老旧变电站敞开式设备HGIS改造分析

李海波，张建军

（国网甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州 730050)

老旧变电站敞开式设备HGIS改造分析

李海波，张建军

（国网甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州 730050)

简述了HGIS设备的主要优点，结合甘肃电网实际情况分析了老旧超高压变电站存在的问题，提出了对老旧变电站进行HGIS改造的优势条件，论证了改造工作的可行性，为解决甘肃电网老旧变电站改造提供了新思路。

老旧变电站；敞开式设备；HGIS；升级改造

0 引言

甘肃电网上世纪八九十年代投运的330 kV变电站均为敞开式变电站，部分变电站330 kV断路器选用罐式断路器。由于受选址条件等因素影响，户外设备运行环境恶劣，隔离开关存在瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、锈蚀等几大难题，支持瓷柱外绝缘容易发生污闪，在不改变布置结构的情况下通过对原有设备进行大修或技改难以满足设备可靠运行的要求。

HGIS(紧凑型组合式高压开关设备)可在保证变电站原有接线方式及保留旧有罐式断路器的基础上，通过更换隔离开关、接地开关、电流互感器等设备，完成对敞开式设备的改造，能完全解决敞开式设备存在的问题，在老旧变电站设备改造中独具优势，具备推广价值。

1 HGIS基本情况

1.1 HGIS特点

HGIS是一种介于GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)和AIS(空气绝缘开关设备)之间的新型高压开关设备。HGIS的结构与GIS基本相同，但它不包括母线设备。HGIS将一座变电站中除变压器、母线以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。

HGIS在日本使用非常广泛，自第1套HGIS于1973年投运至今，已运行了几百套。在国内，HGIS于2003年在广东省500 kV横沥变电站投入运行，近年来已在国内得到广泛应用；同时其在750 kV变电站、1 100 kV变电站也开始逐步得到应用。HGIS的主要生产厂家，国外有日本三菱MITS、西门子等公司，国内有西安西电开关电气有限公司、平高集团有限责任公司和新东北电气集团有限公司3家电气设备制造企业。

1.3 老旧变电站开展HGIS改造的优势

老旧变电站主要采用AIS敞开式设备，受停电等因素影响，其较新建变电站而言，设备改造存在一定的难度。HGIS模块化，应用灵活，降低了老旧变电站升级改造的施工难度和投资规模，同时提高了设备运行可靠性，适宜于老旧变电站的改造。上世纪五六十年代，欧洲就开始对敞开式老旧变电站进行HGIS改造，并取得了成功。

2 老旧变电站HGIS升级改造的优势

(1) 户外高压隔离开关是受环境和气候影响最大的电气设备之一。其运行条件比较恶劣，常年累月受到各种不良环境和气候的影响，容易产生机械或电气方面的故障。根据我国电力系统实际运行统计和调查分析，户外高压隔离开关经常出现瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热和锈蚀4类问题，并且不容易解决。经HGIS改造后，由于主要功能元件全部被封闭在气体绝缘壳体内，因而抵御外界环境影响的能力较强，且将隔离开关和接地开关封闭在充气的壳体内，有效避免了户外隔离开关存在的问题。

(2) 受条件限制，部分变电站不可避免地选择在污秽地区，污闪故障频繁发生。以3/2接线方式为例，若断路器选用罐式断路器，在不考虑独立支持瓷柱的情况下，1个完整串间隔内的AIS外露断路器瓷套及刀闸支持瓷柱有54只，而HGIS外露断路器瓷套及刀闸支持瓷柱仅为12只。因此，HGIS改造后可大大减少绝缘套管和支柱瓷柱的数量，从而降低绝缘支柱因污染造成对地闪络的几率，有效提高设备运行的可靠性，同时也可减少瓷套防污费用。

(3) 由于GIS母线筒长且无气室分隔或气室间隔距离长，母线筒一旦漏气将造成大面积停电，恢复供电需要时间较长。近年来，在超高压GIS中频繁发生母线筒受环境温度影响发生位移造成漏气的重大故障。而HGIS保留了AIS的特点，只将发生事故几率极低的母线暴露在空气中，设备结构简单、接线清晰、安装维护方便、运行可靠性高，具有明显的优点。

(4) 常规AIS存在隔离开关与接地开关间各种可能的误操作，给设备倒闸操作带来了隐患。而HGIS隔离开关与接地开关的合一，简化了结构，大大缩小了尺寸。这种隔离开关与接地开关因其结构设计的特点，可省略它们之间的电气操作联锁，杜绝了误操作的可能性，有效提升了人员及设备的安全。

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(5) 由于HGIS改造采用在制造厂预制式整体组装调试、模块化整体运输和现场施工安装的方式，现场施工安装更为简单、方便。在运维过程中，HGIS基本属于免维护产品，后期维护成本相应降低。敞开式设备隔离开关和接地开关机械寿命一般约为3 000次，而HGIS中的各种操作元件的机械寿命都高达10 000次。

(6) HGIS的造价介于AIS和GIS之间。以500 kV变电站1个完整串报价为例，紧凑型HGIS价格低于GIS，但与罐式断路器相比差价不大。国内1个完整串罐式断路器加隔离开关总价约1 400万元，HGIS国内制造厂报价比其高约400万元，国外制造厂报价比其高约600万元。此外，HGIS减少了变电站支架、钢材的需用量；且由于其基础小，工程量少，混凝土用量少，也减少了基础工作量和费用开支。

(7) HGIS与AIS的综合性能比较如表1所示。

表1 HGIS与AIS的性能比较

3 甘肃电网老旧330 kV变电站现状

(1) 甘肃电网投运的超高压变电站中，有12座敞开式变电站330 kV开关设备选用罐式断路器，共计121台；隔离开关也选用敞开式，具备HGIS改造的条件。在其中7座上世纪八九十年代投产的老旧变电站中，有4座位于污秽等级为c级的区域，有3座位于污秽等级为d级的区域。

(2) 以330 kV C站为例对敞开式老旧变电站进行分析。330 kV C站为敞开式变电站，于1999年投运，地处d级污秽区，周围分布诸多小砖厂，环境污染对设备造成的危害巨大。

330 kV C站断路器选用LW13-330型罐式断路器，为西安西电开关电气有限公司和西安西电三菱电机开关设备有限公司生产。在C站运行的18台330 kV罐式SF6断路器中，有12台为1999—2000年投运的产品，运行时间已超过12年，按照制造厂家关于检修周期的规定：“对于运行时间已达到或超过12年的罐式SF6断路器应进行检修”，因此需要安排对断路器进行A类检修。

330 kV C站隔离开关选用沈阳高压开关厂、西安西电高压开关有限责任公司、河南平高电气股份有限公司生产的户外隔离开关，曾多次发生因隔离开关触头污染锈蚀造成的发热甚至回路断流故障，迫使设备停运，极大地降低了设备的可靠性。330 kV C站隔离开关缺陷统计如表2所示。在处理此类故障时多采用更换触头的方式解决，但因常规设备导电部分长期暴露在空气中，更换后的新部件在2～3年内即失效，所以简单的处理无法从根本上解决外界环境污染对设备造成的影响。

4 老旧变电站HGIS改造的典型方案

由于原罐式断路器与HGIS所用断路器型号相同，借用原罐式断路器和拆除AIS后的位置，将AIS更改为HGIS，从而降低改造成本。首先结合改造对断路器开展现场A类检修，检修后按照HGIS布置，原开关套管不再复装，而是用于新改造的HGIS结构中；由于原罐式断路器的电流互感器是外置式，而HGIS为内置式，所以需要重新设计电流互感器；此外，套管内中心导体也需要重新设计。

4.1 “3+0”结构

以断路器为单元，3台断路器单元连成整体构成1个完整串。此布置方式的优点是：接线的配置可完全与敞开式设备一致，进出线侧可配置隔离开关，设备可靠性高，较适合1个完整串一次性建成；缺点是：扩建及检修不方便，布置不够灵活。改造后效果如图1所示。

具体的改造方法为：将罐式断路器电流互感器、套管拆除，按照设计，通过一次对接完成HGIS具体改造；但此改造方法对基础要求较高，需要重做部分基础，所需套管数量较少。

4.2 “1+1+1”结构

以断路器为单元，3台断路器单元全部独立布置，中间通过软导线连接构成1个完整串。此布置方式的优点是布置较灵活，较适合原设备为不完整串(线-线串)的设备。其扩建非常方便， 出线只须短时停电，同一个串可使用不同厂家断路器单元。改造后效果如图2所示。

具体的改造方法为：将罐式断路器电流互感器、套管拆除，按照图2进行设计，完成HGIS具体改造。此改造方法需要重做部分基础，所需套管数量较多，但对基础要求较低。通过架空线完成HGIS布置。从现场实际出发，此种结构灵活性大，最适宜于现场AIS的改造。

5 结束语

通过HGIS改造可有效解决户外高压隔离开关经常出现的瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路发热、锈蚀等难题，同时也大大减少了绝缘支柱数量，降低了设备外绝缘污闪的几率，提高了设备运行的可靠性。在保证基本接线方式不变的条件下，HGIS改造可有效利用原罐式断路器及其基础等，经济性能最优。通过HGIS改造还可实现一次设备和二次设备完整成套，二次设备趋于智能化、数字化和微机化，完全适应电网设备智能化发展方向，为变电站开展无人值守创造条件。

表2 330 kV C站隔离开关缺陷统计

图1 “3+0”结构布置

图2 “1+1+1”结构布置

1 国家电网公司.国家电网公司十八项电网重大反事故措施[M].北京：中国电力出版社，2012.

2 傅旭华.组合式高压电器(HGIS)的特点浅析[J].浙江电力，2006(3).

3 薛 军，王 宏，包红旗.HGIS设备技术适用性分析[J].西北电力技术，2005(6).

2014-11-17。

李海波(1976-)，男，高级工程师，长期从事高压开关技术研究工作，email：gszhangjj@126.com。

张建军(1971-)，男，工程师，主要从事变电运维安全技术监督管理工作。