220 kV变电站气体绝缘金属封闭开关设备优化配置探讨

史卓鹏，王志刚

（国网山西省电力公司经济技术研究院，山西 太原 030002）

0 引言

传统的220 kV变电站一般采用双母线接线、双母线带旁路接线或双母线三分段接线等几种形式，具有灵活、可靠等特点；但相对其他接线形式也存在节点较多、运行复杂、造价偏高、占地较大等问题。目前，我国各地220 kV网架日趋坚强，大量便于维护和运行的气体绝缘金属封闭开关设备GIS（Gas Insulated Switchgear） 技术相对成熟并投入使用。

变电站220 kV侧接线方式的选择，直接影响到配电装置型式的选择，应考虑所在地区的地理情况及环境条件，因地制宜，节约用地，且应满足运行安全和操作巡视方便、节约用地等要求。

1 电气主接线

1.1 工程概况

结合国内常见变电站建设规模和设备形式，拟定该变电站主要条件如下。

规划规模：主变压器规模 3×240 MVA；220 kV出线6回；110 kV出线15回；35 kV出线30回。

本期规模：主变压器规模 2×240 MVA；220 kV出线4回；110 kV出线10回；35 kV出线20回。

主要电气设备选择：220 kV、110 kV均采用国产GIS设备，35 kV采用国产开关柜。

1.2 电气布置原则

电气主接线的确定需结合变电站在电网中的地位和作用、站址环境条件、出线条件、电气设备选型、配电装置布置等条件综合考虑。电气主接线的选择应满足可靠性、灵活性、经济性3项基本原则。

1.2.1 可靠性

主接线的可靠性应根据国内外电力系统长期运行的实践经验进行定性分析；变电站电气布置应满足一次接线可靠的同时使二次接线尽量简单，提高二次接线的可靠性；应根据设备的可靠性合理选择主接线型式；变电站的可靠性应和变电站在电网中的地位和作用相匹配，任何设备检修时，不应影响对系统的供电，尽量避免变电站全部停运的可能性；除母联及分段断路器外，任何1台断路器检修期间，同时发生另1台断路器故障或拒动，不宜切除过多回路。

1.2.2 灵活性

电气主接线应满足调度运行、检修、事故处理及扩建时的灵活性。

调度运行中应可以灵活投入和切除变压器和线路，调配电源和负荷，满足在事故、检修以及特殊运行方式下的系统调度运行要求；检修时，可以方便停运断路器、母线及其继电保护设备，进行安全检修而不会影响电网的运行；事故时应可以快速准确隔离和切除事故，尽可能地减少动作断路器的数量，减小停电面积；扩建时，可适应从初期接线过渡到最终接线，在影响连续供电或停电时间最短的情况下，投入主变压器、线路而不互相干扰，并且使一次设备、二次设备部分的改建工作量最少。

1.2.3 经济性

电气布置在满足可靠性、灵活性前提下要做到经济合理。

在满足可靠性、经济性的前提下，电气布置方案应力求简单，以节省断路器、隔离开关、电流和电压互感器、避雷器等一次设备；力求继电保护和二次回路不过于复杂，以节省二次设备和控制电缆；主接线方案应能限制短路电流，以降低电气设备造价。变电站电气布置要为配电装置布置创造条件，尽量减少占用土地。

1.3 常用母线接线型式的优缺点分析

1.3.1 单母线接线的优缺点

优点主要有操作简便、结构清晰，节约占地和投资，方便日后改扩建。缺点是假如母线检修或者故障会使该母线所带负荷全部停电。适用于小型变电站，所以本次设计不予考虑。

1.3.2 单母线分段接线的优缺点

优点是用断路器将母线分段后，对重要负荷可以从不同段引出回路，保证了重要负荷供电的可靠性；用分段断路器对其中一段母线检修时，可保证正常段母线不间断供电，减少了母线故障的影响范围。

1.3.3 双母线接线的优缺点

优点是各个电源和各回路负荷可以任意分配到某一组母线上，能灵活地适应系统中各种运行方式调度和潮流变化的需要；向双母线的任何一个方向扩建，均不影响两组母线的电源盒负荷均匀分配，不会引起原有回路的停电。缺点是增加一组母线使每回路需增加一组母线隔离开关；当母线故障或者检修时，隔离开关作为倒换操作电器，容易产生误操作。如避免隔离开关误操作，需在隔离开关和断路器之间装设闭锁装置，增加设备成本。

1.4 主接线选择及优化

结合该220 kV变电站在系统中的地位、建设规模、出线情况，通过综合分析本站220 kV、110 kV待选主接线的可靠性、灵活性、经济性各项指标及GIS设备自身结构及气室特点，决定针对目前国内同等规模下常用的双母线接线进行分析并优化。

220 kV主接线采用双母线接线，设母联断路器，装设2组母线设备，本期上齐母线及备用间隔母线侧隔离开关，如图1所示。

图1 220 kV侧双母线接线示意图

优化目标：220 kV主接线采用单母三分段接线，设2组分段断路器，装设3组母线设备，本期上齐所有母线及分段间隔。如图2所示。

图2 220 kV侧单母线三分段接线示意图

2 变电站220 kV侧运行情况分析

如本站220 kV配电装置及110 kV配电装置均采用单母线三分段接线，母线隔离开关仅起安全隔离的作用，取消母线侧隔离开关并不影响系统的运行。出线侧隔离开关，当采用“T”接线路型式时，若该间隔断路器检修维护时，不需要停运“T”接线路中另外2台断路器，保证电网运行可靠性和设备的利用率。拟定220 kV和110 kV出线均无“T”接线路[1]，取消出线侧隔离开关，并不影响系统的正常运行。

由于GIS设备的高可靠性和特殊结构，即使断路器两端隔离开关都打开，也不能在现场解体检修；且断路器气室打开后，相邻气室也需降压或放气，相邻气室内设备需退出运行。GIS的隔离开关仅为外部设备（主变压器、线路等）及内部调试断路器提供电气安全隔离，也无法提供可见的隔离断口。单母线接线方式下，出线侧隔离开关总是与断路器同时退出、投入运行，仅起到为断路器检修提供安全隔离的作用，取消后并不影响系统安全运行。

3 优化前后综合经济比较

电气布置优化后保留主变压器进线侧隔离开关及接地开关，主要是为了现场检修主变压器时，隔离电源和保证检修人员的人身安全。架空线路检修时，虽然两侧断路器断开，隔离了电源，但是由于架空线路存在对地电容，以及平行架设的同名回路，在停运线路上存在感应电流，为保证线路检修时人员的安全，保留出线侧快速接地开关，对地释放电容电流及感应电流。

取消母线侧及出线侧隔离开关后，减少了故障点，有利于提高变电站的可靠性。

经过综合比较论证，取消母线侧隔离开关、接地开关及出线侧隔离开关、断路器侧接地开关，保留主变压器进线断路器侧隔离开关、接地开关及进出线侧接地开关，在不影响系统正常运行及检修人员安全下，提高变电站的可靠性和经济性。

在运行方式和本期新建、远景扩建或单母线故障停运灵活性方面单母三分段接线更加灵活，停电范围更小，操作更加简单。考虑设备投资费用、年运行检修费用及停电损失等因素，单母线三分段接线优于双母线接线。

4 优化前后方案技术经济比较

通过对双母线、单母线三分段接线在本期及远景、单母线故障停运等各种工况下220 kV电网运行情况的分析以及经济技术比较，汇总成表，如表1所示。

表1 主接线方案技术经济分析比较

5 结论

基于GIS设备可靠性较高的前提下，220 kV变电站主接线由双母线接线优化为单母三分段接线，且取消进出线及PT间隔母线侧隔离开关、接地开关及出线侧隔离开关。其优点是运行方式灵活，故障处理简单；元件数量少，操作相对简单；二次接线简单，可靠性高；主要设备动作次数少，设备全寿命周期长；扩建时不存在全站停电的可能性。与常规双母线接线相比主接线简化后220 kV GIS减少母线隔离开关18组，接地开关9组，出线间隔断路器侧隔离开关6组，接地开关6组，增加1个分段间隔和1个母线设备间隔，全寿命周期费用小。

GIS设备的结构特殊，取消220 kV变电站110 kV配电装置母线侧隔离开关、接地开关及出线侧隔离开关，本期上齐两个分段间隔。其优点是：元件数量减少，故障点少，可靠性高；远景扩建第三段母线时，不需要停电，停电范围小。主接线简化后110 kV隔离开关减少33组，接地开关减少33组，经济性好。

［1］ 王正风.智能变电站安全经济运行实用技术［M］.北京：水利水电出版社.2011：50-74.