（电力电子与电力传动专业论文）500kv新型枢纽变电所设计研究.pdf

东南大学工程硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t a sc o u n i r ye c o n o m yd e v e i o p i n ga n dp o w e rn e t w o r k se x t e n d j n g ，5 0 0 k vs u b s t a t i o n sw e r e i a 唱e l yi n c r e a s e d a tp r e s e n t ，t h ep o w e rn e t w o r k so fw h o l en a i i o nw e r ej o i n e da t5 0 0 kv ， w h i c hw a si h em a x i m u mv o l t a 2 eo fn a t i o n sp o w e rs y s t e m a c c o r d i n g ly t h i sp a p e ri a i ds t r o n ge m p h a s j z e so no p t i m i z i n gt h es w i t c h g e a ra n dt h e t u b u l a fb u sa n dc a i c u l a t j n gt h el i g h t n i n gi n 九j s hs u 唱eo f5 0 0 k vc e n t r a ls u b s t a t i o nt os a t i s 母 w i t hc h i n e s ec h a r a c t e s “c sa n dr e q u i r e m e n t so fj j a n g s up o w e rn e 山，o r k s s t u d yr e s u n sh a d s u c c e s s f u ia p p l i e di n5 0 0 k vw u b e is u b s t a t i o n ， w h o s e c a p a c i t a n c e w a sp r e s e n i i yt h e m a x i m u mi ne a s tc h i n a t h em a i nw o r k sa r ea sf o i i o w s ： a d e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r j s t i c so fe h vc o m b i n e de l e c t r i c a ie q u i p m e n t s b t h r e em a i nc o n n g u r a t i o n so fa ni n t e g r i t yo n e a n d h a l f b r e a k e r5 0 0 k vh g i sl o o p ： “3 + 0 ”m o d e ，“2 + l ”m o d ea n d “1 + 1 + l ”m o d ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n d a p p l i c a t j o n so ft h r e em o d e sr e s p e c t i v e i y t h eo p t i m i z a t i o n so fs w i t c h g e a rj n5 0 0 k v c e n t r a fs u b s t a t f o n ，t a k i n g5 0 0 k vw u b e is u b s t a t i o na sa ne x a m d l e e s s e n c e c r i t e r i o n sa b o u to p t i m j z a t j o n s ，s u j t i n gf o rj j a n g s up o w e rn e t w o r k s ，c o m ei n t ob e j n g c c o m p a r ea i se q u i p m e n t sa n dh - g i se q u i p m e n t s ，a p p i y j n gi n 5 0 0 k vc e n i r a i s u b s t a t i o n ，a n dd j s c l o s e t h a th - g i sh a sd i s t i n c t p r e d o m i n a n c ef r o m v i e w o f t e c h n i q u ea n de c o n o m y d m a t h e m a t i c a lm o d e l sa n de n g i n e e r n gs t a n d a r d sa b o u tc h o o s ea n dc h e c k o u to f c a 丌叫n gc a p a c i t yo ff a s t 画a t e ds u s p e n d e dt u b u l a r b u si n5 0 0 k vc e n t r a is u b s t a t i o n e s 口e c j a l l vs k i ne f f j c ta n ds k i ne f k c tc o e f f i c j e n t sc a l c u l a t i o no ft u b u l a rb u s t h e m a t h c a dc o e f n c i e n t sc a l c u l a t i o np r o g r a mc a nb ei n s e r t e dj n t oo t h e rr e i a t e d p g r a m sa n da v o j de r r o ra n di n c o n v e n i e n c eo f t r a d j t j o na 】g m p h o j o g ym e 咖o d e m e c h a n j c sc a l c u l a t i o no ff a s t i g i a t e ds u s p e n d e dt u b u l a r b u s ，m a i n l ya b o u te i e c t r i c j t y d y n a m i c a ic a i c u i a “o n ，w i n dp r e s s u r ec a l cu l a t i o na n dd j s p l a c e m e n tc a i c u i a t i o n t y p i c a lc h o o s ec r j t e r i 0 兀a n dc a l c u l a t i o np r o c e s so fi u b u l a f b u si n5 0 0 k vw u b e i s u b s t a t i o n ，p r o v i d ee s s e n t i a im e t h o da n df e f e r e n c ea b o u tt h es e l e c t i o no fi u b u l a r b u si n5 0 0 k vc e n t r a ls u b s t a t i o n f b n gf o n v a r da t p e m t pp r o g r a m a sn e w i i g h t n i n gi n r u s hs u 唱ec a i c u i a t i o n m e t h o d c o n s t m c tc j r c u i tm o d e l so fa l ss u b s t a t i o n g i ss u b s t a t o na n dh g i s s u b s t a t i o n t h em o d e l sh a v ei n n o v a t i o n sf r o mn a t j o n a la n di n t e m a t i o n a lr e l a t e d t e c h n j q u e ，a n da c h i e v ei n i e m a t i o n a ia d v a n c e dl e v e l _ d e e p l ys t u d yi n i t i a l i z a t i o n so f c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no fc a i c u l a t i i o nd a r a m e t e r s c o n n r m1 i g n t n i n 2w i t h s t a n d i e v e la n d l i g h t n i n ga r r e s t e r sc o l l o c a t i o n o f5 0 0 k vc e n 仃a is u b s t a t i o nt h r o u g h l i g h t n i n 窑i n r u s hs u r g ec a l c u l a t i n go f5 0 0 k vw u b e is u b 5 t a t i o n k e y w o r d s ：5 0 0 k vc e n t r a ls u b s t a t i o n ，s w i t c h g ea r h - g i s ，t u b u i a r b u s ，缸t i g i a t e ds u s p e n d e d c a 丌叫n gc a p a c i t y ，s k i ne 髓c tc o e f f i c i e n t ，m e c h a n i c sc a i c u l a t i o n ，i i g h t n i n gi n r u s h s u r g e ，m a t h c a d ，a t p e m t p i i 。y9 3 7 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：二蠡日期：狴纽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 东南大学工程硕二1 ：学位论文 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论 随着国民经济的发展，我国超高压电网迅速发展，变电站大量增加，这对高压开关 设备的功能和质量提出了很高的要求。同时由于变电站都占用大量土地，使我国的耕地 面积越来越小，主设备选择不同型式将影响占地大小。5 0 0 k v 大型变电站作为电力能源 的分配枢纽对地区经济生活起着非常重要的作用，保障供电安全可靠，己成为大型变 电站规划、设计应考虑的最基本要求。目前我国电力系统最高电压为5 0 0 k v ，并以此电 压进行全国联网。 江苏省地处发达的长三角地区，得天独厚的经济、社会条件，为江苏电网建设水平 的提升提供了良好的平台。2 0 0 3 年，江苏电网全省5 0 0 k w 及以上装机容量达2 2 0 8 0 m w ， 全国省网中处第三：全社会用电量为l5 0 51 2 亿k w h ，全国省网中处第三i 全社会最高 用电负荷为2 2 1 5 4 m w 。全国省网中处第三。根据规划预测，江苏省网规模将在2 0 0 5 年 左右达到3 5 0 0 0 m w 左右。现有数据表明，江苏电网己处于全国最大省网之列。在此基 础上，江苏屯网建没以“强网战略”作为今后的发展方向，而其核心就是5 0 0 k v 主干输 变电网架。至2 0 0 4 年底，江苏电网包括各个建设阶段的5 0 0 k v 变电所( 含开关站) 共 2 5 座，其中己投运1 6 座，在建9 座，规模已处在全国最前沿。 作为输变电网架的核心5 0 0 k v 枢纽变电所，存在许多新的技术问题，但其最核 心的问题有两个：配电装置平母线。此外，5 0 0 k v 变电所的雷屯侵入波的计算和分析也 成为越来越多的学者的研究重点。 变电站的配电装置形式，不但直接决定了项目的投资，而且对变电站安全可靠运行 及变电站周边环境起着十分重要的影响，随着我国经济的快速发展，对大型变电站配电 装置的选型己提出了更高的要求。配屯装置设计优化涉及到区别于常规a i s 设备的新型 组合电器如h g i s ( t m t d ) 、p a s s ( a b b ) o p t i g i m ( a r e v a ) 、h i s ( s j e m e n s ) 等在变电站设计中的应用，这些设备具有高可靠性：实现设备的小型化、紧凑化，减少 一 地：检修周期长，实现免( 少) 维护等优点。 目前，我国5 0 0 k v 超高压开关站主要有两大类：气体绝缘全金属封闭开关设备( g i s ) 和常规敞开式开关设备( a i s ) 。g i s 具有占地面积小，运行可靠性高，抗污秽及抗震能 力强等特点，大多数电站都倾向于采用g i s ，但由于g i s 价格昂贵、故障后短时间内难 以恢复，而且扩建困难，因此不能满足一些用户的需要。a i s 价格比g i s 便宜，但占地 面积很火而且带电部分外露较多，限制了它在电站面积狭小、环境条件恶劣的地方使用。 因此。一种介于g i s 和a i s 之间的、具有二者优点的高压电器，母线敞开式s 复合电 器( h g i s ) 应运而生。 随着5 0 0 k v 枢纽变电所的主变容量和母线穿越功率愈米愈大，传统的耐热软导线已 不能满足要求，国内外学者在采用大口径合金管形母线替代传统的耐热软导线这一论点 上基本一致。新型母线的选择则解决了5 0 0 k v 枢纽变电所突出的技术难题穿越功 率：同时它具有减小占地面积、简化构架、运行维护方便、临界电晕电压高对无线电 干扰小等一系列优点。 雷电是一种可怖而又壮观的自然现象。在现代生活中，雷电威胁人类的生命安全， 东南大学工程坝士学位论文第一章绪论 常使航空、通信、电力、建筑等许多部门遭受破坏；因此，雷电活动及其防护问题一直 引人关注。高压输电线路纵横交错，绵延万里，很容易遭受雷击，引起停屯事故，给国 民经济和人民生活带来严重损失。统计资料表明，雷害是造成高压输电线路停电事故的 主要原因。变电所的雷害可能来自两个方面，一是雷直击于变电所：二是雷击输电线路 产生的雷电过电压沿线路侵入变电所。 对直击雷的保护一般采用避雷针和避雷线。我国运行经验表明，凡按规程要求正确 装设避雷针、避雷线和接地装置的变电所，绕击和反击的事故率都非常低，每年每一百 个变电所发生绕击或反击约为0 3 次，防雷效果是很可靠的。 由于雷击线路比较频繁，因此雷电侵入波是造成变电所雷害事故的主要原因。当变 电所遭受雷电入侵时，其电气设备上所出现的过电压可达数百千伏轻者可使设备绝缘 闪络，、重者可使设备彻底毁坏。侵入变电所的雷电波的幅值虽然在一定程度上受到线路 绝缘水平的限制，但是因为线路的绝缘水平高于变电所电气设备的绝缘水平，因此必须 采j = | = | 防护措施来削弱来自线路的雷电侵入波幅值和陡度，限制变电所内的过电压水平， 才能避免电气设备发生雷害事故。 因此，对雷电入侵波在变电所电气设备上所产生的过电压进行模拟计算，找出过电 压的分布、变化规律，对防护此种雷电过电压、保护电气设备具有十分重要的意义，也 为变电所的设备绝缘选抒、避雷器绝缘配合方案提供了设计依据。 1 2 国内5 0 0 k v 枢纽变电所配电装置的技术需求 针对5 0 0 k v 枢纽变电所的配电装置，国内外一直在研究、探讨和实践，尤其针对新 型超高压组台电器在变电站中的应用，相关的设计研究己达数十年，某些技术观点上， 己取得了一些突破，且有些相关的技术问题己达到了工程化的阶段。 但有些问题一直处在探讨之中。如h g i s 设备在日本的应用较为广泛，已在十多个 变电站中得到实践；但中国电网设计、建蹬、运行的特点与日本差别较大，并且中国目 前h g i s 设备在 ：程中的实践较少，处于刚起步的阶段；而其它欧美国家儿乎不采用 h g i s 设备，因而对于国内来说基本没有工程实践，仅一些学者从理论角度在设备和应 用上作一些研究和探讨。目前，中国电网的水平和可靠性相对日本较弱，因此日本的设 计思路难以在中国得以实践，这就使得国内5 0 0 k v 配电装置布置型式必然与国外差别较 大，需研究针对中国特点的配电装置布置型式。 h g i s 配电装置布置型式目前国际上主要有“1 + 1 + 1 ”、“2 + 1 ”、“3 + o ”三种布置型 式，以一个半断路器接线考虑对应三种布置型式的5 0 0 k v 套管用量分别为6 、5 、4 只( 每只套管综合价1 4 3 万只) 。日本工程实践中，采用h g i s 新型组合电器的5 0 0 k v 枢纽变电所配电装置布置型式大多采用“3 + 0 ”方式。这样可以节约套管、节约投资： 但不利之处在于扩建时停电时间较挺。对电网可靠性相对日本较弱、运行经验基本没有 的江苏电网而言，研究一种适合江苏电网特点的布置型式具有重大的推广意义。 1 3 国内5 0 0 k v 枢纽变电所母线的技术需求 国内外一直在研究、探讨和实践大口径( 2 5 0 m m ) 合金管母线在变电站中的应用， 己取得了一些突破，部分成果己达到了工程化的阶段。 江苏电网5 0 0 k v 枢纽变电所的主变容量愈来愈大，早期的以2 5 0 0 m v a 为主：2 0 世纪9 0 年代建设的变电所主变容量均为3 7 5 0 m v a ：2 0 0 0 年后规划、建设的几座变电 所主变容量均为4 1 0 0 0 m v a ，尤其正在建设的武北变电所是目前中国容量最大的 东南人学丁程顾= l 学 ! ! 论文 第一章绪论 5 0 0 k v 枢纽变电所，容量之火世界亦较为罕见。另一方面，母线的穿越功率随着江苏电 网5 0 0 k v 枢纽网架建设的完善亦愈米愈大，2 0 世纪9 0 年代早期一般在3 5 0 0 m v a 左右， 2 0 0 0 年后穿越功率均达到了5 0 0 0 m 、，a 左右，对应的电流值为5 7 7 4 a ，如选择软导线， 至少需用3 n a h l g j o 1 4 4 0 工程基本无法实施，因此大口径合金管形母线则为最优 解决方案。国内外学者在采用大口径台金管形母线上，论点基本一致：但结合新型组合 式配电装置，工程实践中应该如何应用，则没有统一定论，尤其在工程设计上，对管形 母线载流量的选择、布置方式、动热稳定校验、力学计算、集肤效应的计算等，既没有 统一标准，亦没有固定算法。国内学者在这方面研究较多，也提出了一些较为新颖的思 路。结合江苏电网5 0 0 k v 枢纽变电所的特点，推出一套完整的管形母线选择、算法的思 路承i 程序，对工程实践具有重要的价值。 1 45 0 0 k v 枢纽变电所雷电侵入波研究现状 随着5 0 0 k v 输变电：r 程的建设干发展，各电力科研、设计单位对5 0 0 k v 变电所的 方案论证、试验和研究更加深入，雷电侵入波保护的计算和分析作为5 0 0 k v 变电所科研 和设计的一个重要内容为变电所的设备绝缘选择、避雷器绝缘配合方案提供了设计依 据。 当研究沿线路传来的雷电波侵入变电所的波过程时，由于输电线具有分布参数，避 雷器具有非线性伏安特性，同时变电所内设备和回路分支众多，雷电侵入波将发生复杂 的折反射。因此雷电波侵入5 0 0 k v 变电所主要是一个快速电磁暂态的过程，可通过电磁 暂态仿真软件进行计算。 国外在八十年代时，e m t p 程序得到了较为广泛的推广和应用，包括应用到雷电侵 入波仿真计算与分析的研究上。1 9 9 6 年a t p d r a w ( e m t p 制图预处理程序) 软件正式 公布，e m t p 程序得到了进一步的推广平应用，出现了多篇关于运用a t p e m t p 程序对 雷电侵入波进行了仿真计算与分析的文献。 随着5 0 0 k v 输变电：1 ：程的建发和发展，新型配电装置的不断涌现( 如g i s 、h g i s 设备等) ，以及新型输电线路的出现，以往建立的变电所雷电侵入波计算模犁己不再适 用，需要改进干完善。同时，在雷电侵入波计算初始条什的选取方面还存在许多需要完 善的地方例如雷击方式的选取雷击点的选取，侵入波波源的选取。工频电压源的考 虑，等。由于，e m t p 仿真程序也在不断自我更新经历了从d o s 版到w i n d o w s 版 的发展过程，从手j 填写输入卡到e m t p 制圈预处理软件a t p d r a w 的山现，这些变化 不仅使整个仿真计算过程变得更加快速、方便，而且对雷电侵入波的计算方法提出更新 的要求。囚此，在对5 0 0 k v 枢纽变电所雷电侵入波进行研究时，需要对计算方法、仿真 电路模型以及初始条件方面注入新的活力。 1 5 本文的主要工作 结合华东电网第一个新型组合电器和全国最大容量的5 0 0 k v 枢纽变电所武北 变电所的殴计研究，针对配电装置和管形母线的设计优化、雷电侵入波的计算和分析， 本文主要做了以下工作： 1 比较分析a i s 、g i s 和h g i s 等不同类型的组合式超高压电器设备优、缺点 乖j 应用场合的。从技术和经济两个角度，比较分析采用a i s 设备和采用h g i s 设备的5 0 0 k v 武北变电所的设计方案用工程实例说明选用h g i s 配电装 置的优势。 东南大学工程硕卜学位论文 鞯一章绪论 2 4 5 总结5 0 0 k v 配电装置一个i # 断路器接线形式下，一个完整串中h g i s 的三 种主要结构方式：“3 + o ”方式、“2 + l ”方式和“l + 1 + l ”方式的优、缺点 和应用场合。针对5 0 0 k v 武北变电所的设计成果，进行h g i s 设备的5 0 0 k v 枢纽变电所的5 0 0 k v 配电装置的研究和设计优化，并据此形成适合江苏电网 特点的5 0 0 k v 枢纽变电所配电装苴优化选型的基本标准。 描述悬吊式管形母线的基本结构、结构优点以及设计过程中的特殊问题，进 行悬吊式管母与支持式管母的比较分析，从而阐述悬吊式管母在超高压变电 所中的应用优势和特点。 从理论角度，着重介绍了5 0 0 k v 枢纽变电所中倾斜悬吊式管形母线载流量的 选择和校验、集肤效应和集肤效应系数的计算、管母电动力和风压的计算以 及管母拉力和位移的计算，详细描述了具体的计算过程及数学模型。以5 0 0 k v 武北变电所作为工程实例，详细说明5 0 0 k v 枢纽变电所管形母线的选择依 据、算法流程，文中所描述的数学方法和工程标准具有代表性，为5 0 0 k v 枢 纽变电所管形母线设计优化工作提供了主要思路和参考标准。 在吸收国内外先进技术的基础上，采用国际通用的电磁暂态计算程序 ( a t p e m t p 程序) ，对5 0 0 k v 枢纽变电所采用的新型配电装置( g i s 和 h g i s ) 干新型线路搭建仿真电路模型，进行雷电侵入波的计算和分析。本 文使州的电路模型及计算方法在国内外相关技术的基础上有所创新，经鉴定 已达到国际先进水平。以5 0 0 k v 武北变电所为工程实例搭建h g i s 变电 所模型，运用a t p e m t p 程序进行雷电侵入波的仿真计算。针对5 0 0 k v 武 北变屯所的实际情况及运行情况，分析了苛刻的一线一变的运行情况下雷击 塔顶与雷击导线等不同方式f 设备所承受的雷电过电压，确定了该5 0 0 k v 枢 纽变电所电气设备的耐雷水平及避雷器配置方案。理论成果在实际工程的应 用中得到了有关单位的好评。 东南人学工程f 0 i | 一【j 学位论文 第二章h - g i s 设备 2 1 概述 第二章h g i s 设备 5 0 0 k v 大型变电站作为电力能源的分配枢纽，对地区经济生活起着非常重要的作 用，保障供电安全可靠，己成为大型变电站规划、设计应考虑的最基本要求。变电站配 电装置形式，不但直接决定了项目的投资，而且对变电站安全可靠运行及变电站周边环 境起着十分重要的影响，随着我国经济的快速发展，对大型变电站配电装置的选型已提 出了更高的要求。 江苏省作为全国经济发达地区，随着经济的发展和电力需求的不断增加，对电能供 应的质量和可靠性提出了更高的要求。采用技术先进、可靠性高、免维护的电气设备， 合理控制：i ：程造价是提高电网安全可靠运行水平和企业效益的迫切要求。 2 1 i 超高压组合电器的发展 随着输变电工程的增多，设备的制造技术也在不断的完善和发展，如断路器从多油 断路器、少油断路器、s f 6 断路器到罐式断路器以及组合电器。电气设备性能的提高， 简化了电网接线，与相对复杂接线相比降低了工程投资。提高了超高压变电所运行的可 靠性，1 y 约一地面积，使安装及运行维护更为简单方便。 超高压开关装置一股分为三类：空气绝缘开关装置( a i s ) 、复合型开关装置以及密 封式组合电器( g i s ) 。图l l 表示的是超高压组合电器的不同发展分支。 复合型开关有罐式和支柱式两种。h g i s 是罐式复合开关的代表，由气体绝缘开关 和空气绝缘母线所组成，其特征是安装便捷，运行维护工作量少，但投资比a i s 略高。 2 12 不同类型的超高压组合电器的特点和应用 i a i s ( a i ri n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) 户外空气绝缘敞开式电气设备配电装置( a i s ) ，是目前我国5 0 0k v 大型变电站中 应用最普遍的一种配电装置形式“1 。其母线形式有软母线和管母线，而管母线又分为悬 挂管母线和支持管母线。 a i s 配电装置设各维护空间大、工作状态直观、扩建限制少、运行经验丰富、相对 投资省，是大型变电站首选配电装置形式“1 。 a i s 配电装置因大量采用瓷件支持高压带电体，并以空气作为绝缘介质，因此在 大气污染严重或在高海拔地区，需增大绝缘瓷件的爬电距离，或缩短人工清扫周期，这 在定程度上会增加此种配电装置的综合费用，降低该装置运行的可用率和可靠性。 a i s 配电装置设备型式多、占地大，场地内基础、支架、构架、道路、电缆沟、地 下管线等士建施工工作量大，周期长，各部分施工协调困难，设计、施工效率较低。设 备一般高近1 0 m 构架高近3 0 m ，建成后对周边的景观影响较大。目前华东地区新建大 型变电站占地面积一般均需6 7 h m 2 以上，因此a i s 配电装置的5 0 0 k v 变电站在经济发 达、人口密集地区选站困难“1 。 东南大学t 程0 ；j ：i ：学位论文第二章h g i s 设备 罐式复台型 开关 支柱式复合 型开关 图2 1超高压组合电器的不同发展分支 f 嘻2 - l d i 髓r e n td e v e l o p m e n t so f e h vc o m b i n e de l e c t r i c a ie q u i p m e n t s 2 g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) g i s 是一种金属封闭s f 6 气体绝缘组合电器，是将高压配电装置的一次设备用金属 外壳( 钢或铝) 封闭起来，用盆式绝缘子封闭端口，内充s f 6 气体绝缘，然后根据不同 功能要求将各元件组合起来。g i s 配电装置具有受环境影响小、安全性好、维护工作量 少、可靠性高、耐地震和占地省等诸多优点，已作为一种成熟配电装置形式在世界上得 到了广泛的应用。 g i s 设备中，断路器莉辐离开关采用独立的气室结构和独立的操作机构，可独立对 一个气室单元进行维护，设备事故互相影响小。 目前，g i s 设备在我国使用较少的主要原因是价格昂贵。 g i s 可大幅度缩小变电所用地，在恶劣的环境条件下仍可保持长期的可靠性和稳定 性，并能做到免( 少) 维护。但g i s 也有其固有的缺点：由于s f 6 气体的泄漏、外部 水分的渗入、导电杂质的存在、绝缘子老化等因素影响，都可能导致g i s 内部闪络故障。 g i s 的全密封结构使故障的定位及检修比较困难检修工作繁杂，事故后平均停电检修 时间比常规设备睦，其停电范丽大，常涉及非故障元件。 3 h g l s ( h v b r i dg a si n s u l a t e ds w i l c h g e a r ) h g i s 以g i s 技术为基础而设计出的一种不含母线的组合式高压电器，其基本元件 包括g i s 阁断路器( g c b ) 、隔离开关( d s ) 、接地开关( e s ) 、快速按地开关( f e s ) 、 电流互感器( c t ) 、电压互感器( p t ) 、充气套管等可与敞开式电压互感器、避雷器、 管形母线配合使用构成的新型配电装置”1 。 h g i s 具有占地面积小，运行可靠性高，抗污秽能力强，价格适中而且具有扩建方 便等优点。可满足我国部分用地较紧张、周围环境有污染、高地震烈度地区、资金不太 宽裕的5 0 0 k v 变电站的建设需要。 6 东南大学工程硕二i ：学位论文 第二章h g f s 设备 图2 2h g i s 外形示意图 f 嘻2 2 s k e c c hm a po fh g i s 因h g i s 只比g i s 少了封闭的母线故它几乎具备了g i s 的全部优点，与a i s 相 比具有如f 显著特点”4 ： a占地面积小； b 因所有设备密封在s f 。气体中，故几乎不受外界环境影响，可靠性高： c 性能优越，如部分厂家实现了5 0 0 k v 断路器单断口、6 3 k a 。 h g i s 是在g i s 基础之上形成的，但与g i s 仍有区别相比之下具有如下特点”1 ： a采用裸露的外母线，与g i s 相比可以节约母线的投资： b g i s 母线长且无气室分隔或气室间隔距离长，一旦漏气可能造成大面积停电， 恢复供电时间长：而h g l s 采用裸露的外母线，日常检修维护方便，即使发生 损坏也可在短时间内恢复： c h g i s 较适合于敞开式变电所的扩建、间隔的改造，而g i s 则不适用。 2 2h g i s 的结构方式及特点 目前，5 0 0 k v 配电装置一个半断路器接线形式下，一个完整的串中h g l s 主要有三 种结构方式：“i + i + l ”方式、“2 + l 方式和“3 + 0 ”方式。 2 21 “1 + i + l ”方式及特点 以断路器为单元，3 个断路器单元各自独立，中间通过软导线连接构成一个完整串 简称“l + 1 + 1 ”方式接线形式和外形如图2 - 3 、2 - 4 所示。 图2 3“l l + l ”方式的接线形式图 f i g 2 - 3 b u ss c h e m e o f “l + 1 + l ”m o d e 7 砖 一 弧 、0 丫l_二卜+l，1llll=r * 盯 、( 史 醴 挎， ，；-二h，广lnr 眦、砧 o rllll71i耻i- 一 * 盯 ， m钿卜l体， 晰，砖 o ril-i，一”r 一 * 盯 。3 一 ；h。lrll一批ll 东南大学工程坝_ 。学位论文 第二章h g l s 殴需 图2 4 f j g 2 4 该方式有如下优点“： “l + 1 + l ”方式的外形图 f i g u r e so f “1 + 1 + 1 ”m o d e i 布置较灵活，较适台于首期为不完整串的建设扩建、检修。 2 更换设备方便，停电面积小、时间短。 3 各单元间采用导体连接，在一串内可任意使用不同厂家断路器单元。 该方式也有缺点“： 1 当有出线反跳时，须加大场地。 2 与其他方式相比每串设备增加了若干出线套管( 与“3 + 0 ”方式相比，每串 增加6 只出线套管) ，设备费用稍大。 2 2 2“2 + 1 ”方式及特点 以断路器为单元，2 个断路器单元联成一个整体，另1 断路器单元独立，中间通过 导体连接构成一个完整串，简称“2 + l ”方式，接线形式和外形如图2 5 、2 6 所示a 幽2 5“2 t 1 ”方式的接线形式图 f i g 2 5 b u ss c h e m eo f 2 + l ”m o d e u艋蚓蜜刮碰 s 图2 6“2 t l ”方式的外形图 f i g 2 6 行g u r e so f “2 + l ， m o d e 该方式有如下优点“”： 1 布置较灵活，尤其是出线反跳时，设备可靠性较高，较适合于首期为不完整 瞻 砷呔 o ihl7lll秆p 一 铲 - 笆 霉， 嘶2_砖 i 小钠一 i勇 时h* 盯 匿上 毋!。， b卫酷 上 o o b 啼t 器f， 东南大学工程硕士学位论文第二章h g i s 设备 串的建设，扩建、检修。 2 更换没备方便，停电面积小、时间短，例如：扩建中间断路器单元时解开断 路器中间的连线后，线路仍可继续运行，扩建后再将连线接回，因此，仅解 线和接线时短时停电。 3 在一串内可任意使用不同厂家断路器单元。 该方式也有缺点“1 ： 1 与其他方式相比每串设备增加了若于出线套管( 与“3 + o ”方式相比，每串 增加3 只出线套管) 设备费用稍大。 在实际：l 程应用中，横沥站、西江站、香山站均采用了“2 + l ”方式“1 。 2 23“3 + 0 ”方式圾特点 以断路器为单元3 个断路器单元连成一个整体构成一个完整串。简称“3 + 0 ”方 式，接线形式和外形如图2 7 、2 8 所示。 8 s 68 坫 陆去# d s砖 l 岫牟一7 0 斗争崞j 二- 、卜4 一 4 e ：盯弧兰瓜 圈2 7“2 + l ”方式的接线形式图 f i g 2 - 7 b u ss c h e m eo f “2 + r m o d e 图2 8“2 + 1 ”方式的外形图 f i g2 - 8n g u r e so f “2 + 1 ”m o d e 此方式较适合于完整串一次性建成，优点是可大大压缩占地面积，设备可靠性更高 布置较灵活；但扩建断路器时，设备安装、试验该串需停电。缺点是扩建、检修不方 便，停电时间较长。当出线反跳时布置较困难“1 。 2 3h g i s 的贡献和前景 2 3 1h g l s 对5 0 0 k v 枢纽变电所的贡献 1 提高变电所的运行可靠性6 1 采用h g i s 后，与常规变电所比间隔内设备数量减少了，从而使变电所设备对地发 生污闪的概率减少了，需要检修维护的工作量减少了。 采用h g i s ，使间隔内出线套管的数量降低到最低点，由此引起的闪络几率降到最 t，1l七 s t i 博兰；b 吐 一 醯t ，i 东南大学工程顶卜学位论文第二章h g i s 设备 低点。此种鼓各断路器、屯流电压互感器、隔离开关、接地刀闸均封闭在金属罐体中， 不受外界环境的影响。且s f 6 绝缘气体稳定性强、绝缘强度高，提高了运行可靠性。 总之，h g i s 在尽量紧凑设各的同时采用了先进、成熟的技术，能够满足5 0 0 k v 枢 纽变电所的运行更为可靠、维护量更少的要求。 2 减少变电所的占地面积”1 h g l s 的一个突出特点就是设备紧凑、占地面积小。对5 0 0 k v 变电所中一个半断路 器接线形式下，每串采用不同类型的设备而产生的占地面积和价格比较，如表2 1 “1 所 示。 一表2 1三种设备的比较 t a b 2 一i c o m p a r i s o n so fc h r e ed j 髓r e n t t y p ee q u i p m e n t s 注：( 1 )设备价格参考己招标采购的国内变屯所设备价格。 ( 2 ) 间隔宽度受架空出线带电距离限制，故均选取2 8 m 。 从表2 1 可以看出，采用h g i s 占地面积只是a i s 的6 1 5 ，达到了大量压缩占地 的目的，与g i s 所达到的减少占地面积比只相差2 69 ：设备价格虽然接近a i s 的19 倍，但与g i s 相比相差甚远，且如考虑节约土地所减少的费用，造价比还会下降。h g i s 对减少5 0 0 k v 枢纽变屯所的占地面积起到了明显的作用。 3 降低对变电所环境的破坏干污染 随着电网的发展、变电所数量的增加，不可避免地对变电所周围的自然地貌、水土 保持、噪音、也磁干扰等造成了一定的影响，减少对周围环境的影响已经是变电所发展 的重要课题之一。 采用h g i s 的变电所占地面积较小，设备紧凑、数量少，可在尽量保持地貌的情况 下布置设备，降低了对环境的破坏程度。另外日常维护量相对较少，随着设备和技术的 发展远期可实现无人值班变电所，可降低对环境的污染。 2 3 2h g i s 的发展前景 近年来随着科技的发展，出现了将计算机技术、网络及通信技术、光电技术引入到 h g i s 之中的产品，其二次电流、电压等信息以数字量输出，并带有一体化的在线监测 系统和智能化功能，称为智能化h g i s 。智能化h g 1 s 的开发提高了变电所的综合自动 化水平，变传统的定期检修为状态检修，大大减少了变电所的运行维护成本，在技术上 可以实现少人值守、最终实现5 0 0 k v 无人值班变电所。 目前国际上只有澳大利弧有3 个2 4 5 k v 变电站采用了此类智能化h g i s ，其他国 家和地区尚未应用，故还需积累一定的运行经验，在国内还需编写相应的各种规程以指 导设计和用户应用。 综上所述，在我国电网建攻迅速发展的今天，部分5 0 0 k v 变电所受外界条件限制只 能采用紧凑型设备而目前从设备的发展情况看，h g i s 比较适合此类变电所。常规 h g i s 将成为适合在我国某些占地紧张、可靠性要求高的5 0 0 k v 变电所应用的理想产品。 2 4 本章小结 通过a l s 、g i s 和h g i s 等不同类型的组合式超高压电器设备优、缺点和应用场合 i o 东南大学_ = i _ ：程明一卜学位论立第二章h 0 j s 发薪 的比较分析，结合国内外h o i s 的应用现状和发展前景，认清在我国电网建设迅速发展 的今天，h g i s 以其占地面积小、结构紧凑、可靠性高等优势，必将成为我国5 0 0 k v 枢 纽变电所的理想选择。 本章还详细描述了5 0 0 k v 配电装置一个半断路器接线形式下一个完整串中h g i s 的三种主要结构方式：“3 + 0 ”方式、“2 + i 方式和“l + l + 】”方式，总结三种方式各自 的优、缺点和应用场合。 2 5 参考文献 【l 】 江苏省电力设计院，5 0 0 k v 武北变电所工程初步设计之5 0 0 k v 、2 2 0 k v 设各选 、型专题报告，2 0 0 4 年3 月 【2 】王晓京，5 0 0 k v 大型变电站配电装置的选型问题电力建设，第2 2 卷第l o 期 【3 】 王志毅新型5 0 0 k v 超高压开关设备( h g i s ) 的设计选择，电力建设，第2 5 卷第4 期 【4 】张劲松，5 0 0 k v 配电装置的选择和h g i s 的应用，电力建设，第2 5 卷第5 期 【5 】王志毅，m t s 在5 0 0 k v 变电所中的应用，高压电器，第4 0 卷第4 期 【6 l 蔡金博郝= = ；，徐东升，h ，g i s 在5 0 0 k v 变电所中的应用前景，吉林电力，2 0 0 3 年1 2 月，第6 期( 总第1 6 9 期) 【7 】张劲松，浅析g i s 在变电站的应用，广东电力，第1 4 卷第6 期 【8 】张劲松，郭芝喜，我国变电站首次使用5 0 0 千伏h g i s 的设计综评，规划与设 计 【9 】 水利电力部西北电力设计院编，电力工程屯气设计手册电气一次部分，水利 电力山版社，1 9 9 4 年 东南大学工程坝。f j 学位论义第三章5 0 0 k v 枢纽变i 乜所配r u 装置的优化 第三章5 0 0 k v 枢纽变电所配电装置的优化 3 1 工程实例 5 0 0 k v 武北变电所为华东地区第一座5 0 0 k v h - g i s 变电所，同时也是目前华东地区 变电容量最大的5 0 0 k v 变电所，并且5 0 0 k v 母线采用一个半断路器接线+ 分段接线这 在华东地区也是第一次，此项目中有许多新颖的技术问题值得研究和推广。 本章以5 0 0 k v 武北变电所为例对5 0 0 k v 枢纽变电作中配电装置选型和优化进行 研究。 3 1 1建设规模 5 0 0 k v 武北变电所的建设规模为： 1 主变压器 设计规模4 1 0 0 0 m v a ，本期建设2 1 0 0 0 m v a ，电压等级为5 0 0 2 2 0 3 5 k v 。 2 5 0 0 k v 出线 5 0 0 k v 远景出线1 2 回