感器安裝示意圖3.1.4 AIS設備全壽命周期分析（1）二牛變電站66kV電氣設備的工作電流本期為350A，遠期為700A。以上設備參數選擇均考慮到遠期主變增容到40MVA的

9、情況，滿足可擴展性設計的要求。（2）通過規定土建接口，AIS設備與基礎之間均采用地腳螺栓連接，并且每種設備統一了螺栓規格和位置間距。可保證不同廠家同類設備之間的通用性，緊急情況時，可方便現場更換，滿足事故處置防災設計的要求。（3）AIS設備土建基礎形式為獨立基礎，易于拆除。設備構、支架采用拆卸方便、易于回收的鋼材，鋼柱與基礎、鋼柱與鋼梁構件之間的連接全部采用螺栓連接，方便安裝和拆卸，滿足可回收性設計要求。（4）AIS設備滿足國網公司提出“統一設備參數、統一電氣接口、統一二次接口、統一土建接口”的要求，解決了以往土建施工圖設計受制于設備招標結果的問題。在初步設計審核后即可全面開展土建施工圖設計，

10、節約設備招標階段的23個月的時間，滿足節約環保性設計要求。（5）SF6斷路器中所含SF6氣體量較小，一旦發生泄漏，SF6氣體的泄漏量小，對環境造成污染較小。而隔離開關和電流互感器均不含SF6氣體和絕緣油，滿足節約環保性要求。（6）AIS設備設備易于操作維修，可維護性強。配電裝置四周設置環形道路，內部設置檢修道路和巡視小道，便于檢修維護。設備與構支架皆采用螺栓連接，當需要更換、檢修時方便拆卸和安裝。（7）LCC成本計算依據全壽命周期內功能匹配、壽命協調和費用平衡原則，提出壽命匹配方案。本變電站位于遼寧省沈陽市康平縣，屬于溫帶季風氣候，冬季平均氣溫在-12-13。一次設備整體壽命按30年考慮，全壽

11、命設計周期LCC值按30年計算。全壽命周期成本計算模型為：LCC=CI+CO+CM+CF+CDCI（初始投入成本）為89.2萬元；CO+CM（運維成本+檢修成本）為58.78萬元；CF（故障成本）為151.5萬元（注1）；CD（退役處置成本）為 -4.46萬元。LCCAIS= CI+CO+CM+CF+CD=295.02萬元注1：二牛變電站66kV側為內橋接線，繼電保護設置備自投裝置。當線路間隔AIS設備故障，備自投裝置動作，基本上不影響供電；當主變間隔AIS設備故障，將會造成變電站停電，除了維修費用，還需要考慮故障停電費用。二牛變電站的供電負荷有兩種，分別為正常用電和農業灌溉用電。本工程僅以設

12、備復雜故障為例進行全壽命周期計算，72.5kV斷路器故障，停電維修時間約5小時；72.5kV隔離開關故障，停電維修時間約4小時；66kV干式電流互感器故障，停電維修時間約1小時。表3.1.4 AIS設備故障成本計算表 設備名稱故障維修費用正常用電損失灌溉用電損失故障成本72.5kV斷路器5.6萬元×10次=56萬元5000kVA×10次×5小時×1.5元/kwh=37.5萬元3000kVA×10次×5小時×1.5元/kwh =22.5萬元116萬元72.5kV隔離開關1萬元×5次=5萬元5000kVA×5

13、次×4小時×1.5元/kwh =15萬元3000kVA×5次×4小時×1.5元/kwh =9萬元29萬元66kV電流互感器0.1萬元×5次=0.5萬元5000kVA×5次×1小時×1.5元/kwh =3.75萬元3000kVA×5次×1小時×1.5元/kwh =2.25萬元6.5萬元 CF（故障成本）= 116 + 29 + 6.5 = 151.5（萬元）表3.2 66kV電氣設備常見故障情況分析序號設備名稱常見故障故障維修費用故障次數停電時間（假設1臺主變停電）172.5k

14、V斷路器1、機械部分：機械卡滯及轉換開關不到位,燒分、合線圈及電機。2、二次部分：空開、接觸器及二次端子接觸不良及燒壞。3、接頭發熱。4、斷路器漏氣（六氟化硫報警、閉鎖）。0.3-0.5萬0.1萬5萬3年1次5小時272.5kV隔離開關接頭發熱；刀閘接頭、接線板及軟連接部分，彈簧生銹變形，彈力下降；機構操作困難引起的分合位置錯位及插入不夠；接線板螺絲年久銹死嚴重，壓力下降。0.1萬-1萬6年1次4小時366kV電流互感器1、接線板過熱。運行經驗少，設備可靠性好，目前無其他故障。0.1萬6年1次1小時472.5kV組合電器1、機械部分：機械卡滯及轉換開關不到位,燒分、合線圈及電機；2、二次部分：

15、空開、接觸器、帶電顯示器及二次端子接觸不良及燒壞。0.3-0.5萬0.1萬3年1次5小時3、漏氣（六氟化硫報警、閉鎖）。4、戶外盤式絕緣子裂紋。6萬暫按15年1次48小時注：上表參數由沈陽供電公司運維檢修部提供。3.2 GIS設備選型分析3.2.1 72.5kV組合電器設備選型分析（1）設備參數72.5kV組合電器采用三相共箱式設備，戶外布置。選擇斷路器和隔離開關額定電流2000A，額定開斷電流31.5kA/4s，電流互感器額定電流比2×600/5A的產品。布置方案間隔寬度為1.5m和0.8m兩種。（2）電氣一次接口72.5kV組合電器采用架空進出線方式。根據間隔寬度及進出線方向確定

16、基礎平臺寬度。二次電纜溝布置靠近主變壓器側，尺寸根據具體工程確定。（3）土建接口72.5kV組合電器安裝平臺采用整體大板基礎，在通用設備基礎尺寸范圍內預留上層基礎插筋，待設備廠家確定基礎尺寸后，二次澆注上部基礎平臺，并應高出地面150mm。 常用GIS設備外形尺寸根據各廠家資料，以標準的線路變壓器組接線間隔（電纜出線）為例，各設備廠家72.5kV組合電器外形及安裝尺寸如表3.2.2所示。表3.2.2 各設備廠家72.5kV組合電器外形及安裝尺寸一覽表序號廠家名稱間隔長度（mm）間隔高度（mm）留孔尺寸（mm）單間隔總重（t）間隔寬度（m）1河南平高74083072600×6005t1

17、.02山東泰開76032956650×6505t0.863西安西電71233112600×600不大于5t1.24泰安泰山70403335550×5506.5t1.05江蘇如高69693003800×6002.8t0.856正泰電氣72763007800×8004.8t1.2由上表可見，各廠家的72.5kV組合電器設備寬度范圍主要在0.85m1.2m，設備長度范圍主要在6.9m7.6m，寬度和長度差異均較大。 GIS設備全壽命周期分析（1）GIS設備為免維護產品，安全可靠性比AIS設備更高。（2）設備參數選擇均考慮到遠期主變增容到40MVA的情

18、況，滿足可擴展性設計的要求。（3）通過對各設備廠家的72.5kV組合電器相比較，外形尺寸差異較大，而且結構布置不同，荷載點位置差異也很大，需要等待設備廠家確定后，才能二次澆注上部基礎平臺混凝土。發生事故時，不同廠家設備無法實現互換，事故處置防災設計的靈活性不足。（4）72.5kV組合電器土建基礎形式為大板基礎，難于拆除，不利于回收，不滿足可回收性設計要求。（5）本方案中GIS為戶外布置，GIS設備中所含SF6氣體量較大，一旦發生泄漏，SF6氣體的泄漏量大，且無法回收，對環境造成污染較嚴重。根據運行經驗，戶外GIS的機構箱易于發生滲雨和銹蝕等故障，不滿足節約環保性設計要求。（6）GIS設備屬于免

19、維護產品，一旦設備內部元件故障需更換，則需要先回收氣體，再解體GIS設備進行更換，并且對檢修維護環境的整潔度要求極高。（7）LCC成本計算本工程72.5kV組合電器初次投資成本320萬元，設備整體壽命按30年考慮，全壽命設計周期LCC值按30年計算。全壽命周期成本計算模型為：LCC=CI+CO+CM+CF+CDCI（初始投入成本）為320萬元；CO+CM（運維成本+檢修成本）為211.2萬元；CF（故障成本）為124.8萬元（注2）；CD（退役處置成本）為 -16萬元。LCCGIS= CI+CO+CM+CF+CD=640萬元注2：本工程僅以設備復雜故障為例進行全壽命周期計算， 72.5kV組合

20、電器故障，停電維修時間約48小時。表3.2.3 GIS設備故障成本計算表 設備名稱故障維修費用正常用電損失灌溉用電損失故障成本72.5kV GIS6萬元×1次=7.2萬元5000kVA×（10次×5小時+1次×48小時）×1.5元/kwh=73.5萬元3000kVA×（10次×5小時+1次×48小時）×1.5元/kwh=44.1萬元124.8萬元3.3 技術經濟比較表3.3 66kV電氣設備技術經濟比較表序號比較項目AIS方案GIS方案1進線方式架空進線同AIS方案2占地面積橫向尺寸為23.4m，占地面積

21、為966m2。 橫向尺寸為13.4m，占地面積為553m2，節省占地413m2。節省建設場地征用費31.5萬元。3安全可靠性現場有裸露導體，安全可靠性低； 現場沒有裸露導體，安全可靠性高；4運行和維護設備易于操作維修，可維護性強。設備與構支架皆采用螺栓連接，當需要更換、檢修時方便拆卸和安裝。主要設備密封于SF6氣體內，正常運行免維護，檢修周期較長，一旦故障現場檢修需進行充放氣操作，檢修困難。 5施工安裝安裝簡單，安裝調試簡便，對接地電阻要求低，主接地網材料較少，工藝簡單。 氣室單元在工廠組裝、調試和密封，現場安裝工作量小；安裝復雜，需廠家指導。主接地網材料較多，工藝復雜7可擴展性擴建方便，后期設備選型不受前期影響，停電時間短。擴建困難，停電時間長，新建工程初期需考慮擴建方案，且在同一間隔擴建需