内蒙古电网全户内GIS变电站设计特点分析

侯国柱

(内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

随着内蒙古电网第一座220 kV全户内变电站——乌海纳林220 kV变电站于2016年投产，内蒙古电网的全户内GIS变电站的建设进入了快车道。内蒙古电网近几年超过50%的新建220 kV及以下电压等级变电站采用了全户内GIS的设计方案。全户内GIS变电站具有对外部环境友好、布置紧凑、占地面积小、设备全部封闭不受环境干扰、运行可靠方便、检修维护工作量少、可靠性高等优点。内蒙古电网大量全户内GIS变电站的投运标志着内蒙古电网建设水平站上了一个新台阶，不仅有利于电网安全可靠供电，还有利于节省变电站征地及减少社会矛盾。目前变电站设计参考的重要依据是国网和南网编制的“通用设计”，“通用设计”设置了一定的环境边界条件，以国网“通用设计”为例，其环境边界条件为：海拔1 000 m以下；地震动峰值加速度0.01g；设计风速为30 m/s；地基承载力特征值fax=150 kPa；地下水无影响；国标III级(d级)污秽区。该环境条件可适应国家电网公司系统内大部分地区的工程建设需要[1]。鉴于内蒙古电网所在区域的经济发展水平和地理环境条件有别于“通用设计”设定的环境边界条件，内蒙古电网的全户内变电站设计方案相比国网和南网的通用设计方案有一定的地域特点。

1 内蒙古电网变电站建设条件

内蒙古电网供电区域含自治区西部的六市二盟，包括呼和浩特市、包头市、乌海市、阿拉善盟、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、乌兰察布市、锡林郭勒盟。为了更深入地探讨内蒙古电网全户内变电站的特点，需先了解内蒙古电网所处地域的社会发展情况和环境条件等电网建设条件。

1.1 经济发展对变电站选址的影响

内蒙古电网所在区域的呼和浩特市、包头市和鄂尔多斯市共同构成内蒙古自治区黄河“金腰带”上的“金三角”，经济发达，人口集中，工业和服务业增长迅猛，这些区域负荷集中，用电量增长较快。另外，以包头石拐工业园区和乌兰察布市察右中旗高载能工业园区为代表的工业园区成为了新的负荷增长点，近几年负荷增长较快，电网加强和升级的需求旺盛。因此，近几年越来越多的变电站选址集中于经济发展较快的城市周边以及负荷增长较快的工业园区内，这对变电站选址及方案设计提出了更高、更严苛的要求。

1.2 内蒙古电网的污区分布情况

内蒙古电网的e级污秽区主要集中在包头、鄂尔多斯、乌海等几个盟市，伴随着工业经济快速发展，近几年乌兰察布市的重污秽区也在逐年增加。《内蒙古电力公司污区分布图使用手册》(2017年版)显示：呼和浩特地区中南部、包头地区南部、乌海地区中南部、巴彦淖尔地区中南部，以及鄂尔多斯地区、阿拉善地区和乌兰察布地区工业发展较快的零星区域都广泛分布着e级污秽区。相比“2011年版污区分布图”，内蒙古电网所在区域e级污秽区范围有明显的扩大趋势。这些重污秽区往往是电力需求比较旺盛的区域，在变电站选址阶段无法做到完全避让这些重污秽地区。因此，在e级污秽地区选址建设变电站已成为内蒙古电网基建的新常态。

1.3 内蒙古电网变电站站址海拔情况

内蒙古自治区地貌以蒙古高原为主体，属于海拔较高区域。内蒙古电网所在区域除了锡林郭勒盟部分地区海拔900 m左右外，其他地区海拔均高于1 000 m。内蒙古电网变电站大部分都建在海拔高于1 000 m的地区。其中，巴彦淖尔市北部、包头地区北部、呼和浩特地区北部和乌兰察布市大部海拔都在1 500 m左右，这些区域广泛分布着工业园区和厂矿企业，电网建设必不可少。目前内蒙古电网已建的海拔最高的220 kV及以上电压等级变电站为获各琦220 kV变电站，海拔高度1 870 m。内蒙古电网在变电站设计方案制定和设备选型时需要考虑高海拔的影响。

1.4 内蒙古电网低温环境条件

内蒙古电网所在区域各气象资料对各盟市极端最低温度统计如表1所示。

表1 内蒙古部分盟市累年极端最低温度统计表

由表1可以看出，内蒙古电网所在地区除了乌海市外，其它盟市都有极端温度低于-35℃的地区存在。依据DL/T 5352《高压配电装置设计规范》规定，SF6绝缘的电气设备需要耐受极端最低温度下的环境条件，“十八项反措”规定：用于低温(年最低温度为-30℃及以下)、日温差超过25 K的GIS应采用户内安装方式。因此低温环境条件是内蒙古电网变电站采用户内设计的重要参考依据。

1.5 内蒙古电网高地震烈度地区分布

依据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，内蒙古电网所在区域8度地震烈度区分布广泛。其中包括，呼和浩特市区及土左旗，包头市市区及土右旗，乌海市，鄂尔多斯市的达拉特旗，巴彦淖尔市的乌拉特前旗、乌拉特中旗及乌拉特后旗，阿拉善盟的阿拉善左旗、阿拉善右旗。上述区域广泛分布着基本地震动峰值加速度大于等于0.2g的8度及以上地震烈度区。因此，内蒙古电网变电站选址及方案设计需考虑地震烈度的影响。

1.6 环境条件对变电站设计的影响

依据DL/T 5218—2012《220 kV～750 kV变电站设计技术规程》规定，在大气污秽严重、场地限制、高地震烈度、高海拔环境条件，以及城市区域变电站，经技术经济论证，可采用气体绝缘金属封闭组合电器。同时，大气重污秽地区，配电装置可采用屋内式。综合上述环境条件，在内蒙古部分区域适合建设全户内变电站。基于内蒙古电网发展情况和地理环境特点，在全户内变电站设计过程中形成了区别于国网和南网“通用设计”的设计方案。

2 GIS配电室布置的特点

2.1 GIS布置楼层

GIS设备户内布置时，为了压缩变电站占地面积，经常采用多层建筑结构。国网通用设计就采用了将GIS布置在了建筑二层的方案。GIS作为变电站内的重要电气设备，按照GB 50556—2010《工业企业电气设备抗震设计规范》要求，“楼层设备的地震作用为地面设备地震作用的两倍”。因此，GIS布置在建筑二层不利于抗震，布置在建筑一层的设计方案具有较好的抗震性能。内蒙古电网的所在区域中变电站建设需求旺盛的呼包鄂等地区与内蒙古西部的8级及以上地震烈度区的含盖范围高度重合，因此在内蒙古电网的全户内变电站大部分都采用了220 kV和110 kV GIS设备布置在建筑一层的设计方案。GIS布置在建筑一层的方案适用于内蒙古电网高地震烈度区的全户内变电站设计[2]。

2.2 GIS配电室的设计

通常，220 kV户内GIS间隔宽度(本体)按照2.2 m考虑，间隔纵向距离6.9 m(不包含控制柜)，配电室纵向宽度12.5 m。户内GIS设备室内运输采用垫滚杠拖拽或气垫运输的方式，主要部件采用电动葫芦或行车的方式进行设备吊装，最大起吊重量不大于10 t，配电室高度按吊装和试验考虑，室内吊钩净高不小于8 m。110 kV户内GIS间隔宽度(本体)宜按照0.8 m考虑，两间隔间距1.2 m，间隔纵向距离5.2 m(不包含控制柜)，配电室纵向宽度10 m。户内GIS设备室内运输采用垫滚杠拖拽或气垫运输的方式进入室内，吊装设备就位，最大起吊重量不大于5 t，配电室高度按吊装和试验考虑，室内吊钩净高不小于6.5 m。近期内蒙古电网全户内GIS变电站采用了220 kV GIS与110 kV GIS共用一个配电室的方案，由于该方案220 kV配电装置和110 kV配电装置共用一个运维通道，可节省配电室宽度1 m。如图1所示，220 kV GIS与110 kV GIS共用一个配电室具有一定优势，已在内蒙古电网推广。

图1 220 kV、110 kV GIS配电室平面布置图

3 主变压器布置的特点

3.1 主变散热器的布置方式

内蒙古电网110 kV全户内GIS变电站远期规模一般设置2台或3台容量63 MVA、油浸自冷式主变压器。220 kV全户内GIS变电站远期规模一般设置3台180 MVA油浸自冷式主变压器或3台240 MVA油浸风冷式主变压器。按照主变散热器的结构分类，主变压器可分为散热器与主变本体“一体式”和散热器与主变本体水平“分体式”两种结构。内蒙古电网已投运的变电站中，这两种变压器结构均有采用。如海亮110 kV变电站、棉纺110 kV变电站等采用了“一体式”结构(如图2所示)；呼和浩特万达110 kV变电站、乌海纳林220 kV变电站等则采用了“分体式”结构(如图3所示)。

图2 “一体式”主变压器平面布置

图3 “分体式”主变压器平面布置

“一体式”和“分体式”各有利弊，“一体式”结构的主要优点是节省占地，以110 kV、3×63 MVA规模主变为例，一个“一体式”主变压器室的跨度可比“分体式”变压器室加散热器室节省大约2.7 m，3台主变共节省约300 m3建筑体积，在节省建筑体积方面优势明显。但一体式布置时，主变压器的通风散热和噪音治理是一对矛盾体，通风散热良好的变压器室往往噪音控制差一些，很难兼顾，用在通风设施和降噪的费用比较大。变压器“分体式”布置是将散热器布置在了通风条件较好的散热器室，这有利于变压器散热。一般变压器本体发热量只占变压器发热量的约10%，如果将变压器本体布置在户内，散热器分体布置在户外，则变压器所产生的总热量的约90%将由散热器带走，独立的变压器散热器室更方便设置进、出风道，变压器室内需由通风系统带走的热量将不大于10%，可大大减少主变压器室用于通风散热的风机的功率，同时也有利于噪声控制。分体式布置降低了通风、降噪设备的投资及运行费用，符合变电站全寿命周期管理的理念，目前在内蒙古电网大力推广[3]。

3.2 主变压器与GIS的连接方式

全户内变电站的主变进线方案是设计过程中的重点和难点。110 kV全户内GIS变电站GIS与主变的连接通常采用架空导线连接方式。220 kV全户内GIS变电站个别布置方案中GIS主变进线套管可伸入到主变压器室时，采用架空连接或油气套管外，除此之外的绝大多数布置方案采用电缆连接方式。GIS与主变电缆连接分为两种方式，一种是插拔式电缆终端连接方式(如图4所示)，另一种是电缆终端通过架空导线与主变套管连接的方式(如图5所示)。

图4 插拔式电缆头与主变连接方式安装图

图5 电缆终端通过导线与主变套管连接方式安装图

国网通用设计(2017版)220 kV部分的A2-1、A2-2、A2-4、A2-5设计方案中GIS与主变连接方式两种方式都有采用[4]。插拔式电缆终端连接的方式具有节省安装空间的优点，相较于架空导线连接方式，其变压器室宽度可缩小约2 m，变压器室净高可缩小约1 m。但是该方案缺点是在投运后的试验方面有一定缺陷。对于插拔式电缆终端连接的变压器，对其做预防性试验时需要购置专用的试验套管，试验时将连接变压器的插拔式电缆头拔出后，插入专用试验套管进行试验。由于此试验方法拆装难度大，在安装试验套管和回复变压器与电缆头连接时，需要较长停电时间。给后期的运行维护带来不便[5]。与之相比，电缆终端通过架空导线与主变套管连接的方式的优点是方便后期运维和试验，由于电缆头与主变套管通过架空导线连接，变压器试验时解开架空导线即可完成相关试验，试验步骤与常规户外变压器无异，停电时间短。其缺点是布置电缆头支架需增加变压器室宽度，变压器配带高中压套管会增加变压器室净空高度，该方式下变压器室建筑体积较大，经济性差。内蒙古电网已投产的乌海纳林220 kV变电站、攸攸板220 kV变电站和金海工业园220 kV变电站都采用插拔式电缆终端的连接方式。由于后期试验复杂，给生产运行单位带来不便，近期内蒙古电网的220 kV全户内GIS变电站不再采用该方案，基本都采用了电缆终端通过架空导线与主变套管连接的方案。

4 结语

全户内变电站采用小型化、组合型设备，立体化布置，配合电缆进出线和二次设备智能化的设计，不但能解决环境协调问题，提高土地资源利用率，还可以提高变电站运行可靠性及减少运维工作量，必将为电网建设发挥越来越重要的作用。

内蒙古电网所在区域的部分地区具有环境温度较低、海拔高度较高、地震烈度较高、污秽较严重等环境特点，设计全户内变电站时应依据当地自然条件，因地制宜，选择合适的设计方案。