城市型变电站GIS配电装置室的优化方法

禇　强，叶　军，朱清清

(上海电力设计院有限公司，上海　200025)

目前，城市建设的快速发展导致用地日益紧张，越来越多的城市变电站中选择使用气体绝缘全封闭组合电器(GIS)设备。相对于中小型城市，大型省会城市及直辖市的土地资源更加稀缺，城市变电站设计需在优化创新布置、节约用地、优化土地利用上开展研究。

GIS配电装置均采用户内布置型式的变电站在国家电网公司关于110、220 kV变电站通用设计中已有一些方案，但随着设备制造、工艺水平的提高，GIS已经有小型化的趋势，设备尺寸有一定减小，同时通过收紧设计裕量，经研究分析，GIS配电装置室尺寸尤其是房间净高方面还有一定的优化空间[1-2]。

1　影响GIS配电装置室尺寸的因素

一般性而言，GIS配电装置室的房间尺寸主要受以下几点因素的影响：GIS设备本身的尺寸；GIS运输通道尺寸；检修、巡视、安装位置的预留；耐压试验的带电安全距离；GIS扩建预留通道尺寸；附属设备的尺寸。

具体而言，房间的长度往往取决于GIS间隔的宽度、GIS间隔的数量以及必要的运输、扩建、检修通道、消防巡视通道；GIS配电装置室的宽度取决于GIS间隔的深度、GIS间隔正面巡视和检修通道的宽度、GIS电缆终端电缆头安装位置以及GIS电缆终端耐压试验时套管的带电安全距离；GIS配电装置室的层高则取决于GIS间隔的高度、GIS安装吊装高度、GIS电缆终端耐压试验时套管的带电安全距离以及通风管道的厚度、行车或吊钩的高度等。

可见，需要优化GIS配电装置室的尺寸，需要从GIS设备本体尺寸优化、改进耐压试验方式缩短带电安全距离、优化运输通道、预留扩建通道、巡视与检修通道等方面考虑[3]。

2　GIS设备本体的优化

2.1　220 kV GIS本体优化

GIS设备制造厂的设计水平、制造工艺等决定了GIS产品本身的尺寸大小。常见GIS间隔有主变间隔、馈线间隔、母线设备及避雷器间隔、分段间隔、母联间隔等[4]。

以馈线间隔为例，GIS馈线间隔一般性配置有带电显示器、避雷器(架空线路)、线路压变、出线侧隔离开关及快速接地开关、电流互感器(次级个数按实际需求配置)、断路器、母线侧隔离开关及接地开关。

经调研国内外多家GIS厂家后，得到220 kV GIS设备的尺寸如表1所示[5-6]。

表1　220 kV GIS关键尺寸参数汇总表　mm

注：表中耐压试验要求最低高度按220 kV对地最小安全距离考虑。

由资料对比可见，目前大部分的GIS厂家都能生产宽度在2.3 m以内的220 kV GIS，耐压试验要求最低高度一般7.2 m以上。而阿海法公司生产的220 kV GIS设备在所例举设备中尺寸最小，间隔宽度、层高要求分别只需1.5 m和5.5 m。

在深度方向上，当220 kV侧接线采用双母线接线时，若不包括汇控柜，GIS本体深度一般可控制在6.5 m以内，其中泰开、平高的GIS相对较长，但经与厂家沟通，GIS长度还有优化空间；若考虑汇控柜与本体一体结构型式，从表1中可知，总长度可以控制在7.5 m左右。

若220 kV侧接线采用线变组的接线型式时，GIS的宽度会相对加长，因泰开GIS深度相对较长，现以泰开线变组接线型式的220 kV GIS为例，如图1所示[7]。

图1　泰开220 kV线变组型式GIS

由图1可知，相对于双母线接线型式，由于线变组接线形式有两头都有电缆出线，在不包括汇控柜的情况下，深度加长了近1.3 m，达到7.7 m左右。为了缩短GIS整体的长度，常用的方法是采用汇控柜和本体一体式布置，这种方式既减少了内部连接线缆的长度、又节约了空间，为GIS房间减少了宽度上的要求。

但在有些情况下，可能无法做到本体和汇控柜一体布置，如在保护测控、自动化设备、智能终端、合并单元等就地布置在汇控柜内时，汇控柜的宽度需要做到很宽，此时若GIS本体的间隔宽度较小，汇控柜就无法布置的下，必须分体布置在GIS对面。

2.2　110 kV GIS本体优化

同样，经调研国内外多家GIS厂家后，110 kV GIS设备的尺寸如表2所示[8]。

表2　110 kV GIS关键尺寸参数汇总表　mm

注：表中耐压试验要求最低高度按110 kV对地最小安全距离考虑。

由资料对比可见，目前大部分的GIS厂家都能生产宽度在1.0 m以内的110 kV GIS，耐压试验要求最低高度一般5.0 m以上。而ABB公司生产的110 kV GIS设备在所例举设备中尺寸最小，间隔宽度、层高要求分别只需要0.8 m和4.7 m。

在深度方向上，当110 kV侧接线采用双母线接线或环进环出支接变压器组接线时，若不包括汇控柜，GIS本体深度一般可控制在4.6 m以内，其中西开的GIS相对较长。但经与厂家分析讨论，GIS长度经过优化还有缩短余地，若考虑汇控柜与本体一体结构型式，从表2中可知，总长度可以控制在6.8 m左右。

若110 kV侧接线采用线变组或桥接线的接线型式时，GIS的深度会相对加长，现以ABB线变组接线型式的110 kV GIS为例，如图2所示。

图2　ABB 110 kV线变组接线型式GIS

由图2可知，同220 kV GIS，相对于双母线/环进环出接线型式，由于线变组接线形式有两头都有电缆出线，在不包括汇控柜的情况下，深度加长了近1.2 m，达到4.7 m左右。同样，GIS可采用汇控柜和本体一体式布置，但在有些情况下，可能无法做到，如在保护测控、自动化设备、智能终端、合并单元等就地布置在汇控柜内时，汇控柜的宽度需要做到较宽，此时若GIS本体的间隔宽度较小，汇控柜就无法布置的下，必须分体布置在GIS对面[9]。

3　预留检修位置与巡视通道的优化

GIS设备设计上是可以实现断路器现场拆出进行检修，所以检修不考虑整体运出，断路器的结构形式和大小决定了检修空间要留多少。220 kV GIS中的断路器多采用水平卧式，检修时水平拉出，而垂直布置的断路器检修时则需垂直吊出。110 kV GIS双母线接线型式或环进环出接线型式时，为了尽可能缩短GIS本体的深度，断路器多采用垂直布置，同样检修时需垂直吊出；当接线型式为线变组/桥接线时，断路器有时会采用水平卧式，可水平拉出。因此，断路器的布置型式和断路器的大小是决定配电装置室的检修通道和吊点高度的因素之一。具体布置时，可结合GIS配电装置在宽度上的限制和在层高上的限制择优确定。

断路器是整个GIS中最大的单体部件，110 kV断路器、220 kV断路器尺寸分别如图3所示。

图3　110 kV、220 kV GIS断路器尺寸

由图3可知，110 kV断路器长度约2.8 m，220 kV断路器含机构箱长度约3.7 m，不含机构箱长度约3.1 m，不同厂家GIS的断路器长度基本上一致。对于水平布置的断路器，若考虑直接水平拖出，110 kV GIS检修通道至少需3.0 m以上，220 kV GIS检修通道至少需3.3 m以上，对常规GIS房间空间比较宽裕的情况下可以考虑此种方案，但对于城市型变电站紧凑型布置的要求，如此大的检修空间要求不易实现。因此，建议先将断路器或其他需检修部件利用行车或单轨吊吊起转向后吊至检修通道处后再水平拖出，或直接吊运至运输门的位置。因此，只考虑1.5 m左右的断路器运输宽度即可。

巡视通道的设置。通常GIS配电装置两侧应设置安装检修和巡视的通道，主通道宜靠近断路器侧/汇控柜侧(非电缆头侧)，主通道宽度宜为2.0～3.5 m；巡视通道不应小于1.0 m。一般说来，GIS的主通道宽度往往取决于GIS本体与汇控柜之间的宽度。

现在很多厂家均可生产汇控柜和本体一体化布置的GIS，以思源电气220 kV GIS为例，如图4所示。

图4　汇控柜布置方式对比

由图4可以看出，GIS汇控柜一体化布置以后，纵向长度可以减少0.4 m左右，有一定的优化空间。

综上，检修、巡视通道一般合用，但从检修、巡视角度来说，建议GIS汇控柜侧主通道宽度设置为2.0 m，另外一侧通道宽度≥1.0 m，同时从节约空间角度考虑，建议GIS采用本体、汇控柜一体布置。

4　GIS吊装对配电装置室层高的影响

4.1　GIS本体吊装

由于GIS配电装置室层高相对较低，110、220 kV GIS房间层高分别只有6.0、8.0 m左右，并且GIS安装时运输门已经安装完成，110 kV GIS运输门尺寸大约2.9 m×4 m，220 kV GIS运输门高度大约为3.5 m×5.0 m，吊车无法直接将吊臂伸入房间进行GIS就位。因此一般情况下，GIS间隔由吊车吊运至运输门口，然后大型部件如断路器可有滚木等推入房间就位，小件如压变等可由叉车运入，再由房间内预设单轨吊或行车将部件进行吊起就位。常见厂家的GIS尺寸为，220 kV GIS最高点均在4.3 m左右；110 kV GIS最高点高度均在3 m左右。因此，若按吊钩下至少预留1.0 m空间，GIS就位时抬高高度按0.5 m考虑。经计算，220 kV GIS吊装所需净高不超过5.8 m，110 kV GIS吊装所需净高不超过4.5 m。

4.2　GIS耐压试验套管吊装

GIS就位后，加装耐压试验套管后，220 kV GIS整体最高约6.6 m，110 kV GIS整体最高约5.0 m，考虑吊钩下至少预留1.0 m空间。经计算，220 kV GIS耐压试验套管吊装所需净高不超过7.6 m，110 kV GIS吊装所需净高不超过6.0 m。耐压套管现场吊装如图5所示。

图5　GIS耐压试验套管吊装

以GIS吊装空间需求为限制条件，220 kV GIS室净高不得低于7.6 m，110 kV GIS室净高不得低于6.0 m。

5　GIS耐压试验对配电装置室层高的影响

GIS现场耐压试验，是指GIS在现场全部安装完毕后进行的交流耐压试验，是验证GIS内部绝缘承受过电压的能力并有效发现由于包装不当、运输、储存、起吊和安装过程中造成的绝缘缺陷以及杂物混入等，从而及时处理消除，防止投运后发生电气事故，确保GIS的长期安全运行。试验电压应施加于每相导体和外壳之间，非试验相均应可靠接地[10]。

若采用串联谐振装置进行交流耐压，需在GIS上加装试验套管，应满足的要求见表3。

在耐压试验中，若高压体与周围接地体或墙壁的安全距离不足，会造成意外的闪络击穿，使设备耐压试验无法进行。

表3　GIS耐压试验套管的基本要求

综合考虑人员安全、规范要求及现场实际情况，现场耐压试验，110 kV安全距离考虑大于1.0 m，220 kV安全距离考虑大于2.2 m。同时，GIS用的试验套管的大小、安装位置决定配电装置室空间的大小，特别是配电室的高度。因此，需要制造厂合理地选择试验套管的形式和安装位置(见图6)。

图6　耐压试验套管不同安装位置

由图6可见，做现场耐压试验时，若试验空间受限，可根据实际情况，改变套管角度及套管位置等满足试验条件。

根据目前GIS技术的发展情况，绝大多数GIS厂家完全可以满足将安装试验套管后高度控制在6.0 m以下的要求；110 kV GIS安装耐压试验套管后高度大多数GIS厂家可以控制在5.0 m以下。目前，为同时保证试验时的电气安全距离，GIS室净高要求相对较高，通用设计方案中220 kV GIS房间净高要求为8.5 m，通用设计方案中110 kV GIS房间净高要求为6.5 m。因此，GIS耐压试验采用常规谐振耐压试验装置时，220 kV GIS房间净高要求可降低约0.3 m，至8.2 m；110 kV GIS房间净高要求可降低约0.5 m，至6.0 m。

6　GIS扩建预留通道的优化

若变电站GIS基建时不是一次性上齐就需要充分考虑远景扩建时，在不影响正在运行的GIS的情况下，扩建的GIS如何吊运就位，因此就需要给远景扩建的GIS留出足够的运输通道。由于GIS长度较长，经过调研，比较不同厂家GIS的最大运输单元，一般110 kV GIS最大运输尺寸约为3.8 m(长)×1.0 m(宽)×3.7 m(高)；220 kV GIS最大运输尺寸约为4.5 m(长)×1.8 m(宽)×3.2 m(高)。因此，现实中，现场不可能有这么大空间实现GIS运输单元在地面转运就位过程中直角转弯，这就需要有足够数量的运输门，并且运输门和预留扩建间隔的位置要合理。以110 kV配电装置室为例，当运输门与扩建间隔的相对位置角度为30°时，GIS室运输通道尺寸如图7所示。

图7　GIS扩建间隔安装图

由图7可知，110 kV配电装置室的宽度达到了10.1 m，而国网典型设计的110 kV配电装置室的宽度为9.0 m，不可行。经核算，若要110 kV配电装置室的宽度控制在9.0 m以内，运输门和扩建间隔的相对位置角度要控制在15°以内，基本上要求运输门正对着扩建间隔。因此，基建工程中，合理规划GIS的近远景间隔位置至关重要，否则只能在扩建过程中拆除墙面，增加很大工作量及投资。

经过分析，GIS运输通道的宽度其实只需考虑GIS本体的宽度即可，方便以后GIS检修转运，110 kV GIS运输通道宽度建议为1.2 m，220 kV GIS运输通道宽度建议为2.0 m。

7　结语

本文通过调研多个国内外常用厂家的GIS情况，分别从GIS本体尺寸、耐压试验净高要求、巡视和检修通道尺寸、吊装尺寸、扩建预留通道尺寸等几个方面进行对比分析，得出了GIS配电装置房间的尺寸要求，并提出了优化方案。

其中重点对房间的净高要求进行了详细分析，分别在原有通用设计中220 kV GIS房间净高要求8.5 m、110 kV GIS房间净高要求6.5 m的基础上进行了优化，通过分析，结论如下。

(1)GIS房间的净高要求主要受GIS耐压试验及吊装所需高度制约；

(2)GIS建议采用本体、汇控柜一体布置的结构型式；

(3)GIS断路器侧/汇控柜侧主检修巡视通道宽度建议为2.0 m以上；

(4)110 kV GIS电缆头侧运输通道宽度建议为1.5 m以上；220 kV GIS电缆头侧运输通道宽度建议为2.0 m以上；此运输通道兼做巡视通道；

(5)可将220 kV GIS房间净高要求缩至8.2 m、110 kV GIS房间净高要求缩至6.0 m；

(6)GIS及主变房间净高要求降低后，可进一步压缩变电站的层高，使之更加适应城市型变电站的要求。

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