500 kV户内变电站设计技术研究

张 涛，李 丽，钟伟华，孟 轩，颜士海

(1.电力规划设计总院,北京 100120；2.广东技术师范学院,广东 广州 510665；3.中国南方电网有限责任公司,广东 广州 510623)

目前城市用电负荷增长迅速,越来越多的变电站需要建设在城市中心,如何利用有限的土地资源,顺利实施变电站建设,保障电力供给,成为摆在电力建设者面前的重大课题。常规户外变电站设计中,更注重工程主要功能的实现,而城市变电站还要满足节约占地、减少对周边环境影响、建筑外观与周围环境协调等要求,最大限度地利用有限站址和通道资源,特殊条件下还需与其它建筑物合建。为促进大城市电网与社会、经济、环境的和谐发展,建设“资源节约型、环境友好型”电网,尽量减少变电站占用宝贵的土地资源,城市变电站的建设趋势具有紧凑型、大容量且向地下发展等特征。

与户外变电站相比,户内变电站空间受限,对施工、运行、检修均提出了更多的要求,因此,需对关键设计技术进行分析研究。

1 户内变电站型式

户内变电站建筑可独立建设,也可与其它建筑物合建,为节约占地、减小建筑工程量,通过选用节能型、小型化设备,并进行紧凑型布置设计,提高配电装置建筑物的空间利用率。根据主要电气设备是否全部户内布置,户内变电站分为全户内、半户内两种形式,其中：全户内变电站中,主变压器和其它高低压电气设备均布置在户内；半户内变电站中,为节省建筑、通风等工程费用,主变压器、低压无功补偿装置等部分电气设备采用户外布置。特殊条件下,如地面没有空地、无法建设变电站时,局部或整体建设在地下的变电站,称为半地下/地下变电站。

主要出于经济性考虑,早期户内变电站采用敞开式电气设备户内布置方式,为满足电气距离的要求,配电装置楼建筑体积较大,不能充分发挥户内站配电装置布置紧凑的优势。随着气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)设备逐步国产化、设备价格持续降低,户内110 kV、220 kV变电站逐渐推广应用,国家电网公司、南方电网有限责任公司在总结已建工程经验的基础上,相继推出了户内变电站典型设计方案。

2 已建户内变电站概述

2.1 330 kV及以下电压等级的户内变电站

20世纪70年代末80年代初,电力建设者首次尝试110 kV变电站户内设计方案,应用于北京前门变电站等工程。随着运行经验的积累和设备制造水平的提高,到了90年代初,上海、北京、天津、广州等城市用地紧张区域的220 kV变电站也尝试采用户内变电站方式,其中,北京左安门220 kV变电站(见图1)首次采用220 kV GIS设备。相比常规空气绝缘敞开式设备,GIS设备将断路器、隔离开关、互感器、母线等元件均封装在金属壳体内,内部采用绝缘性能更高的SF6气体为内绝缘材料,具有体积小、噪声低、利于紧凑布置等优点,并且无静电感应和电晕干扰等问题,户内变电站的建筑物体量大大减小,建筑物外形设计也易于与城市景观相协调。

图1 北京左安门220 kV变电站

目前,我国西北地区的西安城南330 kV户内变电站、西安西郊330 kV户内变电站都正在建设之中。

2.2 500 kV户内变电站

随着城市建设的发展,北京、上海、广州、深圳等城市终端变电站最高电压采用500 kV等级,越来越多的大城市500 kV变电站考虑户内建设方案。2008年,国内第一个500 kV户内变电站——北京朝阳500 kV变电站(见图2)正式投运。

图2 北京朝阳500 kV变电站

北京朝阳500 kV变电站设计中,为尽量减少占地面积,提高设备可靠性、减少日常运行检修工作量,500 kV、220 kV、66 kV配电装置均采用GIS设备,低压并联电容器、电抗器分别采用集合式、油浸式,并积极贯彻“立体化、协调型”的设计理念,将500 kV、220 kV、66 kV配电装置布置在变电站二层,以方便架空线路的引接,主变压器、无功补偿设备布置在一层,便于设备运输、安装和检修,通过合理空间布局,优化了配电装置楼的建筑面积和体积,节省了工程造价,变电站占地面积仅11094 m2,比同规模的变电站节省57%。随后,北京海淀500 kV变电站、城南500 kV变电站相继投运。

2010年4月,上海500 kV世博变电站正式投运,站内按3组500/230/66 kV 1500 MVA变压器、3组220/115/ 37 kV 300 MVA变压器规模规划,为多级降压变电站,包括了上海超高压电网中的所有电压等级,是国内第一座500 kV全地下变电站,与地面的静安雕塑公园结合建设,变电站的地面实景见图3。该变电站的设计中有诸多技术创新点,其建筑结构本体呈圆形,外径130 m,最大开挖深度33.7 m,为超大超深基坑设计。

图3 上海世博500 kV地下变电站地面实景图

目前,上海虹杨、浙江钱江和重庆金山等500 kV户内变电站也在建设之中。随着经济建设的快速发展,大城市对500 kV变电站的需求将会增加,选址将愈加困难,500 kV变电站户内布置将成为未来的发展趋势。

3 户内500kV变电站设计理念

户内500 kV变电站设计一般遵循以下理念：

(1)坚持节约用地的原则。对于城市户内变电站规划建设,周边设施的建设往往已基本完善,因此,首先要求合理利用地形、节约用地面积、减少拆迁、减小变电站对周边环境的影响。户内变电站设计应根据变电站性质、电网结构等要求,积极采用紧凑型、智能化、无油化、免维护或少维护设备,优化建筑体量,在站址受限情况下,可结合临近设施或建筑物合体建设。

(2)与周边建设规划和当地区域总体规划相协调。对位于景观要求严格的城区户内变电站,其设计须与周边地上建筑总体规划和城市规划紧密结合、统筹兼顾,力求实用与美观的统一。以满足工艺要求及运行人员工作、生活要求为前提,力求站内建筑物平面布局、功能分区更为合理,运行管理更为方便,充分体现“以人为本”的设计理念,精心处理与周围环境的关系,使建筑人工环境与自然环境有机融合。

(3)从需求出发,合理创新。随着新设备、新技术、新材料、新工艺的不断涌现,变电站设计理念在不断进步,结合工程功能需求和外部环境特点,对于户内变电站可适当提高设计标准,促进变电站建设技术创新。

4 户内500kV变电站设计关键技术

4.1 优化电气主接线

位于城市户内的500 kV变电站多为终端变电站,电源数量较多、设备水平较高、负荷侧网络比较完善,因此,可简化接线方案。根据系统条件、运行方式、设计规模等因素,500 kV侧可采用线变组、桥形等接线形式,当进出线规模较大,且变电站在系统中具有重要地位时,宜采用一个半断路器接线方案。220 kV及以下电压等级变电站的电气主接线方案可参考常规户外变电站有关规定。

4.2 选用小型化设备

高压设备如过多裸露,带电部分将占用较大空间,造成建筑物体量巨大,因此,户内变电站开关设备宜采取GIS或开关柜设备形式,以减少占地面积和建筑面积,节约投资。

同户外变电站一样,500 kV变压器采用油浸式变压器,考虑散热、通风、布置、降噪等要求。户内变电站主变压器多采用本体与散热器分体形式,即主变本体布置在变压器室,散热器根据具体情况,与主变本体相邻布置。

并联电容器分为框架式、集合式、紧凑型集合式三种形式。如选用框架式并联电容器,则一般布置在户内变电站的屋顶位置,以节省建筑面积。在三种设备形式中,集合式电容器设备价格、占地面积都居中,因此在户内变电站应用最多。紧凑型集合式是将串联电抗器与电容器一体化组合在一起的成套装置,实现了对地全绝缘和直接落地安装,占地面积较框架式电容器组的占地面积节约60%左右,因此,为进一步节约占地面积,可采用紧凑型集合式电容器组。

对于并联电抗器,主要分为干式电抗器和油浸式电抗器,后者较前者占地面积大为减少,且油浸式电抗器在运行稳定性、使用寿命、产品损耗、运行监控等方面均好于干式空芯电抗器,因此,户内变电站宜采用油浸式电抗器。

4.3 配电装置布置

户内变电站设计中,为方便设备运输和简化配电装置楼结构设计,主变压器等较重电气设备宜布置在一层,GIS、电容器、电抗器等设备可布置在二层,并设置室内设置吊装口或者室外吊装平台,GIS室等设备房间顶部设置安装检修用吊装设施。各层房间较多时,为布置清晰,利于运行巡视,减少内部设施的相互干扰,户内变电站内尽量按功能划分分区布置。

4.4 主变压器与配电装置的连接方式

主变压器与配电装置连接主要包括导线连接、电缆连接、油气套管连接三种方式,导线连接方式的优点是GIS设备与变压器之间有易拆解的断开点,各类试验及检修方便,因此,户内变电站主变低压侧多采用此种连接方式。对于主变压器500 kV、220 kV侧,若采用导线连接方式,则由于带电距离的要求,布置尺寸较大,占用较大空间。而广泛采用于220 kV及以下变电站的电缆连接方式,受电缆载流量、转弯半径大等因素限制,500 kV变电站中的主变500 kV、220 kV侧也不宜采用电缆连接方式。目前,国内户内500 kV变电站的变压器高压侧、中压侧均采用油气套管(见图4),通过GIS分支管道与GIS设备连接,此连接方式无裸露导体,因此,配电装置布置可不用考虑带电距离问题,大大压缩了空间尺寸。

图4 主变与GIS设备油气套管连接

4.5 试验与检修

不同于户外变电站,户内变电站布置紧凑,空间有限,且主变压器500 kV、220 kV侧与GIS均采用油气套管连接方式,无明显的断开点,各类试验相对复杂,不便检修,需做特殊考虑。

(1)对于出厂试验,主变压器和GIS 设备分别在各自工厂完成相关试验,油气套管为变压器厂家供货范围,并开展相应的试验,出厂试验均无制约问题。

(2)对于现场交接试验,由于油气套管连接方式中,变压器与GIS设备之间的连接为油－SF6封闭式绝缘结构,无法整体试验。因此,在变压器与GIS设备连接前,需分别按各自的标准进行试验,并在油气套管结构中,考虑设置预留可拆卸套管,可拆卸套管内导体与GIS导体采用易拆解连接结构,如软铜带连接方式,受设备结构限制,可拆卸套管不能按照GIS设备试验标准做绝缘试验,通常按照绝缘水平较低的主变压器试验标准进行试验,并利用变压器感应电压对该部分进行绝缘试验。

(3)对于预防性试验,由于油气套管为封闭式绝缘连接方式,其预防性试验难度要远大于常规导线连接方式,进行预防性试验前,需先解开可拆卸套管内的软铜带连接,然后再进行相关的试验,完成试验后,再连接软铜带、安装可拆卸套管。近年来,主变压器油色谱、局放等在线状态监测系统应用越来越深入,通过实时监测、分析设备的关键运行状态参数,将对变压器的定期检修变为状态检修,达到降低预防性试验频率、减少预试盲目性的目的。

(4)对于相关设备检修,在油气套管或相关设备出现故障的情况下,由于所有导体都处于GIS壳体内或变压器油箱内,相关设备检修难度远大于导线连接方式,因此,更多的要通过采用先进的状态监测系统变定期检修为状态检修,以降低检修频率。

4.6 环境影响

建在市区的户内500 kV变电站,考虑到周边商业区或居民区对变电站的环境影响尤为敏感,因此,在变电站设计中要采取必要的防治措施。

户内变电站对周边的影响主要为电磁环境影响和噪声环境影响两个方面。对于电磁环境影响,重点关注500 kV、220 kV高电压等级的电磁防治问题,由于户内变电站高压设备均布置在采取屏蔽措施的建筑物内,配电装置外露导体很少,且电场和磁场随距离衰减很快,因此,对周边影响甚微。根据对国内已投运户内500 kV变电站的实测结果,其对周边环境影响的各项指标均优于户外变电站。

户内变电站的主要噪声来源为主变压器、电抗器等大型线圈类设备,噪声治理需从噪声源和传播途径两方面入手。首先,变电站选址要尽量避开0类和1类对噪声有严格要求的区域；其次,设备选型上应优先采用低噪声设备；再次,可通过建筑、暖通等专业的优化设计对变电站进行噪声治理,如主变压器的进风口和屋顶风机的排风口应尽量避免直接朝向居民区、主变压器室和风机房采用消声百叶窗、墙面布置双层吸音墙等措施。

5 结语

户内变电站能大幅减少占地面积、提高土地资源的利用率,有效缓解城市变电站选址难的问题,并且配电装置均布置于建筑物内,最大限度降低了对周围的电磁环境、噪声环境影响,是实现资源节约型、环境友好型电网建设的主要途径之一,可有效实现变电站建设经济、社会和环境效益的最大化。本文针对户内变电站的特点,提出了简化电气接线、选用紧凑型设备方面的建议。随着设备制造、建设水平的提高,户内变电站的应用将愈加广泛。