变电站小型化设备选型研究报告Word文档格式.docx

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目前，GIS的电压等级已从35kV发展到1000kV，整体性能得到了很大提高，外形尺寸也越来越小，这对缩小户内变电站的占地面积提供了很好的条件。

2.2小型化GIS

随着SF6气体绝缘开关装置的设计制造水平不断提高，小型化是SF6气体绝缘开关装置的发展趋势。

使用小型化GIS布置可以减小占地面积，大大降低投资成本。

与传统GIS设备比较，小型化GIS设备具有以下方面优势:

（1）结构小、布置灵活：

①采用三工位开关，零件少，结构简单，占用空间小。

②每个间隔宽度变小，每个气室体积更小，布局更紧凑。

③GIS的所有元件，如断路器、隔离开关，电流互感器以及各种连接元件均为标准的模块化结构，每个元件结构更简单，体积更小，满足在各种条件下的布置要求。

④可以多个间隔整体运输，此可大大减少现场安装的工作量、人员及时间。

现场安装只需少量的起吊设备及专用工具。

⑤能够满足一些城市特殊布置的要求，为变电站的布置和周围环境的协调性创造更好的条件。

（2）设备价格优势明显：

小型化GIS结构更为简单，使用的零部件数大为减少，价格较传统的GIS有明显的下降，在相同技术参数配置的情况下，其价格一般是传统GIS的70%～80%，经济性好。

1、小型化GIS的发展方向

GIS设备小型化主要有以下几个发展方向：

采用三相共箱式结构；

GIS绝缘结构的改进；

新型元件如OPT、OCT、高电位梯度ZnO避雷器的应用；

断路器本体结构的改进等，下面分别进行介绍。

（1）三相共箱式结构

在72.5～300kV级，GIS设备明显趋向于三相共筒化。

欧洲和都在大力发展三相共筒化结构。

当前的装备技术水平已达到300kVGIS全三相共筒化结构，550kGIS母线三相共筒化结构。

1）新型共箱化设计

220kVGIS的新型共箱化设计主要体现在三相共气室设计上，每个功能模块的每相导体与外壳都呈同轴分布，各个功能模块之间分别通过三个单相法兰接口和三个独立的单相绝缘子与其他功能模块连接，但是均在一个完整的壳体内。

并且断路器模块的共箱化也可以使GIS产品的小型化得到了很大提升，其优点为：

1）进一步减小了开关设备占地面积小，减少了SF6用量。

2）三相磁场平衡，外壳涡流损耗很小。

3）传动零部件少，没有相与相间的外部传动拉杆，机械故障率小，且每相特性参数稳定，相间差异小。

图9.3-1新型共箱化设计220kVGIS结构图

相对三相绝缘子连接的共筒型设计相比，具备以下优势：

1）可靠性高,内部导体和外壳之间近似同轴圆柱的均匀电场分布，对地绝缘裕度大，而且相间电气故障的概率大为下降。

2）当断路器开断时，在灭弧过程中产生的带电粒子和热气流无极间击穿的可能，运行稳定安全可靠。

3）由于各个功能模块的所有三相组件均在一个单独的壳体内，避免了更多的外部气体管路连接，SF6气密性好。

新型共箱化设计，将单相设计与共筒设计的优点集为一体，避免了单相设计与共筒设计的缺点。

既使设备小型化，又提高了产品的可靠性。

（2）功能复合化设计

所谓复合化是将断路器、电压互感器、隔离开关、接地开关等置于同一个罐内。

如采用三工位隔离／接地开关，使几个功能部件共用一个罐体，可以使GIS结构更合理，体积更小，经济性更强，可靠性更高。

三菱公司新开发的全新概念超小型复合化GIS，其安装面积仅为原来的40％，体积约为原来产品的30％。

（3）断路器本体结构的改进

相对发展初期，GIS已广泛采用单断口断路器，使得GIS结构大为简化。

另一方面，在结构不断优化的基础上，GIS设备零件数大幅减少，促进了GIS小型化、轻量化的发展。

1）自能式断路器

近年来关于自能式断路器的研制是GIS研究中的热点。

它是采用自能＋助吹灭弧原理，充分利用电弧自身的能量，大大减少了机构操作功，研究表明这种断路器操作机构的操作功仅为单压式的1/5。

另外单断口断路器的采用是进一步减小GIS尺寸、提高开关工作可靠性的有效途径。

公司550kV双断口和单断口GCB的比较结果表明：

采用单断口结构的断路器本体的零件数可减少25%～30%，结构尺寸可减少40%左右，而生产成本可降低20%～30%。

2）全双动自能式断路器技术

全双动自能式断路器技术采用了全双动自能式灭弧原理。

与自能式灭弧室（热膨胀+辅助压气）相比，所需要的操作功更少。

断路器断口两侧的主触头、动弧触头、静触头和静弧触头均由连杆联接进行反向运动（全双动），不仅刚分速度显著增加，又降低了机械应力并进一步减少了机构操作功。

图9.3-2全双动自能式断路器

当开断大电流时，依靠电弧能量增压，此时泄压阀闭合，灭弧的能量由电弧自身提供；

当开断小电流时，泄压阀处于打开状态，压气所产生的高压气体吹灭小电流电弧。

每组断路器包括一台液压弹簧操作机构和三个独立的单断口灭弧室,检修时灭弧室可以很容易的从壳体中移出并以新的灭弧室替换。

（4）新型元件如OPT、OCT、高电位梯度ZnO避雷器的应用

现代光电及数字测控技术的应用使GIS的测控系统得到了突飞猛进的发展。

特别是光电压互感器（OPT）与光电流互感器（OCT）用于GIS已研制成功。

公司研制的OPT，只相当于线绕型互感器的1／3，而OCT的安装空间则只有原来的1／24。

为适应GIS进一步小型化的要求，设计人员对GIS中的部件进行了较大的技术革新，例如现代光电及数字测控技术的应用使GIS的测控系统得到了突飞猛进的发展。

特别是光电压互感器（OPT）与光电流互感器（OCT）用于GIS已研制成功。

公司研制的OPT，安装空间只相当于线绕型互感器的1/3，而OCT的安装空间则只有原来的1/24。

而且相对于传统的电压、电流互感器，OPT和OCT具有抗干扰能力强、绝缘性能好、无磁饱和等明显优点，因此其发展倍受关注。

对于GIS小型化问题有这样一种担心，即GIS的小型化是否会降低GIS的运行可靠性。

最近高电位梯度ZnO避雷器（普通的ZnO阀片电位梯度为200V/mm，而高电位梯度ZnO阀片电位梯度为400V/mm）成功研制说明GIS小型化与运行可靠性之间的矛盾并不是不可调和的。

日立公司已经将这种ZnO避雷器用于GIS中，降低了雷电冲击残压水平，使GIS的绝缘尺寸大大减小。

另外高电位梯度的ZnO元件与普通ZnO元件在罐式避雷器中的布置方式也是不同的。

普通型ZnO元件的布置为多柱式，整个布置呈之字型；

高电位梯度的ZnO元件的布置为单柱式，结构尺寸非常小。

（5）GIS绝缘结构的改进

最近使用交联聚乙烯电缆与GIC结合的办法设计制造长达上百公里的混合式气体绝缘管道输电线（HybridGasInsulatedCable，简称H-GIC）[6]，内部结构如图2所示。

从图中可看出相对于传统的GIC，这种H-GIC采用了分级绝缘结构。

其内导体采用交联聚乙烯电缆（除去金属外皮和半导体涂层），可以降低SF6气体的压强、减小H-GIC的外径，从而达到降低SF6使用量的目的。

图9.3-3H-GIC内部结构图

2、国内小型化GIS的发展现状

随着高电压技术和工业制造水平的发展，GIS设备小型化结构是一种必然趋势，同时设备生产厂家出于压缩成本等方面的考虑，也进一步促进了GIS设备的小型化发展。

据有关文献统计，目前，进口或合资厂商126kV产品间隔宽度最小可达到800mm，252产品间隔宽度最小1200mm，国产生产厂家126kV产品间隔宽度最小为1200mm。

为进一步了解国内主流GIS产品小型化问题，对部分厂家的结构尺寸和绝缘裕度进行了调查，详见表9.3-1。

因部分生产厂家未反馈统计数据，据不完全统计，国内220kVGIS最大尺寸的产品为ZF6-252型GIS，间隔宽度为3.3m，最小产品为ABBELK-14GIS产品，间隔宽度为1.68m；

110kVGIS最大尺寸的产品为GFBN12A型GIS，间隔宽度为1.45m，最小产品为ZFW20-145型GIS和ZF10-126G型GIS产品，间隔宽度为0.8m。

表9.3-1绝缘裕度调查统计表

同一电压等级GIS产品中，不少厂家同时生产大尺寸和小尺寸的产品。

总体而言，设备尺寸的减少将造成设备最小绝缘距离的减少，最大设计场强将增大，必然会牺牲设备的绝缘裕度。

但GIS设备的外部尺寸与设备的最小绝缘距离和设计最大场强之间无必然联系，例如新东北两种型号的220kVGIS产品：

ZFW20-252型宽度为1.8m，断路器气室最小绝缘距离为135mm，而ZF6-252型宽度为3.3m，断路器气室最小绝缘距离为105mm。

因此，不应仅从设备尺寸上考虑GIS设备小型化对绝缘裕度的影响，更应关注其设计最大场强和最小绝缘距离。

2.310kV气体开关柜

气体开关柜，户内变电站10kV配电装置一般采用金属装封闭开关柜。

根据主接线型式不同有不同布置型式。

户内变电站一般位于负荷密集的城市中心区域，10kV部分要求接线可靠性高，出线回路数较多，多采用单母线分段接线。

开关柜一般设专门配电装置室，开关柜通过封闭桥箱或绝缘母线经限流电抗器与变压器相连，其选型原则为：

（1）根据工程性质选择：

改造工程或者增容工程往往只需遵照原有产品进行适当的改进，以便配合使用。

而新工程则需要选用市场上评价好、质量可靠、功能新颖的主流产品。

（2）根据用户的用电技术参数选择：

计算负荷情况、额定电流、开断电流等技术参数选择适当的产品。

技术参数要求高的选断路器柜，优先考虑手车中置式开关柜；

反之选负荷开关柜，首选SF6开关柜。

（3）根据用户的投资能力选择：

预算较高的用户可选用手车中置式开关柜，反之可用固定式开关柜或负荷开关柜。

（4）根据用户的用电性质选择：

重要的负荷不能停电或不能长时间停电的建议用中置柜因其操作方便，产品互换性好，供电保障性高。

（5）根据用户的环境条件选择：

如温度、湿度、海拔、配电室的空间等，选择适当的产品。

在环境恶劣，对产品绝缘性能、耐污秽等级要求较高的场合，可选择手车中置式开关柜中的固封绝缘式断路器柜。

（6）根据用户对开关柜品牌、特性的要求选择适当的厂家和产品。

3选型过程中的问题及解决措施

3.1大容量变压器

解决电网建设与城市用地之间矛盾的措施之一是采用大容量变压器，增加单座变电站建设规模，以减少变电站座数。

但单台变压器额定容量的增加和单座变电站建设规模的扩大，可能对供电安全性和可靠性以及上下级电网之间结构及匹配方式产生影响。

另外，还牵涉到经济和变电设备生产及运行等问题。

采用大容量变压器可能带来２个问题：

①变压器10kV侧额定电流过大，超过10kV开关的额定容量；

②变压器10kV侧短路电流过大，超过10kV开关的额定开断容量。

因此在应用大容量变压器时，需根据实际需要对大容量变压器短路阻抗与短路电流水平、无功功率补偿容量、变压器结构、损耗等的关系进行分析,提出适合工程实践的参数。

针对上述问题，提出以下解决措施：

（1）对额定电流过大的解决措施

断路器的额定电流是断路器可以长期通过的最大电流，断路器长期通过的电流小于等于额定电流时，其发热的温度不会超过国家标准。

当10kV变电站采用大容量变压器时，其低压侧的额定电流与低压绕组的额定电压有关。

当大容量变压器低压侧为10kV时，变压器低压侧的额定电流大于断路器最大额定电流，为此可以采用两种方法：

1）变压器低压侧分两段母线式接线。

将变压器低压侧分成两段母线接线，每段母线各带了约１/２负荷，每个断路器只承担１/２变压器的额定电流，这样就解决了断路器额定电流不能满足要求的问题。

将不同变压器的一段母线和另一变压器的一段母线用母联开关相联，并装设备用电源自动投入装置可提高负荷的供电可靠性。

2）变压器低压侧采用分裂绕组。

变压器低压侧采用分裂绕组也可使低压侧断路器的额定电流降低１/２，同时由于采用了分裂绕组还可降低低压侧的短路电流。

（2）对短路电流过大的解决措施

1）通过改变110kV电气接线和减少变压器并列组数来降低短路电流。

2）采用高阻抗变压器,通过增加变压器阻抗来降低短路电流。

这样既可不改变110kV电气接线,又能更好地满足运行要求。

以下进行具体分析：

a.变压器阻抗与无功损耗的关系：

实际工程中变压器无功功率补偿容量的近似计算公式为QT≈Sr×

UK1,即变压器有载无功损耗QT与短路阻抗电压UK1成正比。

对普通变压器来说,UK1-2+UK2-3≈UK1-3,因此,

UK1=（UK1-2+UK1-3-UK2-3）/2=UK1-2

对高-低阻抗是高阻抗、高-中阻抗是普通阻抗的变压器来说：

QT≈Sr×

UK1-2;

但对高-中阻抗是高阻抗的V变压器,由于主、从绝缘结构的限制,上式并不成立。

假设（UK1-2+UK2-3）×

n=Uk1-3,其中n>

1,则UK1=（UK1-2+UK1-3-UK2-3）/2=UK1-2（1+n）/2+UK2-3（n-1）/2

显然,UK1>

UK1-2。

因此,变压器阻抗增大后,并不像普通阻抗变压器一样随UK1-2线性增大,而是更大的一个值。

阻抗提高后,无功损耗的增幅大于UK1-2的增幅,这是由高阻抗变压器的结构决定的,这使变压器的无功损耗增加。

b.变压器阻抗与结构、损耗的关系：

阻抗增大后,铁心的钢用量将降低,因此空载损耗会减小,绕组数将增大,铜的用量增加,因此负载损耗会增加,导致总损耗增加。

对芯式变压器,增大UK1-2,一方面漏磁通将增大,漏磁通过大,夹件和拉板等部件的温升会很高;

另一方面,受变压器厂家的生产设备、干燥罐的高度等因素的限制,对某些变压器厂来说,常规单柱式结构可能存在制造工艺上的困难,若采用双柱带旁柱的铁心结构,损耗和材料都会增加较多。

而壳式变压器在阻抗提高后,结构变化不大。

综上所述，大容量变压器阻抗电压的确定应综合考虑各方面因素,兼顾制造工艺、变压器的电能损耗和无功损耗等因素，选择合适的阻抗。

3.2小型化GIS设备

1、小型化设备主要问题

虽然GIS设备小型化是行业的发展趋势，但近年连续出现了小型化GIS设备质量问题，反映出GIS小型化后，其设备可靠性值得引起关注。

小型化GIS的质量问题可归结为以下几点：

（1）GIS的小型化，牺牲了设备的有效绝缘距离，提高了产品的设计最大场强，导致绝缘裕

度低于常规产品，必然降低了设备抗扰动能力。

（2）小型化产品对气室洁净度、导体表面光滑度，电场均匀度均有更高的要求，因此对制造

工艺和安装质量有更高的要求，但通过对行业内各设备厂家了解情况来看，大部分设备厂家的工艺控制、粉尘控制均存在漏洞，造成近年的GIS设备出厂质量总体下降趋势明显。

另一方面，工程实施环节中设备的安装工艺、安装环境把控不严，也导致入网设备质量堪忧。

（3）小型化产品对绝缘盆子、绝缘拉杆等零配件也有更高的质量要求，设备厂家对外协购件的质量管控也是影响小型化GIS运行可靠性的一个重要因素。

由于GIS小型化牺牲了有效绝缘距离，降低了绝缘裕度，且国内制造行业的工艺质量跟不上技术的发展，造成近几年来电网企业GIS设备质量问题频发的现象。

在GIS设备出厂监造环节，关键试验项目均能够发现重大质量问题；

在GIS设备安装验收环节，多次出现耐压击穿和其他的设备质量问题，严重影响基建工程、技改工程的按时保质投产。

在运行维护环节，GIS小型化导致GIS设备的运行可靠性降低，设备故障率居高不下，严重影响电网安全稳定运行和供电可靠性。

2、改进措施与成效

鉴于小型化GIS产品在目前存在的诸多问题，考虑从设计选型、出厂监造、安装验收等方面改变现有的局面。

针对设计选型，因行业内对小型化GIS无明确的界定，且国标、行标和电力企业标准标书对产品尺寸、绝缘裕度均无明确要求，设备选型阶段无法对小型化GIS设备做出限制。

需要进一步研究GIS小型化绝缘裕度问题，明确小型化GIS的界定，在设备设计选型阶段提出GIS设备合理的绝缘裕度要求，同时将GIS设备绝缘裕度要求写进设备标准技术规范书，以期在设备采购环节明确GIS产品的绝缘裕度，从技术标准上要求设备制造厂家提供绝缘裕度宽裕的产品。

3.3小型化设备布置优化技术

城市小型化变电站应在布置上进行优化，减少变电站占地面积，充分利用空间优势，采用如下布置技术。

（1）采用主变压器分体式侧上方布置形式变压器本体和散热器分体布置，将散热器适当抬高，利用下方空间布置其他设备，形成侧上方分体布置型式。

侧上方分体较之水平分体布置可以利用散热器下部的一层的空间，而与上下垂直分体相比，对变压器制造工艺的要求提高不多。

上下垂直分体变压器本体承受较高的油压而对制造工艺提出很高要求。

（2）将小型化GIS设备布置于楼层城市小型化变电站应尽量减少配电综合楼的占地，因此宜将重量较轻、小型化的220kV、110kVGIS设备布置在楼层上。

减少一层设备的数量。

将出线数量较多的35kV开关柜、10kV开关柜布置于一层，并采用大载流量绝缘母线连接。

3.4结论

（1）城市高负荷密度区域电网变电站的变压器采用更大容量变压器可以节约土地资源和投资，具有较好的社会效益和经济效益，应根据符合密度和供电可靠性要求进行设备选型。

（2）针对不同设备类型提出小型化设备选型依据和原则。

（3）总结小型化设备选型过程中的重点问题，并提出解决措施。

（4）提出城市小型化变电站的布置优化技术，减少变电站占地面积，充分利用空间优势。