程子豪 毛毳閩 姜 文 王家鵬 殷建剛 鄢旭冉
(1.湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,湖北武漢430040;2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司,湖北武漢430077;3.電子科技大學(xué),四川成都610054)
目前國(guó)內(nèi)220 kV變電站的高壓側(cè)及500 kV變電站的中壓側(cè)在新建工程中大多數(shù)采用雙母線接線方式,并預(yù)留有部分備用間隔。經(jīng)調(diào)研,當(dāng)前國(guó)內(nèi)主流組合電器廠家設(shè)計(jì)的220 kV母線隔離開(kāi)關(guān)均為單斷口結(jié)構(gòu)。該型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于GIS設(shè)備改擴(kuò)建耐壓試驗(yàn)時(shí),需對(duì)原運(yùn)行母線進(jìn)行停電處理,以規(guī)避隔離斷口過(guò)電壓疊加引起的放電擊穿問(wèn)題[1]。然而在實(shí)際工程建設(shè)中,已投運(yùn)變電站的220 kV雙母線全停不僅意味著巨大的停電經(jīng)濟(jì)性損失,還將對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成風(fēng)險(xiǎn)。該問(wèn)題已成為制約GIS改擴(kuò)建工程建設(shè)的頑疾[2]。
220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,能有效解決上述問(wèn)題,保障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行[3],大幅降低變電站建設(shè)的全壽命周期費(fèi)用。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于:
(1)雙斷口隔離開(kāi)關(guān)的任一個(gè)斷口均能滿足試驗(yàn)或運(yùn)行電壓的絕緣要求。兩個(gè)斷口的組合,使整體設(shè)備的斷口間能承受最極端的電壓,即試驗(yàn)電壓和運(yùn)行電壓之和。
(2)在設(shè)置有兩個(gè)斷口的基礎(chǔ)上,該型設(shè)備的動(dòng)觸頭中間設(shè)置有一組手動(dòng)接地開(kāi)關(guān)。當(dāng)其中一個(gè)斷口發(fā)生擊穿故障時(shí),作為中間接地點(diǎn),能避免影響母線正常運(yùn)行,有效控制事故范圍。
雙斷口隔離開(kāi)關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)已凸顯其良好的應(yīng)用前景。為滿足舊站改造及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化要求,含雙斷口隔離開(kāi)關(guān)的組合電器應(yīng)與常規(guī)GIS設(shè)備保持一定的通用性。下面以全戶內(nèi)220 kV變電站為例,對(duì)雙斷口隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備在變電站中的應(yīng)用進(jìn)行分析。
常規(guī)220 kV配電裝置在一期建設(shè)中一般終/本期均為雙母線接線。母聯(lián)及母線PT間隔一次上齊,預(yù)留若干備用出線及主變進(jìn)線間隔。若采用雙斷口設(shè)備,建議雙母線在一期建設(shè)中一次性上齊,且所有備用出線及備用主變進(jìn)線回路均采用雙斷口式母線隔離開(kāi)關(guān)。其他一期建設(shè)的完整220 kV間隔可采用常規(guī)母線隔離開(kāi)關(guān),以減少工程造價(jià)。
以國(guó)家電網(wǎng)通用設(shè)計(jì)A2-2方案[4]為例,220 kV配電裝置接線圖如圖1所示。
圖1 220 kV配電裝置接線圖
雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)的應(yīng)用沒(méi)有改變220 kV配電裝置的接線形式,也沒(méi)有增加整體設(shè)備氣室數(shù)量,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。
經(jīng)調(diào)研,目前國(guó)內(nèi)已有廣州±800 kV東方變電站、武漢220 kV黃金口變電站投運(yùn)了該類型設(shè)備。后文中雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)備參數(shù)均來(lái)源于已投運(yùn)站設(shè)備資料。
2.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)差異
常規(guī)母線隔離開(kāi)關(guān)多采用三工位結(jié)構(gòu),如圖2所示,其存在3種運(yùn)行工況,即隔離位置、合閘位置、接地位置,采用三胞胎殼體、三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)。
220 kV GIS間隔雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)采用的結(jié)構(gòu)與常規(guī)隔離開(kāi)關(guān)相似。差異在于雙斷口隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部配置了兩個(gè)能同時(shí)進(jìn)行分合操作的動(dòng)觸頭,以及一個(gè)后裝配的輔助接地開(kāi)關(guān)。雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)同樣采用三胞胎殼體、三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖2 常規(guī)母線隔離開(kāi)關(guān)三工位狀態(tài)示意圖
圖3 雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
2.2.2 設(shè)備尺寸差異
獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)具有同開(kāi)同閉的技術(shù)特點(diǎn),尺寸有所增加。與常規(guī)母線隔離開(kāi)關(guān)相比,雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)的尺寸如圖4所示。
圖4 雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)尺寸
雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)由于在普通三工位隔離開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)斷口,并且增加了擴(kuò)建端氣室,隔離開(kāi)關(guān)本體總長(zhǎng)度增加約1 m。此外,還增加了一個(gè)中間接地刀閘,設(shè)備高度增加約0.6 m。
2.2.3 整體設(shè)計(jì)方案差異
以國(guó)家電網(wǎng)通用設(shè)計(jì)A2-2方案為例,采用雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備的間隔斷面如圖5所示,雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)比常規(guī)設(shè)備高0.6 m,但并非戶內(nèi)GIS設(shè)備的最高點(diǎn),所以不影響室內(nèi)空高配置及吊裝。但縱向尺寸的增加將對(duì)帶電距離、運(yùn)輸尺寸產(chǎn)生影響。經(jīng)核實(shí),目前國(guó)家電網(wǎng)通用設(shè)計(jì)[4]中戶內(nèi)220 kV GIS室縱向尺寸為12.5 m,220 kV GIS間隔長(zhǎng)度為9.5 m,國(guó)家電網(wǎng)通用設(shè)備尺寸要求如圖6所示。雙斷口設(shè)備雖然單體長(zhǎng)度比常規(guī)隔離開(kāi)關(guān)增加了1 m,但供貨廠家對(duì)自身GIS設(shè)備整體進(jìn)行了緊湊化處理,對(duì)臥式斷路器及互感器等組件尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,使得設(shè)備總尺寸滿足通用設(shè)備9.5 m的要求[4]。
通過(guò)比較圖5、圖6不難看出,雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備的縱向尺寸有所增加,但由于進(jìn)行了緊湊化處理,GIS整體尺寸滿足通用設(shè)備要求。GIS母線至避雷器中心距為5 098 mm。戶內(nèi)主運(yùn)輸通道、巡視通道距離均滿足通用設(shè)備要求。綜上,該新型設(shè)備適用于220 kV變電站。
雙斷口GIS間隔遠(yuǎn)期擴(kuò)建安裝及耐壓試驗(yàn)示意圖如圖7所示,前期備用出線間隔建設(shè)有雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān),當(dāng)遠(yuǎn)期擴(kuò)建時(shí)需采取如下操作:(1)氣室1、氣室2中保持額定壓力;(2)將氣室3、氣室4中氣體降半壓;(3)將擴(kuò)建端屏蔽罩換成觸頭座結(jié)構(gòu),將擴(kuò)建部分從一側(cè)吊入進(jìn)行對(duì)接安裝;(4)對(duì)接安裝完畢后,氣室3、氣室4充入額定壓力的SF6氣體,并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。
由上述施工過(guò)程不難看出,雙斷口設(shè)備安裝方便快捷,且由于采用高性能隔離開(kāi)關(guān)及地刀,能在改擴(kuò)建工程施工時(shí)減少試驗(yàn)及充放氣次數(shù),有利于抑制SF6氣體的擴(kuò)散,為促進(jìn)環(huán)保型社會(huì)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。
雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)的輔助地刀僅在遠(yuǎn)期擴(kuò)建及檢修工況下啟用,平時(shí)處于常分狀態(tài)?;诎踩紤],采用手動(dòng)地刀,并設(shè)置機(jī)械鎖具,變電站二次設(shè)計(jì)中該地刀不進(jìn)五防邏輯。各地區(qū)對(duì)于手動(dòng)地刀是否設(shè)調(diào)度編號(hào)等要求不統(tǒng)一,故該地刀存在一定的運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)。
經(jīng)濟(jì)性比較是雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用的重要指標(biāo)。常規(guī)母線隔離開(kāi)關(guān)在備用間隔擴(kuò)建的耐壓試驗(yàn)及因設(shè)備故障引起的大修等工況下都需要母線停電,這將造成直接經(jīng)濟(jì)損失。而雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)無(wú)論是在擴(kuò)建還是其自身發(fā)生故障的工況下,都能規(guī)避母線停電。下面就以上述兩種工況下的直接停電損失進(jìn)行分析。
以國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)A2-2方案為例,終期3臺(tái)主變?nèi)萘?40 MVA,本期1臺(tái),按負(fù)載率50%考慮,下網(wǎng)容量120 MVA;遠(yuǎn)期接入3臺(tái)主變,下網(wǎng)容量360 MVA。
220 kV出線終期6回,本期3回,終期、本期采用雙母線接線。
目前國(guó)內(nèi)平均工業(yè)用電電價(jià)K=0.668 4元/kWh。計(jì)劃停運(yùn)期間,停電損失按正常電費(fèi)計(jì)列。非計(jì)劃停電期間,根據(jù)參考文獻(xiàn)[5],停電損失按正常電費(fèi)的20倍計(jì)列。
雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)與常規(guī)GIS設(shè)備的差價(jià)Δ≈40萬(wàn)元/臺(tái)。
變電站運(yùn)行周期Z1=50年,假定在Z2=20年完成全部擴(kuò)建達(dá)到終期規(guī)模,且假定220 kV配電裝置擴(kuò)建周期恒定。
圖5 采用雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備的間隔斷面圖
圖6 國(guó)家電網(wǎng)通用設(shè)備尺寸要求
擴(kuò)建及計(jì)劃內(nèi)停電檢修方式下,考慮到220 kV系統(tǒng)可以通過(guò)其他路徑送電,220 kV片區(qū)非故障停電的負(fù)荷約為正常下網(wǎng)容量的10%,停電時(shí)間T1=24 h。即本期Q1=12 MVA,遠(yuǎn)期(20年后)Q2=36 MVA。由于擴(kuò)建周期恒定,前20年非故障停電負(fù)荷為:
設(shè)備故障情況下,考慮到220 kV系統(tǒng)通過(guò)其他路徑送電需要調(diào)度運(yùn)行時(shí)間,220 kV故障停電的負(fù)荷為正常下網(wǎng)容量的100%,調(diào)度負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)間T2=1 h。即本期Q3=120 MVA,遠(yuǎn)期(20年后)Q4=360 MVA。同理,前20年故障停電負(fù)荷為:
轉(zhuǎn)供完成后,考慮計(jì)劃停電檢修方式下的電能受阻負(fù)荷,停電時(shí)間考慮到故障元件需要從設(shè)備廠家原廠調(diào)配更換,總停電時(shí)間T3=48 h。
關(guān)于元件的可靠性,根據(jù)文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]可知,影響GIS母線停電的單間隔故障率為:
投產(chǎn)年220 kV配電裝置進(jìn)出線及母聯(lián)回路共有5個(gè)間隔,故第1年GIS整體年故障率為:
投產(chǎn)后第20年220 kV配電裝置全部擴(kuò)建完畢,此時(shí)220 kV配電裝置進(jìn)出線及母聯(lián)回路共有10個(gè)間隔,故第20年后GIS整體年故障率為:
假定220 kV配電裝置擴(kuò)建周期恒定,即可測(cè)算出前20年GIS每年的故障率為:
20年后GIS整體年故障率維持λ20不變。
下文以一個(gè)備用間隔為例,首先計(jì)算采用常規(guī)母線隔離開(kāi)關(guān)時(shí)的停電損失。
(1)因備用間隔擴(kuò)建引起的停電損失為:
式中:0.1為單位換算,下同。
(2)投產(chǎn)20年內(nèi),因故障引起的停電損失為:
(3)投產(chǎn)20年后,達(dá)到終期規(guī)模。此時(shí)因故障引起的停電損失為:
以上為采用常規(guī)母線隔離開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的停電損失。若采用雙斷口設(shè)備將規(guī)避以上停電過(guò)程,但雙斷口設(shè)備費(fèi)用較高,按終期規(guī)??紤],設(shè)備費(fèi)用總差價(jià)為:
圖7 雙斷口GIS間隔遠(yuǎn)期擴(kuò)建安裝及耐壓試驗(yàn)示意圖
綜上,采用雙斷口設(shè)備在變電站運(yùn)行50年周期內(nèi)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為:
由上述計(jì)算可知,采用雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)技術(shù),具有顯著的直接經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。此外,雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)的應(yīng)用還能降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),減少運(yùn)維及管理成本,保障用戶用電可靠性,創(chuàng)造了良好的間接經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。
本文從功能性、適用性及經(jīng)濟(jì)性等角度出發(fā),對(duì)220 kV雙斷口母線隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析,對(duì)其母線不停電擴(kuò)建的功能進(jìn)行了論述,驗(yàn)證了其滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求,且能帶來(lái)良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益,是一種值得推廣應(yīng)用的新技術(shù)。