500kV变电站35kV配电装置优化设计研究

刘洪正

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002）

0 引言

目前500 kV变电站中高压侧及中压侧设备多已采用GIS、HGIS等技术先进、运行可靠、占地面积小的新型设备，但低压侧仍为敞开式设备。设备种类多、数量大，施工周期长，且占地面积大（低压侧设备占地面积在全站占地面积中的比例高达20%～30%），给运行维护带来很大不便。因此，总结以往500 kV变电站的设计和运行经验，优化35 kV配电装置设计，对500 kV变电所的整体设计有着十分重要的意义。

1 35 kV配电装置现状

目前500 kV变电站低压侧主要为容性、感性无功负荷，其短路电流水平和单组无功容量是选用断路器的主要影响因素。根据多年设计运行经验，山东省内500 kV变电站35 kV侧短路电流水平一般接近40 kA，单相并联电容器、并联电抗器容量一般均为20 Mvar，受设备技术条件的限制，目前断路器一般选用敞开式72.5 kV瓷柱断路器降压运行，35 kV无功设备多选用干式空心并联电抗器和框架式并联电容器组。以岱宗500 kV变电站为例，远景4台主变压器，每台主变压器低压侧配置2组60 Mvar电容器、1组60 Mvar电抗器，其35 kV区横向尺寸179 m，纵向尺寸 35 m，占地 0.63 hm2。 布置见图 1［1］。

图1 常规35 kV配电装置布置图

以上方案占地面积大，维护检修复杂。 针对上述情况，提出采用35 kV HGIS设备代替敞开式开关设备、采用磁屏蔽并联电抗器代替干式空心并联电抗器、采用紧凑型框架式并联电容器组代替常规框架式并联电容器组的一系列优化措施，在不降低运行可靠性的同时，大幅减小占地面积。

2 35 kV开关设备选型优化

2.1 35 kV HGIS设备生产水平

结合近年来山东省内短路电流水平，为优化35 kV配电装置布置，针对设备额定电流、额定开断电流、切容性（感性）电流能力、次数等主要技术参数，对合资电气设备厂A、山东某电气设备厂、陕西某电气设备厂、合资电气设备厂B等厂家的HGIS产品进行了调研，基本情况见表 1。

表1 HGIS设备调研汇总表

图2 敞开式设备断面图

图3 HGIS设备断面图

2.2 优势分析

根据以上调研结果，以岱宗500 kV变电站为例，主要对采用敞开式设备和HGIS设备两种布置型式的占地面积及设备投资两方面做对比分析。

2.2.1 占地面积分析

岱宗500 kV变电站500 kV出线6回，220 kV出线14回，横向尺寸主要由500 kV和220 kV配电装置确定，约为179 m，采用HGIS设备后，35 kV配电装置纵向尺寸可由原来的35 m减小到29 m，节省占地面积 1 074 m2，合计 0.12 hm2，详见图 2、图 3［1］。

2.2.2 投资分析

采用HGIS后，与敞开式设备相比，设备投资有所增加，将各厂家现有的满足要求的断路器间隔进行比较，详见表2。

表2 投资对比表

由表2可以看出，采用敞开式设备，单母线接线每个间隔投资约为37.1万元，采用HGIS后，投资增加最少的为山东某电气设备厂提供的72.5 kV HGIS每个间隔增加14.9万元，投资增加最多的为合资电气设备厂A提供的72.5 kV HGIS，每个间隔增加62.9万元。

2.3 小结

根据调研结果可以看出，目前大部分厂家无35kV HGIS产品或不能满足短路电流水平的要求，因此一般选用72.5 kV或126 kV产品降压运行。目前合资电气设备厂A、陕西某电气设备厂、山东某电气设备厂可提供满足短路电流、切容性、感性电流要求的72.5 kV HGIS产品，合资电气设备厂B能提供满足短路电流、额定电流要求的145 kV产品。

但以上厂家容性电流投切试验次数均按IEC标准进行（48次），鉴于本站HGIS设备拟用于并联电容器组及电抗器组间隔，每一次投切的电流均为容性或感性电流，因此本站要求容性（感性）电流投切次数5 000次。进一步调研发现，目前在500 kV变电站普遍应用的72.5 kV瓷柱式断路器，其容性电流投切试验次数也均按IEC标准进行（48次），但大都运行稳定性良好。

采用HGIS后，与敞开式设备相比，可节省占地0.12 hm2，根据厂家的不同每个间隔增加设备投资约14.9～62.9万。

综合考虑以上因素，推荐35 kV配电装置采用HGIS设备。

3 35 kV配电装置接线形式优化

3.1 35 kV配电装置接线形式

500 kV变电所中35 kV主要装设并联电容器、并联电抗器和站用变压器，目前35 kV配电装置主要有以下3种接线方式：方式一，主变压器35 kV侧装总断路器，无功补偿装置分支回路装设负荷开关。方式二，主变压器35 kV侧装设总断路器，无功补偿装置分支回路装设断路器。方式三，主变压器35 kV侧不装设总断路器，无功补偿装置回路装设断路器［2］。

经调研，目前一次设备厂家均无采用负荷开关的HGIS产品，因此方式一不适用于本站HGIS设备。方式二与方式三的主要区别在于是否装设总断路器。

3.2 主变压器35 kV侧取消总断路器可行性分析

3.2.1 总断路器主要作用及要求

主变压器35 kV侧总断路器的作用主要是开断母线短路电流，缩小故障停电范围，并可作为分支断路器拒动的后备。因此要求总断路器能开断较大的短路电流（约40 kA）及容性电流（2 kA），且回路的故有频率极高，总断路器应能承受极高的恢复电压上升速率，满足上述条件的断路器造价相当昂贵。

3.2.2 取消总断路器可行性分析

短路故障方面。主变压器35 kV侧为不接地系统，即便发生单相接地也不会使断路器立即跳闸；35 kV侧选用SF6气体绝缘的HGIS设备，投切无功装置的可靠性高；并联电抗器采用单相式分相布置，母线的相间距离采用1.5 m，远远高于规程要求的35 kV电压等级的相间距离，发生短路故障的机率大大降低。

保护方面。 图4、图5中，K1点短路时，主变压器差动保护瞬时动作，跳主变压器三侧断路器；K2点短路时，主变压器差动保护不动作，过流保护延时跳主变压器35 kV侧总断路器；K3点短路时，主变压器差动保护不动作，过流保护延时跳主变压器高、中压侧断路器。可见K3点短路与K1点短路情况类似，K3短路的跳闸时间比K1点滞后。图5中节省一组隔离开关、一台断路器、一组电流互感器，接线更简洁，短路故障几率更低。

图4 设总回路断路器示意图

图5 不设总回路断路器示意图

运行情况调研。为进一步了解总断路器的运行情况，对500 kV潍坊变电站、500 kV济南变电站和500 kV淄博变电站的运行情况进行调研，以上3座500 kV变电站均设置了总断路器，且运行时间已超过10年。调研发现，以上3个500 kV变电站中35 kV分支断路器拒动和35kV母线故障，引起35kV总断路器动作的次数为零。因此装设总断路器，在减小短路及分支断路器拒动时停电范围方面的作用几乎没有发挥条件。

从检修角度考虑，假设装设总断路器及总隔离开关，主变压器检修时35 kV侧有明显的断开点。假设不装设总断路器，可将各分支回路的断路器都断开，35 kV侧同样有明显断开点。

3.2.3 投资分析

如增加总断路器回路，每回路需增加投资52～100万元，岱宗变电站按4台主变压器考虑，需增加投资204～400万元。设置总断路器后，HGIS分支回路无法采用负荷开关，仍需采用断路器，因此分支回路设备投资并不降低。

3.3 小结

综合考虑可行性、运行检修、设备投资等因素，岱宗站推荐采用接线方式三，即主变压器35 kV侧不装设总断路器，无功补偿装置回路装设分支回路断路器。

4 35 kV并联电抗器选型优化

本站并联电抗器设备考虑三种方案：干式空心并联电抗器、油浸式并联电抗器、磁屏蔽并联电抗器。

4.1 干式空心并联电抗器

干式空心电抗器多采用多层并联绕组结构，每个绕组由小截面绝缘铝导线并联绕制而成，电抗器整体由环氧玻璃纤维包封，经高温固化，每层绕组的引线引出端都焊接在上下铝合金支架上。产品外表面涂抗老化、抗紫外线的绝缘漆。

干式空心电抗器本身由于暴露在外界环境中，任何外界环境的变化都会造成对它的影响，因此需要经常观察是否有绝缘劣化现象，必须定期清扫和涂RTV涂料以延长它的使用寿命。干式空心电抗器要保证对地的绝缘距离，再加上多层线圈的累加重心不断提高，仅靠细长的支柱绝缘子支撑，抗地震能力较弱。常规干式空心电抗器存在漏磁问题，占地面积较大，且随着运行时间的增加，震动及噪音现象会越来越明显。

干式空心电抗器外形及布置见图6。

图6 干式空心并联电抗器

4.2 油浸式并联电抗器

油浸电抗器主要由铁心、绕组及其绝缘、油箱、套管、冷却装置和保护装置等组成。单相电抗器铁心结构为单心柱两旁柱结构，三相电抗器铁心结构为品字形心柱、卷铁扼结构。油浸电抗器具有以下特点。

1）电磁污染小，铁心电抗器以硅钢片为导磁介质，磁通大部分在铁心中流通，对周围环境无电磁污染。

2）铁心涡流损耗小，铁心无局部过热现象。

3）噪音低，铁心柱经整体真空浇注成型，成为一个坚固的刚体，运行时振动很小，产品噪音低。

4）体积小，重量轻，外形美观。同空心并联电抗器相比，体积、重量要小很多。

5）可在户外使用，适应环境能力强。所有带电部分均密封在金属的容器中，不受污染、盐害、灰尘、积雪、潮湿、紫外线照射、高温等外部环境的影响，可以保证设备长期运行的稳定性。

6）预埋基础采用螺栓固定，产品自身重心低，强度又高，因此具有良好的抗震性。

7）可以实现免维护或少维护。全密封油枕防止老化，并可通过对绝缘油的定期检测进行监测，及时地掌握和处理老化前兆现象，同时判断出设备的剩余寿命时间，预防事故发生，从而使电力供给的安全性有切实的保障。根据用户的需求，可以安装在线监测装置，确保设备运行完全处于安全可控的状态中。

油浸式并联电抗器外形及布置图见图7。

图7 油浸式并联电抗器

4.3 磁屏蔽干式空心电抗器

磁屏蔽干式空心电抗器是在空心电抗器的线圈基础上加装了内、外导磁屏蔽罩。与普通干式空心电抗器相比，磁屏蔽空心电抗器在性能方面有较大优势。

1）磁屏蔽电抗器心部截面积更小，线圈的匝数更少，整个电抗器体积大幅度缩小，同时电抗器的电阻也变小，从而使电抗器的主要损耗——线圈损耗得到大幅度降低。

2）磁屏蔽电抗器磁力线由于收敛在内、外导磁屏蔽筒里，导线的涡流损耗也会相应大幅度减少。

3）磁屏蔽电抗器能大大减少外围空气中的漏磁，安装时只考虑电气距离足够即可，不像空心电抗器那样要保证相当大的电磁安全距离，从而进一步减小安装场地。由于内、外导磁屏蔽筒的铁心被紧紧地包裹在固化物中，避免了铁心的振动和受潮，且其整体性好，结构简单而牢固，无松动噪音问题，户内、户外均可使用。

4）磁屏蔽电抗器由于铁心中无气隙，并且被环氧树脂浇注成坚固、密实的整体，经过固化后结构简单而牢固，运行时噪音很低。同时，两个铁心筒对磁通的“分流”作用，电抗器导线处的磁密相对减小，加之导线长度相对较短（因匝数相对较少），因此，在相同短路电流下，其单根导线受到的电动力相对就小，忽略力的方向改变，其合力相应就小，抗短路电动力冲击的能力自然就提高了。

5）磁屏蔽干式空心电抗器大大减少了电抗器运行过程产生的磁泄漏对周边环境造成的磁污染，减少了对现代电子仪表、设施的损害，也避免了因磁污染而造成的社会影响。

6）磁屏蔽干式空心电抗器取消了传统空心电抗器的玻璃钢支柱，设备重心低，抗震性能好。

总之，磁屏蔽电抗器具有体积小、损耗低、占地面积小、大幅减小磁泄漏污染、抗震性能高等优点，是既能减少用户的设备投入，又能达到节能减排要求的一种创新型产品。磁屏蔽电抗器外形及布置见图8。

图8 磁屏蔽并联电抗器

4.4 小结

干式空心并联电抗器为目前500 kV变电站应用最多的电抗器，运行经验丰富，设备价格较低，约110万元，但电磁安全距离大，占地面积大，抗震性能低。必须定期清扫和涂RTV涂料以延长它的使用寿命。

油浸电抗器温升小，运行稳定性高、抗干扰性能好，宜维护，占地面积较空心电抗器小，但横向尺寸依然较大，运行经验较少，价格相对较高，约220万元，且含油量大，火灾危险性高，需设置储油池。

磁屏蔽干式空心电抗器是在空心电抗器的线圈基础上加装了内、外导磁屏蔽罩，属于2011年国家电网公司基建新技术研究应用项目，目前已研制出相应产品。磁屏蔽电抗器具有体积小、损耗低、占地面积小、大幅减小磁泄漏污染、抗震性能高等优点。价格约200万元，略高于空心电抗器，但低于油浸电抗器。

综合比较以上3种电抗器的性能、设备价格、占地面积等因素，推荐采用磁屏蔽并联电抗器方案。

5 35 kV并联电容器组选型优化

本站并联电容器组设备考虑三种方案：常规框架式并联电容器、大电容器件箱式电容器、紧凑型框架式并联电容器。

5.1 常规框架式并联电容器

常规框架式并联电容器组，采用单台小容量电容器在框架上串并联组成，采用三相水平布置，四周设置围栏。串联电抗器、避雷器、接地开关等位于围栏外部。其电容器寿命受温升影响较大，但框架式电容器更换方便，可以接受一定的故障率。常规框架式并联电抗器外形及布置见图9。

图9 框架式并联电容器

5.2 紧凑型框架式并联电容器

紧凑型框架式并联电容器是在常规框架式并联电容器的基础上发展起来的，采用三相叠装的布置方式，电容器组、电抗器三相叠装，单相分层双排侧卧排列，设有两个塔架。每个塔架为双排分布。塔架底座（对地）设防污型支柱绝缘子，每两层间设防污型支柱绝缘子。塔架采用抗震设计。四周设围栏，电容器、串联电抗器、放电线圈均布置于围栏内。紧凑型框架式并联电容器外形见图10。

图10 紧凑型框架式并联电容器

5.3 大电容器件箱式电容器

大电容器件箱式电容器采用独立的大电容器件，内部元件采用冷压接工艺制成，不存在串并联关系，设计场强低于框架式电容器，低场强带来的好处是电容器抗过电压、过电流的能力大大增强。但目前，国内生产的集合式电容器存在一定的故障率，若出现较大故障导致整台设备停运，需返厂维修，导致维修期间无功补偿缺失。大电容器件箱式电容器外形及布置见图11。

5.4 小结

常规框架式并联电容器为目前500 kV变电站应用最多的电容器装置，运行经验丰富，设备价格较低，约230万元，但占地面积大、维护费用较高。

图11 大电容器件箱式电容器

紧凑型框架式并联电容器采用三相叠装的布置方式，属于2011年国家电网公司基建新技术研究应用项目，目前已研制出相应产品。横向尺寸大幅减小，有效解决了常规框架式电容器占地面积大的缺点，且纵向尺寸与磁屏蔽电抗器匹配良好。价格与常规框架式电容器相当，但远低于大电容器器件箱式电容器。

大电容器件箱式电容器占地面积小、维护费用低、温升小，但设备价格高，约370万元，含油量大，火灾危险性高，需设置储油池。

综合比较以上3种电容器的性能、设备价格、占地面积等因素，推荐采用紧凑型框架式并联电容器方案。

6 结语

图12 优化后35 kV配电装置平面布置图

35 kV配电装置推荐HGIS设备，35 kV并联电容器推荐采用户外紧凑型框架式设备。35kV并联电抗器推荐采用磁屏蔽设备。无功补偿装置排列与主变压器呈平行布置。

主变压器场地纵向尺寸主要由无功补偿装置纵向尺寸决定，横向尺寸主要由无功补偿装置横向宽度及间隔通道决定。磁屏蔽电抗器和紧凑型电容器的维护通道按单侧维护考虑即可，并联电抗器外径为2 000 mm，串联电容器装置中电抗率为5%的串联电抗器外径为1 660 mm，电抗率为12%的串联电抗器外径为1 900 mm，建议维护通道宽度均按不小于2 500 mm考虑（框架式电容器不考虑整体运出检修，仅考虑串联电抗器整体运出）［1］。布置见图12。

35 kV区纵向尺寸为22 m，横向尺寸138.5 m，占地0.30hm2，较优化前的0.63hm2，节约占地面积48.6%。

采用HGIS设备、磁屏蔽并联电抗器等新型设备，场区内电磁环境得到明显改善，检修维护工作量大大降低，设备抗震性能显著提升、站区总布置更加流畅。

［1］ 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册［M］.北京：中国电力出版社，1989.

［2］ 马荣芳，宋绪鹏，周朝林.500 kV变电所35 kV配电装置的设计优化［J］.山东电力技术，2005（3）:39－41.