1、專題報告 3基于GIS擴建要求的主接線優化2013年 6月本文摘要本文結合山東淄博中化220kV變所處的系統情況和GIS設備擴建的特點，對本站主接線進行優化，避免GIS設備擴建停電對供電可靠性造成不利影響。臨淄電網南部承擔石化工業園和電鐵線路等重要大負荷，中化變為該區唯一的220kV電源點，若中化變變失去220kV電源，該區110kV電網薄弱無法單獨承擔所有重要負荷。按傳統的雙母線接線方案，GIS配電裝置在遠景擴建時因GIS設備自身固有的特點，需整個配電裝置全部停電。按可研雙母線接線方案，本站220kV和110kV GIS設備遠景擴建時停電，將導致220kV電源無法送出，影響供電可靠性；尤其當

2、110kV GIS擴建時全部停電，更令該區薄弱的110kV電網雪上加霜。針對以上問題，本文提出在220kV和110kV雙母線上增設分段隔離開關。經詳細分析，該方案以較小的投資，有效解決了GIS擴建引起的配電裝置停電問題，保證了臨淄電網南部的供電可靠性。目 錄1 概述11.1 電氣主接線設計原則11.2 電氣主接線設計需考慮的問題12 工程概況13 220kV接線優化23.1 本工程220kV接線的特點23.2 GIS設備的特點及擴建停電的原因分析33.3 本工程220kV接線優化方案53.4 小結104 110kV接線優化104.1 可研階段110kV接線特點104.2 本工程110kV接線優

3、化方案135 35kV主接線方案分析146 結論141 概述1.1 電氣主接線設計原則變電站是電力系統的主要組成部分，是輸配電系統中重要的能量傳輸點，其電氣主接線是電力系統接線的主要部分，其結構直接影響輸配電設備的布置、繼電保護的配置、自動裝置和控制方式的選擇，對電力系統整體以及變電站本身的供電可靠性、運行靈活性、檢修方便和經濟合理性起著決定性的作用。因此，在變電站設計中，確定合理的主接線方案是十分必要的。1.2 電氣主接線設計需考慮的問題在進行變電站電氣主接線設計時，需要重點考慮以下問題：（1）需要考慮變電站在電力系統中的位置，變電站在電力系統中的地位和作用是決定電氣主接線的主要因素。（2）

4、要考慮近期和遠期的發展規模，變電站電氣主接線的設計，應根據510年電力發展規劃進行。（3）考慮負荷的重要性分級和出線回數多少的影響。（4）考慮遠景擴建方便。2 工程概況臨淄電網位于山東省淄博電網東北部，是省網西電東送，南電北送的樞紐，目前已形成以220kV辛店電廠、營丘站、化工站為主供電源，以110kV、35kV 為配電線路的網絡結構。由于臨淄區地域面積大，區內僅有營丘、化工和辛店電廠3個電源點，輸電網比較薄弱，供電能力不足；且110kV網絡結構不合理，區域南部110kV網架薄弱。根據區域發展規劃，臨淄區南部化工產業蓬勃發展，用電負荷大。而目前，該地區沒有220kV電源項目，且周邊110kV變

5、電站電網薄弱難以滿足新增負荷用電，亟需新建中化220kV滿足中化片區經濟發展需要。中化220kV變電站作為該地區唯一的220kV電源點，本期已上2臺主變和8回110kV線路，110kV負荷主要供給石化工業園區和電氣鐵路（劉征牽引站），負荷大、重要性高，因此變電站主接線的安全可靠對該地區電網安全運行尤為重要。同時，本站采用GIS設備，其擴建引發的停電時間長短和停電范圍大小將對區域負荷產生至關重要的影響，因此如何減少停電范圍和縮短停電時間是本專題論證的重點。3 220kV接線優化3.1 本工程220kV接線的特點本工程220kV遠景共6回出線，3回主變進線，根據220kV500kV變電所設計技術規

6、范（DL/T 5218-2005）7.1.4條的規定：220kV變電所中的220kV配電裝置，當在系統中居重要地位、出線回路數為4回及以上時，宜采用雙母線；當出線和變壓器等連接元件總數為1014回時，可在一條母線上裝設分段斷路器，15回及以上時，在兩條母線上裝設分段斷路器。本工程遠景連接元件總數為9回，本期連接元件總數為4回，可研方案按規程規定，遠景和本期均按雙母線接線。鑒于本工程220kV配電裝置采用SF6氣體金屬封閉式設備（GIS），本期并未一次性上齊，采用雙母線接線的方式時，由于GIS結構的特殊性，擴建接口對接以及耐壓時間時，需要220kV配電裝置短時全部停電，嚴重影響系統的可靠性。因此

7、，在GIS變電站主接線設計時，如何能盡量避免或減小因擴建而造成的停電時間和影響范圍，就變得實際而迫切。本專題220kV接線優化的重點是通過優化，避免220kV配電裝置在擴建階段全停。3.2 GIS設備的特點及擴建停電的原因分析3.2.1 GIS設備的特點GIS設備將斷路器、母線、隔離開關、互感器、避雷器、套管等高壓電氣元件全部封閉在金屬接地殼體中，內部用盆式絕緣子分隔成若干個氣室，并分別充入SF6氣體作為絕緣和滅弧介質。GIS設備憑借其占地面積省，安裝維護工作量少，檢修周期長、耐污穢等級高、抗震性能好等優點在國內新建變電站中得到了廣泛的應用。3.2.2 GIS擴建停電分析 但由于其自身獨特的復

8、雜結構，使其在安裝或擴建過程中要求較高，擴建時往往需要大范圍配合停電；尤其是GIS設備在安裝完成后，為保證絕緣可靠，需要做工頻耐壓試驗，由于試驗電壓較高，為保證安全，試驗部分和運行部分之間需保證有2個隔離斷口，這導致停電范圍的擴大，降低了供電可靠性。對本工程的雙母線接線而言，從盡量減少停電時間和停電范圍出發，電網中常用的方式為：擴建接口部位采用可拆卸的伸縮節結構，遠景設備先安裝就位，單獨做完絕緣耐壓試驗后，再和前期設備對接。值得一提的是，部分GIS廠家可保證在對接接口時嚴格控制好對接過程，對接完成后對接口部分無需做工頻耐壓試驗，僅需做絕緣老練試驗，這樣試驗部分和運行部分之間需保證有1個隔離斷口

9、即可。但對接過程受到現場惡劣環境和現場安裝人員技術水平和責任心等因素影響，往往難以保證達到理想的效果，此接口的耐壓試驗盲區玩玩給變電站的安全運行帶來極大的隱患，因此，絕大部分網省公司仍堅持接口處需做工頻耐壓試驗。擴建的型式按本期是否建設母線隔離開關，分為以下兩種：1） 本期未上母線隔離開關：遠景的間隔若位于配電裝置的端部，為節省初期投資，遠景間隔的母線及母線隔離開關本期均未建設，僅在本期和遠景的接口處預留擴建接口（接口帶獨立氣室），具體如圖3-1所示：圖3-1 擴建間隔位于GIS端部的接線圖如圖3-1所示，框中為遠景擴建部分。擴建時步驟如下：遠景部分安裝就位完畢、充SF6氣體并做完工頻耐壓試驗

10、；將本期接線的負荷全部轉到M，在擴建接口處實現M對接；M對接完成后，由于擴建接口與轉到M運行的本期間隔僅存在一個隔離斷口，無法對擴建接口進行耐壓試驗，M也無法投入運行；M擴建接口對接時，由于M無法投入使用，所以只能全站停電進行M對接，而后兩個接口同時進行工頻耐壓試驗成功后，全站GIS才能投入使用。如上所述擴建方案，停電時間=一段母線的對接時間+兩段母線擴建接口的工頻耐壓試驗時間，停電時間一般為12個小時。停電范圍為全部220kV配電裝置。2） 本期預留母線隔離開關：若遠景間隔位于配電裝置中間，為減少擴建時停電時間過長，本期應預留母線隔離開關，否則擴建間隔與母線連接過程中，將導致兩段母線停電時間

11、長達數天，從可靠性角度應盡量避免。預留母線隔離開關的具體接線如圖3-2所示：圖3-2 擴建間隔位于GIS中部的接線圖如圖3-2所示，云線框中為遠景擴建部分。擴建時步驟如下：擴建部分安裝就位完畢、充SF6氣體并做完工頻耐壓試驗。打開擴建間隔的隔離開關1QS和2QS，閉合接地開關1QE，將運行中的回路全部切換至M，M停電，然后完成擴建端口對接。（M停電原因在110kV接線優化中將進行詳細論述）。擴建端口與兩段母線間分別都只有一個斷口，擴建間隔工頻耐壓試驗過程中，為保證安全可靠，兩段母線均應停電，停電時間一般在6小時以內，停電范圍為全部220kV配電裝置。由于擴建將引起全部GIS設備停電，所以雙母線

12、接線方式下，GIS設備在可靠性方面的優勢受到一定的影響。其中預留母線隔離開關間隔相對于未預留隔離開關間隔擴建時停電時間較短。3.3 本工程220kV接線優化方案3.3.1 可研220kV接線方案中化變220kV接線的可研接線采用常規的雙母線接線方式，具體如圖3-3所示：圖3-3 220kV雙母線接線方案為后期擴建方便，可研方案在本期上齊220kV母線，遠景間隔均預留母線隔離開關。但通過3.2節中的分析，本方案在遠景4回備用線路間隔和#3主變進線間隔擴建時，均將引起6小時左右的停電時間。由于中化變為臨淄電網南部唯一的220kV電源點，本站220kV配電裝置因擴建退出運行后，該區域薄弱的110kV

13、電網難以全部承擔石化工業園區和電鐵等重要的大負荷，將嚴重影響供區內配網的可靠性。因此，優化接線形式以避免220kV配電裝置全部停電具有重大意義。3.3.2 優化后的接線方案利用本期220kV為兩線兩變的特點，將、M進行分段，左右兩邊均帶一線一變；遠景無論在哪一側擴建，僅需停與擴建側一線一變；同時由于停電時間短，變電站短時按一線一變的方式運行，不影響系統可靠性。母線分段方式若按常規辦法，將雙母線接線改造為雙母線雙分段的接線方式，需在目前可研方案的基礎上增加1個母聯間隔、2個分段間隔和2個母設間隔，增加投資約700萬元，顯然這種通過經濟性的巨大犧牲而換取可靠性的做法是絕不可取的。因此，本工程按照雙

14、母線分段的思路，簡化接線方式，利用母線隔離開關取代母線分段間隔，可不增加母聯和母設間隔，同時分段隔離開關設置位置充分考慮變電站遠景間隔的建設順序，具體方案如圖3-4所示。圖3-4 優化后的220kV接線方案按優化后的接線方案，本期建設的#1主變進線間隔和龍泉出線間隔布置于分段隔離開關的右側，#2主變進線間隔和惠泮線布置于分段隔離開關左側，兩個母設間隔布置于分段隔離開關兩側。為減少本期投資，備用線3、4和#3主變進線間隔對應的母線及母線隔離開關本期均未建設。以下將對母線分段隔離開關是否能避免全站停電做具體分析：1） 備用線1、2間隔擴建備用線1、2本期均帶母線隔離開關，以備用線1擴建為例，步驟如

15、下：備用線1間隔擴建部分組裝完畢準備準備接入。母線分段隔離開關右側間隔全部斷開帶電間隔，打開分段隔離 開關；變電站通過惠灃線接入220kV系統，同時通過#2主變保證了對110kV和35kV側負荷的供電。備用線1間隔的擴建部分接入分段隔離開關右側已停電的母線。對接過程不影響供電。對擴建接口處進行工頻耐壓試驗，將分段隔離開關右側負荷均調整至帶有母線PT的IIM左母線，備用I間隔利用IM右母線進行耐壓試驗，此時由于試驗部分至運行部分間 存在母線隔離開關和母線分段隔離開關兩個斷口，試驗時，惠泮線間隔和#2主變間隔無須停電，有效避免了全站停電。備用線2間隔擴建過程同備用I間隔，保證龍泉線間隔和#1主變間

16、隔供電連續性。有所不同的是，母線分段隔離開關右側無母聯間隔，擴建前需將右側的龍泉線間隔和#1主變間隔同時切換至接有母線PT的M右母線。2） 備用線3、4間隔和#3主變進線間隔擴建 這三個間隔擴建需連同母線一同擴建，擴建過程相對比較繁瑣，詳細步驟如下：擴建部分組裝并試驗完畢，準備接入。將#1主變間隔和龍泉線間隔切換至帶有母線PT的M右母線，打開兩段母線分段隔離開關。左側所有間隔均不帶電，完成擴建部分在M處的接口對接并進行IIM工頻耐壓試驗，由于存在兩個斷口，#1主變間隔和龍泉線間隔可正常運行確保供電可靠。具體見圖3-5：圖3-5 M對接示意簡圖M接口試驗成功后，M即可投入運行，閉合IIM母線分段

17、隔離開關，通過母聯間隔切換將#1主變間隔和龍泉線間隔切換至M運行；然后打開M母線分段隔離開關，完成M擴建接口對接并進行工頻耐壓試驗，由于M擴建接口同M、#1主變間隔和龍泉線間隔均存在兩個斷口，#1主變間隔和龍泉線間隔可接在M上正常運行確保供電可靠。具體見圖3-6：圖3-6 M對接示意簡圖M接口試驗成功后，全站220kV配電裝置投入運行。根據以上分析，增加母線分段隔離開關的方案有效避免了220kV配電裝置全部停電，提高了可靠性。3.4 小結綜上所述，鑒于中化變為臨淄電網南部唯一220kV電網，該區薄弱的110kV電網無法單獨承擔石化工業園和電鐵等重要大負荷。為避免中化變220kV配電裝置全部停電

18、，利用本期已上兩線兩變的特點，在傳統雙母線接線的基礎上，在兩段母線的適當位置增加兩組母線隔離開關，可擴建時至少保證一條220kV線路和一臺220kV變壓器供電，保證了變電站及其供電區域電網的供電可靠。雖然擴建時將改用線變組運行方式，但考慮時間較短，其對電網可靠性的影響可忽略不計。而因此增加的工程投資80萬元左右，投資增加較少，優化方案的經濟性指標較優。從安全、可靠、經濟等多方面綜合分析，本工程220kV接線推薦采用雙母線雙分段隔離開關的接線形式。4 110kV接線優化4.1 可研階段110kV接線特點本工程110kV遠景共12回出線，3回主變進線，根據220kV500kV變電所設計技術規范（D

19、L/T 5218-2005）7.1.4條的規定：220kV變電所中的110kV配電裝置，當出線回路數在6回以下時宜采用單母線或單母線分段接線，6回及以上時，宜采用雙母線接線本工程遠景連接元件總數為15回，本期連接元件總數為11回，可研方案按規程規定，遠景和本期均按雙母線接線，可研接線如圖4-1所示：圖4-1 110kV雙母線方案接線圖根據3.2節中關于GIS擴建停電的分析結果，可研方案中遠景擴建間隔均屬于帶母線隔離開關的間隔擴建，每次間隔擴建將導致110kV配電裝置全部停電6小時左右。按臨淄區南部電網的情況，本站110kV配電裝置全部停電不僅意味著該區域220kV電源無法送電，還令該區域原本薄

20、弱的110kV電網雪上加霜，嚴重影響石化工業園和電鐵等重要負荷，因此優化110kV接線方式，避免全部停電具有重要意義。此外，隨著國內外GIS產品的小型化發展，小型化GIS設備在減少占地面積、減輕構筑物荷載、降低產品價格、減少SF6氣體使用和提高設備可靠性方面有著明顯的優勢，電網中小型化GIS設備的使用量也在不斷提高。本工程作為標準配送式智能變電站，GIS采用戶內高層布置，采用小型化GIS設備對減少建筑面積和結構耗鋼量具有重要意義。參考國內主要廠家GIS生產廠家的資料，多數110kV GIS設備生產商制造的雙母線型式的布置方案中，為縮小尺寸，每個間隔的母線隔離開關與母線共用氣室，斷路器緊靠母線布

21、置，中間難以設置伸縮接頭，無法實現擴建部分組裝試驗完成后再與母線對接，需從擴建接口處往外組裝設備，相關斷面及氣室布置見圖4-2、圖4-3：圖4-2 110kV小型化GIS斷面布置圖圖4-3 110kV小型化GIS氣室布置圖如圖4-3所示，GIS設備擴建接口處為正常大氣壓力，接口處盆式絕緣子靠母線側氣室為GIS設備工作壓力，約為5個大氣壓，接口處盆式絕緣子兩側壓差過大，在對接過程中易受外力沖擊導致絕緣子破裂而引發事故。因此，考慮施工安全，絕緣子母線側氣室將壓力降至正常工作壓力的一半以下，減輕絕緣子壓力差，保證對接安全。但小型化GIS兩個接口后均為母線隔離開關，在小型化設備中母線隔離開關往往與母線

22、共用一個氣室，一旦氣室壓力降低，隔離開關無法起到電氣隔離作用，母線無法帶電運行，這意味從擴建接口往外組裝設備開始至擴建部分組裝、調試和試驗結束，小型化GIS母線全程停電，停電時間至少一周，這是絕對不允許的。為解決停電時間過長的問題，一般采用在母線隔離開關和斷路器之間增加兩個隔離氣室（如圖4-4所示），使擴建過程中母線隔離開關的氣室無需降壓，避免擴建過程中母線長時間停電。同時，為防止本期建設間隔的斷路器檢修時母線長期停電，本期間隔也需增加隔離氣室。然而，增加隔離氣室抬高了設備價格，擴大了占地面積，使小型化設備的優點打折。圖4-4 110kV小型化GIS氣室布置圖（增加氣室后）4.2 本工程110kV接線優化方案為解決4.1節中存在的問題，110kV接線可按照220kV接線的優化方案，在合適的位置增加母線分段隔離開關，如圖4-5所示：圖4-5 優化后的110kV接線圖110kV配電裝置的#1和#2主變