73 66kV智能变电站66kV电气设备全寿命周期比择

1、66kV智能变电站66kV电气设备全寿命周期比择谢云秀1 沈晔华2 （沈阳电力勘测设计院）【摘 要】本文以国家电网公司输变电工程通用设计、通用设备为基础，以变电站全寿命周期设计建设技术导则为导向，结合二牛66kV变电站新建工程的实际情况，对AIS和GIS两种形式的电气设备进行设备参数、土建接口、安装接口进行全面分析，通过全寿命成本最优比较，得出适宜本工程的66kV电气设备选择方案。【关键词】66kV智能变电站 全寿命 设备选择0 概述变电站主要电气设备的选型应以国家电网公司输变电工程通用设计、通用设备为基础，全面贯彻“两型一化”设计导则，根据变电站电气主接线形式、站址条件、系统接网方案、负荷性

2、质等条件综合考虑。主要电气设备的选型还关系变电站的供电可靠性以及后期的运行维护成本，本文旨在通过对66kV AIS和GIS两种型式的主要电气设备比选，结合二牛66kV变电站工程特点，选择出最优的电气设备型式，以达到变电站全寿命周期成本最优的要求。1 工程概况二牛66kV变电站位于康平县二牛镇二牛村供电营业所东侧，待建场地地形平坦，站区南侧与303省道相邻，进线方向位于站区东侧。远景规模：安装2台40MVA主变压器，66kV出线2回，10kV出线24回，66kV侧安装1台1900kVA消弧线圈，每段10kV母线安装1组3600+3000kvar电力电容器组成套装置。本期规模：安装2台20MVA主

3、变压器，66kV出线2回，10kV出线8回，66kV侧安装1台1900kVA消弧线圈，每段10kV母线安装1组3000kvar电力电容器组成套装置。2专题研究内容变电站66kV电气设备的选择全面贯彻资产全寿命周期成本管理要求，针对66kV AIS和GIS两种设备形式，在可靠性和安全性、可回收性、防灾和突发事件处理、资产全寿命周期成本最优五个方面进行全面的分析比较，得出全寿命周期最优结论。针对二牛66kV变电站工程规模，根据国家电网公司标准化建设成果（输变电工程通用设计、通用设备）应用目录（2013年版）中通用设备，本文电气设备选取AIS设备与GIS设备两种形式相比较，各电气设备主要技术参数详见

4、表2-1。表2-1 设备编号及主要技术参数序号设备形式设备名称通用设备编号主要技术参数1AIS72.5kV断路器CQF2000/31.5额定电压：72.5kV额定开断电流：31.5kA额定电流：2000A272.5kV隔离开关CQS-2D1250/31.5额定电压：72.5kV额定开断电流：31.5kA额定电流：1250A366kV电流互感器CTA-D-5-31.5额定电压：66kV额定开断电流：31.5kA额定电流比：2×600/54GIS72.5kV组合电器CGIS-2000/31.5额定电压：72.5kV额定开断电流：31.5kA额定电流：2000A本工程设计中选用通用设备，统

5、一设备参数、统一电气接口、统一二次接口、统一土建接口。设备采购过程中，通过国网公司集中规模招标，设备价格更低，可有效控制初始投入成本。3 设计方案比选3.1 AIS设备选型分析3.1.1 72.5kV断路器选型分析（1）设备参数72.5kV断路器采用瓷柱式SF6断路器，选择额定电流2000A，额定开断电流31.5kA/4s的产品。同时，断路器采用“”形钢结构支架，支架由设备制造商提供。（2）土建接口1断路器采用“”形钢结构支架，“”形支架间距取1600mm。2断路器本体上的机构箱高度满足如下要求：运行人员站在操作平台上进行操作时能保证运行人员的安全净距要求。3断路器每个基础采用4个地脚螺栓固定

6、，地脚螺栓由厂家随设备提供，并提供地脚螺栓尺寸及其埋深。4断路器高出地面的基础宽度不大于800mm。5断路器基础均高出地面200mm。（3）安装接口示意图图3.1-1 瓷柱式SF6断路器正视图、侧视图图3.1-2 瓷柱式SF6断路器基础尺寸示意图3.1.2 72.5kV隔离开关选型分析（1）设备参数72.5kV隔离开关采用双柱V型旋转式，选择额定电流1250A，额定开断电流31.5kA/4s的产品。鉴于隔离开关的安装方式和特点，隔离开关的接口分界面为隔离开关底座，采用螺栓与设备支架固定。（2）土建接口1隔离开关采用双柱支架安装，由业主自行采购。双柱间距为2000mm，支架高度不低于2700mm

7、。2双柱V型旋转式隔离开关底座与支架上的槽钢接口，隔离开关的底座安装槽钢和操作机构的安装方式宜由电气专业进行设计。操作机构现场安装，其连杆由设备制造厂提供。操作机构距离地面高度1000mm。3钢管支架可采用单杯口柱下独立基础，其它型式钢支架可采用预埋地脚螺栓的柱下独立基础。（3）安装接口示意图图3.1.2-1 双柱V型旋转式隔离开关正视图、侧视图图3.1.2-2 双柱V型旋转式隔离开关基础槽钢开孔详图3.1.3 66 kV电流互感器选型分析（1）设备参数66kV电流互感器采用干式正立式电流互感器，选择额定电流比为2×600/5A，额定开断电流31.5kA/4s的产品。鉴于电流互感器的

8、安装方式和特点，电流互感器的接口分界面为电流互感器底座，采用螺栓与设备支架固定。（2）土建接口66kV电流互感器支架采用镀锌钢管杆或钢筋混凝土环形等径杆，顶封板螺孔中心距离及螺孔大小同电气安装要求，采用410mm×410mm 4-f20mm；钢管杆颜色为银灰色，每个支架应有两个接地点，接地点高度与其他设备接地点一致。支架具体管径大小应根据规范要求及时确定。（3）安装接口示意图图3.1.3 66kV干式正立式电流互感器安装示意图3.1.4 AIS设备全寿命周期分析（1）二牛变电站66kV电气设备的工作电流本期为350A，远期为700A。以上设备参数选择均考虑到远期主变增容到40MVA的

9、情况，满足可扩展性设计的要求。（2）通过规定土建接口，AIS设备与基础之间均采用地脚螺栓连接，并且每种设备统一了螺栓规格和位置间距。可保证不同厂家同类设备之间的通用性，紧急情况时，可方便现场更换，满足事故处置防灾设计的要求。（3）AIS设备土建基础形式为独立基础，易于拆除。设备构、支架采用拆卸方便、易于回收的钢材，钢柱与基础、钢柱与钢梁构件之间的连接全部采用螺栓连接，方便安装和拆卸，满足可回收性设计要求。（4）AIS设备满足国网公司提出“统一设备参数、统一电气接口、统一二次接口、统一土建接口”的要求，解决了以往土建施工图设计受制于设备招标结果的问题。在初步设计审核后即可全面开展土建施工图设计，

10、节约设备招标阶段的23个月的时间，满足节约环保性设计要求。（5）SF6断路器中所含SF6气体量较小，一旦发生泄漏，SF6气体的泄漏量小，对环境造成污染较小。而隔离开关和电流互感器均不含SF6气体和绝缘油，满足节约环保性要求。（6）AIS设备设备易于操作维修，可维护性强。配电装置四周设置环形道路，内部设置检修道路和巡视小道，便于检修维护。设备与构支架皆采用螺栓连接，当需要更换、检修时方便拆卸和安装。（7）LCC成本计算依据全寿命周期内功能匹配、寿命协调和费用平衡原则，提出寿命匹配方案。本变电站位于辽宁省沈阳市康平县，属于温带季风气候，冬季平均气温在-12-13。一次设备整体寿命按30年考虑，全寿

11、命设计周期LCC值按30年计算。全寿命周期成本计算模型为：LCC=CI+CO+CM+CF+CDCI（初始投入成本）为89.2万元；CO+CM（运维成本+检修成本）为58.78万元；CF（故障成本）为151.5万元（注1）；CD（退役处置成本）为 -4.46万元。LCCAIS= CI+CO+CM+CF+CD=295.02万元注1：二牛变电站66kV侧为内桥接线，继电保护设置备自投装置。当线路间隔AIS设备故障，备自投装置动作，基本上不影响供电；当主变间隔AIS设备故障，将会造成变电站停电，除了维修费用，还需要考虑故障停电费用。二牛变电站的供电负荷有两种，分别为正常用电和农业灌溉用电。本工程仅以设

12、备复杂故障为例进行全寿命周期计算，72.5kV断路器故障，停电维修时间约5小时；72.5kV隔离开关故障，停电维修时间约4小时；66kV干式电流互感器故障，停电维修时间约1小时。表3.1.4 AIS设备故障成本计算表 设备名称故障维修费用正常用电损失灌溉用电损失故障成本72.5kV断路器5.6万元×10次=56万元5000kVA×10次×5小时×1.5元/kwh=37.5万元3000kVA×10次×5小时×1.5元/kwh =22.5万元116万元72.5kV隔离开关1万元×5次=5万元5000kVA×5

13、次×4小时×1.5元/kwh =15万元3000kVA×5次×4小时×1.5元/kwh =9万元29万元66kV电流互感器0.1万元×5次=0.5万元5000kVA×5次×1小时×1.5元/kwh =3.75万元3000kVA×5次×1小时×1.5元/kwh =2.25万元6.5万元 CF（故障成本）= 116 + 29 + 6.5 = 151.5（万元）表3.2 66kV电气设备常见故障情况分析序号设备名称常见故障故障维修费用故障次数停电时间（假设1台主变停电）172.5k

14、V断路器1、机械部分：机械卡滞及转换开关不到位,烧分、合线圈及电机。2、二次部分：空开、接触器及二次端子接触不良及烧坏。3、接头发热。4、断路器漏气（六氟化硫报警、闭锁）。0.3-0.5万0.1万5万3年1次5小时272.5kV隔离开关接头发热；刀闸接头、接线板及软连接部分，弹簧生锈变形，弹力下降；机构操作困难引起的分合位置错位及插入不够；接线板螺丝年久锈死严重，压力下降。0.1万-1万6年1次4小时366kV电流互感器1、接线板过热。运行经验少，设备可靠性好，目前无其他故障。0.1万6年1次1小时472.5kV组合电器1、机械部分：机械卡滞及转换开关不到位,烧分、合线圈及电机；2、二次部分：

15、空开、接触器、带电显示器及二次端子接触不良及烧坏。0.3-0.5万0.1万3年1次5小时3、漏气（六氟化硫报警、闭锁）。4、户外盘式绝缘子裂纹。6万暂按15年1次48小时注：上表参数由沈阳供电公司运维检修部提供。3.2 GIS设备选型分析3.2.1 72.5kV组合电器设备选型分析（1）设备参数72.5kV组合电器采用三相共箱式设备，户外布置。选择断路器和隔离开关额定电流2000A，额定开断电流31.5kA/4s，电流互感器额定电流比2×600/5A的产品。布置方案间隔宽度为1.5m和0.8m两种。（2）电气一次接口72.5kV组合电器采用架空进出线方式。根据间隔宽度及进出线方向确定

16、基础平台宽度。二次电缆沟布置靠近主变压器侧，尺寸根据具体工程确定。（3）土建接口72.5kV组合电器安装平台采用整体大板基础，在通用设备基础尺寸范围内预留上层基础插筋，待设备厂家确定基础尺寸后，二次浇注上部基础平台，并应高出地面150mm。 常用GIS设备外形尺寸根据各厂家资料，以标准的线路变压器组接线间隔（电缆出线）为例，各设备厂家72.5kV组合电器外形及安装尺寸如表3.2.2所示。表3.2.2 各设备厂家72.5kV组合电器外形及安装尺寸一览表序号厂家名称间隔长度（mm）间隔高度（mm）留孔尺寸（mm）单间隔总重（t）间隔宽度（m）1河南平高74083072600×6005t1

17、.02山东泰开76032956650×6505t0.863西安西电71233112600×600不大于5t1.24泰安泰山70403335550×5506.5t1.05江苏如高69693003800×6002.8t0.856正泰电气72763007800×8004.8t1.2由上表可见，各厂家的72.5kV组合电器设备宽度范围主要在0.85m1.2m，设备长度范围主要在6.9m7.6m，宽度和长度差异均较大。 GIS设备全寿命周期分析（1）GIS设备为免维护产品，安全可靠性比AIS设备更高。（2）设备参数选择均考虑到远期主变增容到40MVA的情

18、况，满足可扩展性设计的要求。（3）通过对各设备厂家的72.5kV组合电器相比较，外形尺寸差异较大，而且结构布置不同，荷载点位置差异也很大，需要等待设备厂家确定后，才能二次浇注上部基础平台混凝土。发生事故时，不同厂家设备无法实现互换，事故处置防灾设计的灵活性不足。（4）72.5kV组合电器土建基础形式为大板基础，难于拆除，不利于回收，不满足可回收性设计要求。（5）本方案中GIS为户外布置，GIS设备中所含SF6气体量较大，一旦发生泄漏，SF6气体的泄漏量大，且无法回收，对环境造成污染较严重。根据运行经验，户外GIS的机构箱易于发生渗雨和锈蚀等故障，不满足节约环保性设计要求。（6）GIS设备属于免

19、维护产品，一旦设备内部元件故障需更换，则需要先回收气体，再解体GIS设备进行更换，并且对检修维护环境的整洁度要求极高。（7）LCC成本计算本工程72.5kV组合电器初次投资成本320万元，设备整体寿命按30年考虑，全寿命设计周期LCC值按30年计算。全寿命周期成本计算模型为：LCC=CI+CO+CM+CF+CDCI（初始投入成本）为320万元；CO+CM（运维成本+检修成本）为211.2万元；CF（故障成本）为124.8万元（注2）；CD（退役处置成本）为 -16万元。LCCGIS= CI+CO+CM+CF+CD=640万元注2：本工程仅以设备复杂故障为例进行全寿命周期计算， 72.5kV组合

20、电器故障，停电维修时间约48小时。表3.2.3 GIS设备故障成本计算表 设备名称故障维修费用正常用电损失灌溉用电损失故障成本72.5kV GIS6万元×1次=7.2万元5000kVA×（10次×5小时+1次×48小时）×1.5元/kwh=73.5万元3000kVA×（10次×5小时+1次×48小时）×1.5元/kwh=44.1万元124.8万元3.3 技术经济比较表3.3 66kV电气设备技术经济比较表序号比较项目AIS方案GIS方案1进线方式架空进线同AIS方案2占地面积横向尺寸为23.4m，占地面积

21、为966m2。 横向尺寸为13.4m，占地面积为553m2，节省占地413m2。节省建设场地征用费31.5万元。3安全可靠性现场有裸露导体，安全可靠性低； 现场没有裸露导体，安全可靠性高；4运行和维护设备易于操作维修，可维护性强。设备与构支架皆采用螺栓连接，当需要更换、检修时方便拆卸和安装。主要设备密封于SF6气体内，正常运行免维护，检修周期较长，一旦故障现场检修需进行充放气操作，检修困难。 5施工安装安装简单，安装调试简便，对接地电阻要求低，主接地网材料较少，工艺简单。 气室单元在工厂组装、调试和密封，现场安装工作量小；安装复杂，需厂家指导。主接地网材料较多，工艺复杂7可扩展性扩建方便，后期设备选型不受前期影响，停电时间短。扩建困难，停电时间长，新建工程初期需考虑扩建方案，且在同一间隔扩建需