专题报告 3 基于GIS扩建要求的主接线优化
2013年 6月 本文摘要 本文结合山东淄博中化220kV变所处的系统情况和GIS设备扩建的特点，对本站主接线进行优化，避免GIS设备扩建停电对供电可靠性造成不利影响。
临淄电网南部承担石化工业园和电铁线路等重要大负荷，中化变为该区唯一的220kV电源点，若中化变变失去220kV电源，该区110kV电网薄弱无法单独承担所有重要负荷。
按传统的双母线接线方案，GIS配电装置在远景扩建时因GIS设备自身固有的特点，需整个配电装置全部停电。按可研双母线接线方案，本站220kV和110kV GIS设备远景扩建时停电，将导致220kV电源无法送出，影响供电可靠性；尤其当110kV GIS扩建时全部停电，更令该区薄弱的110kV电网雪上加霜。
针对以上问题，本文提出在220kV和110kV双母线上增设分段隔离开关。经详细分析，该方案以较小的投资，有效解决了GIS扩建引起的配电装置停电问题，保证了临淄电网南部的供电可靠性。
目 录
1 概述....................................................................................................... 1 1.1 电气主接线设计原则 .................................................................... 1 1.2 电气主接线设计需考虑的问题 .................................................... 1 2 工程概况 .............................................................................................. 1 3 220kV接线优化................................................................................... 2 3.1 本工程220kV接线的特点 ........................................................... 2 3.2 GIS设备的特点及扩建停电的原因分析 ..................................... 3 3.3 本工程220kV接线优化方案 ....................................................... 5 3.4 小结 .............................................................................................. 10 4 110kV接线优化 ................................................................................. 10 4.1 可研阶段110kV接线特点.......................................................... 10 4.2 本工程110kV接线优化方案 ..................................................... 13 5 35kV主接线方案分析 ...................................................................... 14 6 结论..................................................................................................... 14
1 概述
1.1 电气主接线设计原则
变电站是电力系统的主要组成部分，是输配电系统中重要的能量传输点，其电气主接线是电力系统接线的主要部分，其结构直接影响输配电设备的布置、继电保护的配置、自动装置和控制方式的选择，对电力系统整体以及变电站本身的供电可靠性、运行灵活性、检修方便和经济合理性起着决定性的作用。因此，在变电站设计中，确定合理的主接线方案是十分必要的。 1.2 电气主接线设计需考虑的问题
在进行变电站电气主接线设计时，需要重点考虑以下问题： （1）需要考虑变电站在电力系统中的位置，变电站在电力系统中的地位和作用是决定电气主接线的主要因素。
（2）要考虑近期和远期的发展规模，变电站电气主接线的设计，应根据5～10年电力发展规划进行。
（3）考虑负荷的重要性分级和出线回数多少的影响。 （4）考虑远景扩建方便。 2 工程概况
临淄电网位于山东省淄博电网东北部，是省网西电东送，南电北送的枢纽，目前已形成以220kV辛店电厂、营丘站、化工站为主供电源，以110kV、35kV 为配电线路的网络结构。由于临淄区地域面积大，区内仅有营丘、化工和辛店电厂3个电源点，输电网比较薄弱，供电能力不足；且110kV网络结构不合理，区域南部110kV网架薄弱。
根据区域发展规划，临淄区南部化工产业蓬勃发展，用电负荷大。而目前，该地区没有220kV电源项目，且周边110kV变电站电网薄弱难
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以满足新增负荷用电，亟需新建中化220kV满足中化片区经济发展需要。
中化220kV变电站作为该地区唯一的220kV电源点，本期已上2台主变和8回110kV线路，110kV负荷主要供给石化工业园区和电气铁路（刘征牵引站），负荷大、重要性高，因此变电站主接线的安全可靠对该地区电网安全运行尤为重要。同时，本站采用GIS设备，其扩建引发的停电时间长短和停电范围大小将对区域负荷产生至关重要的影响，因此如何减少停电范围和缩短停电时间是本专题论证的重点。
3 220kV接线优化
3.1 本工程220kV接线的特点
本工程220kV远景共6回出线，3回主变进线，根据《220kV～500kV变电所设计技术规范》（DL/T 5218-2005）7.1.4条的规定：220kV变电所中的220kV配电装置，当在系统中居重要地位、出线回路数为4回及以上时，宜采用双母线；当出线和变压器等连接元件总数为10～14回时，可在一条母线上装设分段断路器，15回及以上时，在两条母线上装设分段断路器。本工程远景连接元件总数为9回，本期连接元件总数为4回，可研方案按规程规定，远景和本期均按双母线接线。
鉴于本工程220kV配电装置采用SF6气体金属封闭式设备（GIS），本期并未一次性上齐，采用双母线接线的方式时，由于GIS结构的特殊性，扩建接口对接以及耐压时间时，需要220kV配电装置短时全部停电，严重影响系统的可靠性。因此，在GIS变电站主接线设计时，如何能尽量避免或减小因扩建而造成的停电时间和影响范围，就变得实际而迫切。本专题220kV接线优化的重点是通过优化，避免220kV配电装置在扩建阶段全停。
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3.2 GIS设备的特点及扩建停电的原因分析 3.2.1 GIS设备的特点
GIS设备将断路器、母线、隔离开关、互感器、避雷器、套管等高压电气元件全部封闭在金属接地壳体中，内部用盆式绝缘子分隔成若干个气室，并分别充入SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS设备凭借其占地面积省，安装维护工作量少，检修周期长、耐污秽等级高、抗震性能好等优点在国内新建变电站中得到了广泛的应用。 3.2.2 GIS扩建停电分析
但由于其自身独特的复杂结构，使其在安装或扩建过程中要求较高，扩建时往往需要大范围配合停电；尤其是GIS设备在安装完成后，为保证绝缘可靠，需要做工频耐压试验，由于试验电压较高，为保证安全，试验部分和运行部分之间需保证有2个隔离断口，这导致停电范围的扩大，降低了供电可靠性。
对本工程的双母线接线而言，从尽量减少停电时间和停电范围出发，电网中常用的方式为：扩建接口部位采用可拆卸的伸缩节结构，远景设备先安装就位，单独做完绝缘耐压试验后，再和前期设备对接。值得一提的是，部分GIS厂家可保证在对接接口时严格控制好对接过程，对接完成后对接口部分无需做工频耐压试验，仅需做绝缘老练试验，这样试验部分和运行部分之间需保证有1个隔离断口即可。但对接过程受到现场恶劣环境和现场安装人员技术水平和责任心等因素影响，往往难以保证达到理想的效果，此接口的耐压试验盲区玩玩给变电站的安全运行带来极大的隐患，因此，绝大部分网省公司仍坚持接口处需做工频耐压试验。
扩建的型式按本期是否建设母线隔离开关，分为以下两种： 1）本期未上母线隔离开关：远景的间隔若位于配电装置的端部，
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为节省初期投资，远景间隔的母线及母线隔离开关本期均未建设，仅在本期和远景的接口处预留扩建接口（接口带独立气室），具体如图3-1所示：
图3-1 扩建间隔位于GIS端部的接线图
如图3-1所示，框中为远景扩建部分。扩建时步骤如下： ●远景部分安装就位完毕、充SF6气体并做完工频耐压试验； ●将本期接线的负荷全部转到ⅡM，在扩建接口处实现ⅠM对接； ●ⅠM对接完成后，由于扩建接口与转到ⅡM运行的本期间隔仅存 在一个隔离断口，无法对扩建接口进行耐压试验，ⅠM也无法投入运行；
●ⅡM扩建接口对接时，由于ⅠM无法投入使用，所以只能全站停 电进行ⅡM对接，而后两个接口同时进行工频耐压试验成功后，全站GIS才能投入使用。
如上所述扩建方案，停电时间=一段母线的对接时间+两段母线扩建接口的工频耐压试验时间，停电时间一般为12个小时。停电范围为全部220kV配电装置。
2）本期预留母线隔离开关：若远景间隔位于配电装置中间，为减少扩建时停电时间过长，本期应预留母线隔离开关，否则扩建间隔与母线连接过程中，将导致两段母线停电时间长达数天，从可靠性角
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度应尽量避免。预留母线隔离开关的具体接线如图3-2所示：
图3-2 扩建间隔位于GIS中部的接线图
如图3-2所示，云线框中为远景扩建部分。扩建时步骤如下： ●扩建部分安装就位完毕、充SF6气体并做完工频耐压试验。 ●打开扩建间隔的隔离开关1QS和2QS，闭合接地开关1QE，将运行中的回路全部切换至ⅠM，ⅡM停电，然后完成扩建端口对接。 （ⅡM停电原因在110kV接线优化中将进行详细论述）。
●扩建端口与两段母线间分别都只有一个断口，扩建间隔工频耐 压试验过程中，为保证安全可靠，两段母线均应停电，停电时间一般在6小时以内，停电范围为全部220kV配电装置。
由于扩建将引起全部GIS设备停电，所以双母线接线方式下，GIS设备在可靠性方面的优势受到一定的影响。其中预留母线隔离开关间隔相对于未预留隔离开关间隔扩建时停电时间较短。 3.3 本工程220kV接线优化方案 3.3.1 可研220kV接线方案
中化变220kV接线的可研接线采用常规的双母线接线方式，具体
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如图3-3所示：
图3-3 220kV双母线接线方案
为后期扩建方便，可研方案在本期上齐220kV母线，远景间隔均预留母线隔离开关。但通过3.2节中的分析，本方案在远景4回备用线路间隔和#3主变进线间隔扩建时，均将引起6小时左右的停电时间。由于中化变为临淄电网南部唯一的220kV电源点，本站220kV配电装置因扩建退出运行后，该区域薄弱的110kV电网难以全部承担石化工业园区和电铁等重要的大负荷，将严重影响供区内配网的可靠性。因此，优化接线形式以避免220kV配电装置全部停电具有重大意义。 3.3.2 优化后的接线方案
利用本期220kV为两线两变的特点，将Ⅰ、ⅡM进行分段，左右两边均带一线一变；远景无论在哪一侧扩建，仅需停与扩建侧一线一变；同时由于停电时间短，变电站短时按一线一变的方式运行，不影响系统可靠性。
母线分段方式若按常规办法，将双母线接线改造为双母线双分段的接线方式，需在目前可研方案的基础上增加1个母联间隔、2个分段
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间隔和2个母设间隔，增加投资约700万元，显然这种通过经济性的巨大牺牲而换取可靠性的做法是绝不可取的。
因此，本工程按照双母线分段的思路，简化接线方式，利用母线隔离开关取代母线分段间隔，可不增加母联和母设间隔，同时分段隔离开关设置位置充分考虑变电站远景间隔的建设顺序，具体方案如图3-4所示。
图3-4 优化后的220kV接线方案
按优化后的接线方案，本期建设的#1主变进线间隔和龙泉出线间隔布置于分段隔离开关的右侧，#2主变进线间隔和惠泮线布置于分段隔离开关左侧，两个母设间隔布置于分段隔离开关两侧。为减少本期投资，备用线3、4和#3主变进线间隔对应的母线及母线隔离开关本期均未建设。以下将对母线分段隔离开关是否能避免全站停电做具体分析：
1）备用线1、2间隔扩建
备用线1、2本期均带母线隔离开关，以备用线1扩建为例，步骤如下：
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●备用线1间隔扩建部分组装完毕准备准备接入。
●母线分段隔离开关右侧间隔全部断开带电间隔，打开分段隔离 开关；变电站通过惠沣线接入220kV系统，同时通过#2主变保证了对110kV和35kV侧负荷的供电。
●备用线1间隔的扩建部分接入分段隔离开关右侧已停电的母线。对接过程不影响供电。
●对扩建接口处进行工频耐压试验，将分段隔离开关右侧负荷均调整至带有母线PT的IIM左母线，备用I间隔利用IM右母线进行耐压试验，此时由于试验部分至运行部分间 存在母线隔离开关和母线分段隔离开关两个断口，试验时，惠泮线间隔和#2主变间隔无须停电，有效避免了全站停电。
备用线2间隔扩建过程同备用I间隔，保证龙泉线间隔和#1主变间隔供电连续性。有所不同的是，母线分段隔离开关右侧无母联间隔，扩建前需将右侧的龙泉线间隔和#1主变间隔同时切换至接有母线PT的ⅠM右母线。
2）备用线3、4间隔和#3主变进线间隔扩建
这三个间隔扩建需连同母线一同扩建，扩建过程相对比较繁琐，详细步骤如下：
●扩建部分组装并试验完毕，准备接入。
●将#1主变间隔和龙泉线间隔切换至带有母线PT的ⅠM右母线，打开两段母线分段隔离开关。
左侧所有间隔均不带电，完成扩建部分在ⅡM处的接口对接并进行IIM工频耐压试验，由于存在两个断口，#1主变间隔和龙泉线间隔可正常运行确保供电可靠。具体见图3-5：
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图3-5 ⅡM对接示意简图
●ⅡM接口试验成功后，ⅡM即可投入运行，闭合IIM母线分段隔离开关，通过母联间隔切换将#1主变间隔和龙泉线间隔切换至ⅡM运行；然后打开ⅠM母线分段隔离开关，完成ⅠM扩建接口对接并进行工频耐压试验，由于ⅠM扩建接口同ⅡM、#1主变间隔和龙泉线间隔均存在两个断口，#1主变间隔和龙泉线间隔可接在ⅡM上正常运行确保供电可靠。具体见图3-6：
图3-6 ⅠM对接示意简图
●ⅠM接口试验成功后，全站220kV配电装置投入运行。 根据以上分析，增加母线分段隔离开关的方案有效避免了220kV配电装置全部停电，提高了可靠性。
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3.4 小结
综上所述，鉴于中化变为临淄电网南部唯一220kV电网，该区薄弱的110kV电网无法单独承担石化工业园和电铁等重要大负荷。为避免中化变220kV配电装置全部停电，利用本期已上两线两变的特点，在传统双母线接线的基础上，在两段母线的适当位置增加两组母线隔离开关，可扩建时至少保证一条220kV线路和一台220kV变压器供电，保证了变电站及其供电区域电网的供电可靠。虽然扩建时将改用线变组运行方式，但考虑时间较短，其对电网可靠性的影响可忽略不计。而因此增加的工程投资80万元左右，投资增加较少，优化方案的经济性指标较优。
从安全、可靠、经济等多方面综合分析，本工程220kV接线推荐采用双母线双分段隔离开关的接线形式。 4 110kV接线优化
4.1 可研阶段110kV接线特点
本工程110kV远景共12回出线，3回主变进线，根据《220kV～500kV变电所设计技术规范》（DL/T 5218-2005）7.1.4条的规定：220kV变电所中的110kV配电装置，当出线回路数在6回以下时宜采用单母线或单母线分段接线，6回及以上时，宜采用双母线接线本工程远景连接元件总数为15回，本期连接元件总数为11回，可研方案按规程规定，远景和本期均按双母线接线，可研接线如图4-1所示：
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图4-1 110kV双母线方案接线图
根据3.2节中关于GIS扩建停电的分析结果，可研方案中远景扩建间隔均属于带母线隔离开关的间隔扩建，每次间隔扩建将导致110kV配电装置全部停电6小时左右。按临淄区南部电网的情况，本站110kV配电装置全部停电不仅意味着该区域220kV电源无法送电，还令该区域原本薄弱的110kV电网雪上加霜，严重影响石化工业园和电铁等重要负荷，因此优化110kV接线方式，避免全部停电具有重要意义。
此外，随着国内外GIS产品的小型化发展，小型化GIS设备在减少占地面积、减轻构筑物荷载、降低产品价格、减少SF6气体使用和提高设备可靠性方面有着明显的优势，电网中小型化GIS设备的使用量也在不断提高。
本工程作为标准配送式智能变电站，GIS采用户内高层布置，采用小型化GIS设备对减少建筑面积和结构耗钢量具有重要意义。参考国内主要厂家GIS生产厂家的资料，多数110kV GIS设备生产商制造的双母线型式的布置方案中，为缩小尺寸，每个间隔的母线隔离开关与母线共用气室，断路器紧靠母线布置，中间难以设置伸缩接头，无法实现扩建部分组装试验完成后再与母线对接，需从扩建接口处往外组装设备，相关断面及气室布置见图4-2、图4-3：
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图4-2 110kV小型化GIS断面布置图
图4-3 110kV小型化GIS气室布置图
如图4-3所示，GIS设备扩建接口处为正常大气压力，接口处盆式绝缘子靠母线侧气室为GIS设备工作压力，约为5个大气压，接口处盆式绝缘子两侧压差过大，在对接过程中易受外力冲击导致绝缘子破裂而引发事故。因此，考虑施工安全，绝缘子母线侧气室将压力降至正常工作压力的一半以下，减轻绝缘子压力差，保证对接安全。但小型化GIS两个接口后均为母线隔离开关，在小型化设备中母线隔离开关往往与母线共用一个气室，一旦气室压力降低，隔离开关无法起到电气隔离作用，母线无法带电运行，这意味从扩建接口往外组装设备开始至扩建部分组装、调试和试验结束，小型化GIS母线全程停电，停电时间至少一周，这是绝对不允许的。
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为解决停电时间过长的问题，一般采用在母线隔离开关和断路器之间增加两个隔离气室（如图4-4所示），使扩建过程中母线隔离开关的气室无需降压，避免扩建过程中母线长时间停电。同时，为防止本期建设间隔的断路器检修时母线长期停电，本期间隔也需增加隔离气室。然而，增加隔离气室抬高了设备价格，扩大了占地面积，使小型化设备的优点打折。
图4-4 110kV小型化GIS气室布置图（增加气室后）
4.2 本工程110kV接线优化方案
为解决4.1节中存在的问题，110kV接线可按照220kV接线的优化方案，在合适的位置增加母线分段隔离开关，如图4-5所示：
图4-5 优化后的110kV接线图
110kV配电装置的#1和#2主变进线间隔、ⅠM和ⅡM PT间隔分别布置于母线分段隔离开关两侧。参照220kV接线优化方案的分析可知，
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远景扩建时避免110kV GIS全部停电，同时无需在母线隔离开关和断路器之间增加隔离气室，促进了小型化GIS设备在本站的应用，优化建筑指标及减少投资。
考虑中化变110kV全部停电对该区域110kV配电网络造成的严重影响，110kV接线推荐采用双母线双分段隔离开关的接线形式。本方案增加投资约40万元，投资增加较少，优化方案的经济性指标较优。
5 35kV主接线方案分析
根据本工程建设规模，可研阶段35kV接线采用单母线分段接线，分三段母线。该接线方式满足国网“两型一化”变电站设计导则，接线简洁、可靠灵活、投资经济。结合本次投标方案的布置方式，该接线形式符合投标方案对设备选型和布置的要求，接线方便，布置灵活、空间紧凑。因此，投标方案的35kV接线仍采用单母线分三段接线的形式，与可研方案不同的是其设备选型按照小型化开关设备考虑。
结合35kV出线的近远期规模，考虑到本期所上#1和#2主变及35kV设备布置情况，本期35kV主接线建设Ⅰ、Ⅱ段，电源引自#1、#2主变低压侧。 6 结论
本专题根据本工程系统条件、建设规模、配电装置布置和设备选型等特点，为避免GIS设备扩建停电影响变电站重要负荷的可靠性，提出了220kV、110kV主接线采用双母线双分段隔离开关的优化方案。
经过分析论证得出，优化方案在增加较少投资的前提下，有效减少了GIS扩建时的停电范围，避免了扩建时整套GIS设备全部停电的问题，增强了临淄电网南部区域对石化工业园和电铁等重要大负荷的
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供电可靠性。
此外，结合220kV及110kV主接线形式，35kV远期采用单母线三分段接线方式，其可靠性和经济性俱优。本期采用单母线分段接线方式。
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