專題03基于GIS擴(kuò)建要求的主接線優(yōu)化

1、專題報告 3基于GIS擴(kuò)建要求的主接線優(yōu)化2013年 6月本文摘要本文結(jié)合山東淄博中化220kV變所處的系統(tǒng)情況和GIS設(shè)備擴(kuò)建的特點，對本站主接線進(jìn)行優(yōu)化，避免GIS設(shè)備擴(kuò)建停電對供電可靠性造成不利影響。臨淄電網(wǎng)南部承擔(dān)石化工業(yè)園和電鐵線路等重要大負(fù)荷，中化變?yōu)樵搮^(qū)唯一的220kV電源點，若中化變變失去220kV電源，該區(qū)110kV電網(wǎng)薄弱無法單獨承擔(dān)所有重要負(fù)荷。按傳統(tǒng)的雙母線接線方案，GIS配電裝置在遠(yuǎn)景擴(kuò)建時因GIS設(shè)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(shè)備遠(yuǎn)景擴(kuò)建時停電，將導(dǎo)致220kV電源無法送出，影響供電可靠性；尤其當(dāng)

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

3、化方案135 35kV主接線方案分析146 結(jié)論141 概述1.1 電氣主接線設(shè)計原則變電站是電力系統(tǒng)的主要組成部分，是輸配電系統(tǒng)中重要的能量傳輸點，其電氣主接線是電力系統(tǒng)接線的主要部分，其結(jié)構(gòu)直接影響輸配電設(shè)備的布置、繼電保護(hù)的配置、自動裝置和控制方式的選擇，對電力系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)合理性起著決定性的作用。因此，在變電站設(shè)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(shè)計需考慮的問題在進(jìn)行變電站電氣主接線設(shè)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(tǒng)中的位置，變電站在電力系統(tǒng)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(yuǎn)期的發(fā)展規(guī)模，變電站電氣主接線的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)510年電力發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行。（3）考慮負(fù)荷的重要性分級和出線回數(shù)多少的影響。（4）考慮遠(yuǎn)景擴(kuò)建方便。2 工程概況臨淄電網(wǎng)位于山東省淄博電網(wǎng)東北部，是省網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于臨淄區(qū)地域面積大，區(qū)內(nèi)僅有營丘、化工和辛店電廠3個電源點，輸電網(wǎng)比較薄弱，供電能力不足；且110kV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理，區(qū)域南部110kV網(wǎng)架薄弱。根據(jù)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，臨淄區(qū)南部化工產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，用電負(fù)荷大。而目前，該地區(qū)沒有220kV電源項目，且周邊110kV變

5、電站電網(wǎng)薄弱難以滿足新增負(fù)荷用電，亟需新建中化220kV滿足中化片區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。中化220kV變電站作為該地區(qū)唯一的220kV電源點，本期已上2臺主變和8回110kV線路，110kV負(fù)荷主要供給石化工業(yè)園區(qū)和電氣鐵路（劉征牽引站），負(fù)荷大、重要性高，因此變電站主接線的安全可靠對該地區(qū)電網(wǎng)安全運行尤為重要。同時，本站采用GIS設(shè)備，其擴(kuò)建引發(fā)的停電時間長短和停電范圍大小將對區(qū)域負(fù)荷產(chǎn)生至關(guān)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(yōu)化3.1 本工程220kV接線的特點本工程220kV遠(yuǎn)景共6回出線，3回主變進(jìn)線，根據(jù)220kV500kV變電所設(shè)計技術(shù)規(guī)

6、范（DL/T 5218-2005）7.1.4條的規(guī)定：220kV變電所中的220kV配電裝置，當(dāng)在系統(tǒng)中居重要地位、出線回路數(shù)為4回及以上時，宜采用雙母線；當(dāng)出線和變壓器等連接元件總數(shù)為1014回時，可在一條母線上裝設(shè)分段斷路器，15回及以上時，在兩條母線上裝設(shè)分段斷路器。本工程遠(yuǎn)景連接元件總數(shù)為9回，本期連接元件總數(shù)為4回，可研方案按規(guī)程規(guī)定，遠(yuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)的特殊性，擴(kuò)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(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。因此

7、，在GIS變電站主接線設(shè)計時，如何能盡量避免或減小因擴(kuò)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(yōu)化的重點是通過優(yōu)化，避免220kV配電裝置在擴(kuò)建階段全停。3.2 GIS設(shè)備的特點及擴(kuò)建停電的原因分析3.2.1 GIS設(shè)備的特點GIS設(shè)備將斷路器、母線、隔離開關(guān)、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(nèi)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(zhì)。GIS設(shè)備憑借其占地面積省，安裝維護(hù)工作量少，檢修周期長、耐污穢等級高、抗震性能好等優(yōu)點在國內(nèi)新建變電站中得到了廣泛的應(yīng)用。3.2.2 GIS擴(kuò)建停電分析 但由于其自身獨特的復(fù)

8、雜結(jié)構(gòu)，使其在安裝或擴(kuò)建過程中要求較高，擴(kuò)建時往往需要大范圍配合停電；尤其是GIS設(shè)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(dǎo)致停電范圍的擴(kuò)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(fā)，電網(wǎng)中常用的方式為：擴(kuò)建接口部位采用可拆卸的伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)景設(shè)備先安裝就位，單獨做完絕緣耐壓試驗后，再和前期設(shè)備對接。值得一提的是，部分GIS廠家可保證在對接接口時嚴(yán)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(xiàn)場惡劣環(huán)境和現(xiàn)場安裝人員技術(shù)水平和責(zé)任心等因素影響，往往難以保證達(dá)到理想的效果，此接口的耐壓試驗盲區(qū)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(wǎng)省公司仍堅持接口處需做工頻耐壓試驗。擴(kuò)建的型式按本期是否建設(shè)母線隔離開關(guān)，分為以下兩種：1） 本期未上母線隔離開關(guān)：遠(yuǎn)景的間隔若位于配電裝置的端部，為節(jié)省初期投資，遠(yuǎn)景間隔的母線及母線隔離開關(guān)本期均未建設(shè)，僅在本期和遠(yuǎn)景的接口處預(yù)留擴(kuò)建接口（接口帶獨立氣室），具體如圖3-1所示：圖3-1 擴(kuò)建間隔位于GIS端部的接線圖如圖3-1所示，框中為遠(yuǎn)景擴(kuò)建部分。擴(kuò)建時步驟如下：遠(yuǎn)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(fù)荷全部轉(zhuǎn)到M，在擴(kuò)建接口處實現(xiàn)M對接；M對接完成后，由于擴(kuò)建接口與轉(zhuǎn)到M運行的本期間隔僅存在一個隔離斷口，無法對擴(kuò)建接口進(jìn)行耐壓試驗，M也無法投入運行；M擴(kuò)建接口對接時，由于M無法投入使用，所以只能全站停電進(jìn)行M對接，而后兩個接口同時進(jìn)行工頻耐壓試驗成功后，全站GIS才能投入使用。如上所述擴(kuò)建方案，停電時間=一段母線的對接時間+兩段母線擴(kuò)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(yù)留母線隔離開關(guān)：若遠(yuǎn)景間隔位于配電裝置中間，為減少擴(kuò)建時停電時間過長，本期應(yīng)預(yù)留母線隔離開關(guān)，否則擴(kuò)建間隔與母線連接過程中，將導(dǎo)致兩段母線停電時間

11、長達(dá)數(shù)天，從可靠性角度應(yīng)盡量避免。預(yù)留母線隔離開關(guān)的具體接線如圖3-2所示：圖3-2 擴(kuò)建間隔位于GIS中部的接線圖如圖3-2所示，云線框中為遠(yuǎn)景擴(kuò)建部分。擴(kuò)建時步驟如下：擴(kuò)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(kuò)建間隔的隔離開關(guān)1QS和2QS，閉合接地開關(guān)1QE，將運行中的回路全部切換至M，M停電，然后完成擴(kuò)建端口對接。（M停電原因在110kV接線優(yōu)化中將進(jìn)行詳細(xì)論述）。擴(kuò)建端口與兩段母線間分別都只有一個斷口，擴(kuò)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(yīng)停電，停電時間一般在6小時以內(nèi)，停電范圍為全部220kV配電裝置。由于擴(kuò)建將引起全部GIS設(shè)備停電，所以雙母線

12、接線方式下，GIS設(shè)備在可靠性方面的優(yōu)勢受到一定的影響。其中預(yù)留母線隔離開關(guān)間隔相對于未預(yù)留隔離開關(guān)間隔擴(kuò)建時停電時間較短。3.3 本工程220kV接線優(yōu)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(guī)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(kuò)建方便，可研方案在本期上齊220kV母線，遠(yuǎn)景間隔均預(yù)留母線隔離開關(guān)。但通過3.2節(jié)中的分析，本方案在遠(yuǎn)景4回備用線路間隔和#3主變進(jìn)線間隔擴(kuò)建時，均將引起6小時左右的停電時間。由于中化變?yōu)榕R淄電網(wǎng)南部唯一的220kV電源點，本站220kV配電裝置因擴(kuò)建退出運行后，該區(qū)域薄弱的110kV

13、電網(wǎng)難以全部承擔(dān)石化工業(yè)園區(qū)和電鐵等重要的大負(fù)荷，將嚴(yán)重影響供區(qū)內(nèi)配網(wǎng)的可靠性。因此，優(yōu)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(yōu)化后的接線方案利用本期220kV為兩線兩變的特點，將、M進(jìn)行分段，左右兩邊均帶一線一變；遠(yuǎn)景無論在哪一側(cè)擴(kuò)建，僅需停與擴(kuò)建側(cè)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(tǒng)可靠性。母線分段方式若按常規(guī)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(chǔ)上增加1個母聯(lián)間隔、2個分段間隔和2個母設(shè)間隔，增加投資約700萬元，顯然這種通過經(jīng)濟(jì)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(guān)取代母線分段間隔，可不增加母聯(lián)和母設(shè)間隔，同時分段隔離開關(guān)設(shè)置位置充分考慮變電站遠(yuǎn)景間隔的建設(shè)順序，具體方案如圖3-4所示。圖3-4 優(yōu)化后的220kV接線方案按優(yōu)化后的接線方案，本期建設(shè)的#1主變進(jìn)線間隔和龍泉出線間隔布置于分段隔離開關(guān)的右側(cè)，#2主變進(jìn)線間隔和惠泮線布置于分段隔離開關(guān)左側(cè)，兩個母設(shè)間隔布置于分段隔離開關(guān)兩側(cè)。為減少本期投資，備用線3、4和#3主變進(jìn)線間隔對應(yīng)的母線及母線隔離開關(guān)本期均未建設(shè)。以下將對母線分段隔離開關(guān)是否能避免全站停電做具體分析：1） 備用線1、2間隔擴(kuò)建備用線1、2本期均帶母線隔離開關(guān)，以備用線1擴(kuò)建為例，步驟如

15、下：備用線1間隔擴(kuò)建部分組裝完畢準(zhǔn)備準(zhǔn)備接入。母線分段隔離開關(guān)右側(cè)間隔全部斷開帶電間隔，打開分段隔離 開關(guān)；變電站通過惠灃線接入220kV系統(tǒng)，同時通過#2主變保證了對110kV和35kV側(cè)負(fù)荷的供電。備用線1間隔的擴(kuò)建部分接入分段隔離開關(guān)右側(cè)已停電的母線。對接過程不影響供電。對擴(kuò)建接口處進(jìn)行工頻耐壓試驗，將分段隔離開關(guān)右側(cè)負(fù)荷均調(diào)整至帶有母線PT的IIM左母線，備用I間隔利用IM右母線進(jìn)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(guān)和母線分段隔離開關(guān)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(kuò)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(xù)性。有所不同的是，母線分段隔離開關(guān)右側(cè)無母聯(lián)間隔，擴(kuò)建前需將右側(cè)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(jìn)線間隔擴(kuò)建 這三個間隔擴(kuò)建需連同母線一同擴(kuò)建，擴(kuò)建過程相對比較繁瑣，詳細(xì)步驟如下：擴(kuò)建部分組裝并試驗完畢，準(zhǔn)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(guān)。左側(cè)所有間隔均不帶電，完成擴(kuò)建部分在M處的接口對接并進(jìn)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(guān)，通過母聯(lián)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(guān)，完成M擴(kuò)建接口對接并進(jìn)行工頻耐壓試驗，由于M擴(kuò)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(jù)以上分析，增加母線分段隔離開關(guān)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(jié)綜上所述，鑒于中化變?yōu)榕R淄電網(wǎng)南部唯一220kV電網(wǎng)，該區(qū)薄弱的110kV電網(wǎng)無法單獨承擔(dān)石化工業(yè)園和電鐵等重要大負(fù)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(tǒng)雙母線接線的基礎(chǔ)上，在兩段母線的適當(dāng)位置增加兩組母線隔離開關(guān)，可擴(kuò)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(qū)域電網(wǎng)的供電可靠。雖然擴(kuò)建時將改用線變組運行方式，但考慮時間較短，其對電網(wǎng)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(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較優(yōu)。從安全、可靠、經(jīng)濟(jì)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(guān)的接線形式。4 110kV接線優(yōu)化4.1 可研階段110kV接線特點本工程110kV遠(yuǎn)景共12回出線，3回主變進(jìn)線，根據(jù)220kV500kV變電所設(shè)計技術(shù)規(guī)范（D

19、L/T 5218-2005）7.1.4條的規(guī)定：220kV變電所中的110kV配電裝置，當(dāng)出線回路數(shù)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(yuǎn)景連接元件總數(shù)為15回，本期連接元件總數(shù)為11回，可研方案按規(guī)程規(guī)定，遠(yuǎn)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(jù)3.2節(jié)中關(guān)于GIS擴(kuò)建停電的分析結(jié)果，可研方案中遠(yuǎn)景擴(kuò)建間隔均屬于帶母線隔離開關(guān)的間隔擴(kuò)建，每次間隔擴(kuò)建將導(dǎo)致110kV配電裝置全部停電6小時左右。按臨淄區(qū)南部電網(wǎng)的情況，本站110kV配電裝置全部停電不僅意味著該區(qū)域220kV電源無法送電，還令該區(qū)域原本薄

20、弱的110kV電網(wǎng)雪上加霜，嚴(yán)重影響石化工業(yè)園和電鐵等重要負(fù)荷，因此優(yōu)化110kV接線方式，避免全部停電具有重要意義。此外，隨著國內(nèi)外GIS產(chǎn)品的小型化發(fā)展，小型化GIS設(shè)備在減少占地面積、減輕構(gòu)筑物荷載、降低產(chǎn)品價格、減少SF6氣體使用和提高設(shè)備可靠性方面有著明顯的優(yōu)勢，電網(wǎng)中小型化GIS設(shè)備的使用量也在不斷提高。本工程作為標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站，GIS采用戶內(nèi)高層布置，采用小型化GIS設(shè)備對減少建筑面積和結(jié)構(gòu)耗鋼量具有重要意義。參考國內(nèi)主要廠家GIS生產(chǎn)廠家的資料，多數(shù)110kV GIS設(shè)備生產(chǎn)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(guān)與母線共用氣室，斷路器緊靠母線布

21、置，中間難以設(shè)置伸縮接頭，無法實現(xiàn)擴(kuò)建部分組裝試驗完成后再與母線對接，需從擴(kuò)建接口處往外組裝設(shè)備，相關(guān)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(shè)備擴(kuò)建接口處為正常大氣壓力，接口處盆式絕緣子靠母線側(cè)氣室為GIS設(shè)備工作壓力，約為5個大氣壓，接口處盆式絕緣子兩側(cè)壓差過大，在對接過程中易受外力沖擊導(dǎo)致絕緣子破裂而引發(fā)事故。因此，考慮施工安全，絕緣子母線側(cè)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(guān)，在小型化設(shè)備中母線隔離開關(guān)往往與母線

22、共用一個氣室，一旦氣室壓力降低，隔離開關(guān)無法起到電氣隔離作用，母線無法帶電運行，這意味從擴(kuò)建接口往外組裝設(shè)備開始至擴(kuò)建部分組裝、調(diào)試和試驗結(jié)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(guān)和斷路器之間增加兩個隔離氣室（如圖4-4所示），使擴(kuò)建過程中母線隔離開關(guān)的氣室無需降壓，避免擴(kuò)建過程中母線長時間停電。同時，為防止本期建設(shè)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(shè)備價格，擴(kuò)大了占地面積，使小型化設(shè)備的優(yōu)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(yōu)化方案為解決4.1節(jié)中存在的問題，110kV接線可按照220kV接線的優(yōu)化方案，在合適的位置增加母線分段隔離開關(guān)，如圖4-5所示：圖4-5 優(yōu)化后的110kV接線圖110kV配電裝置的#1和#2主變