73 66kV智能變電站66kV電氣設(shè)備全壽命周期比擇

1、66kV智能變電站66kV電氣設(shè)備全壽命周期比擇謝云秀1 沈曄華2 （沈陽(yáng)電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院）【摘 要】本文以國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備為基礎(chǔ)，以變電站全壽命周期設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則為導(dǎo)向，結(jié)合二牛66kV變電站新建工程的實(shí)際情況，對(duì)AIS和GIS兩種形式的電氣設(shè)備進(jìn)行設(shè)備參數(shù)、土建接口、安裝接口進(jìn)行全面分析，通過全壽命成本最優(yōu)比較，得出適宜本工程的66kV電氣設(shè)備選擇方案?！娟P(guān)鍵詞】66kV智能變電站 全壽命 設(shè)備選擇0 概述變電站主要電氣設(shè)備的選型應(yīng)以國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備為基礎(chǔ)，全面貫徹“兩型一化”設(shè)計(jì)導(dǎo)則，根據(jù)變電站電氣主接線形式、站址條件、系統(tǒng)接網(wǎng)方案、負(fù)荷性

2、質(zhì)等條件綜合考慮。主要電氣設(shè)備的選型還關(guān)系變電站的供電可靠性以及后期的運(yùn)行維護(hù)成本，本文旨在通過對(duì)66kV AIS和GIS兩種型式的主要電氣設(shè)備比選，結(jié)合二牛66kV變電站工程特點(diǎn)，選擇出最優(yōu)的電氣設(shè)備型式，以達(dá)到變電站全壽命周期成本最優(yōu)的要求。1 工程概況二牛66kV變電站位于康平縣二牛鎮(zhèn)二牛村供電營(yíng)業(yè)所東側(cè)，待建場(chǎng)地地形平坦，站區(qū)南側(cè)與303省道相鄰，進(jìn)線方向位于站區(qū)東側(cè)。遠(yuǎn)景規(guī)模：安裝2臺(tái)40MVA主變壓器，66kV出線2回，10kV出線24回，66kV側(cè)安裝1臺(tái)1900kVA消弧線圈，每段10kV母線安裝1組3600+3000kvar電力電容器組成套裝置。本期規(guī)模：安裝2臺(tái)20MVA主

3、變壓器，66kV出線2回，10kV出線8回，66kV側(cè)安裝1臺(tái)1900kVA消弧線圈，每段10kV母線安裝1組3000kvar電力電容器組成套裝置。2專題研究?jī)?nèi)容變電站66kV電氣設(shè)備的選擇全面貫徹資產(chǎn)全壽命周期成本管理要求，針對(duì)66kV AIS和GIS兩種設(shè)備形式，在可靠性和安全性、可回收性、防災(zāi)和突發(fā)事件處理、資產(chǎn)全壽命周期成本最優(yōu)五個(gè)方面進(jìn)行全面的分析比較，得出全壽命周期最優(yōu)結(jié)論。針對(duì)二牛66kV變電站工程規(guī)模，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成果（輸變電工程通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備）應(yīng)用目錄（2013年版）中通用設(shè)備，本文電氣設(shè)備選取AIS設(shè)備與GIS設(shè)備兩種形式相比較，各電氣設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)詳見

4、表2-1。表2-1 設(shè)備編號(hào)及主要技術(shù)參數(shù)序號(hào)設(shè)備形式設(shè)備名稱通用設(shè)備編號(hào)主要技術(shù)參數(shù)1AIS72.5kV斷路器CQF2000/31.5額定電壓：72.5kV額定開斷電流：31.5kA額定電流：2000A272.5kV隔離開關(guān)CQS-2D1250/31.5額定電壓：72.5kV額定開斷電流：31.5kA額定電流：1250A366kV電流互感器CTA-D-5-31.5額定電壓：66kV額定開斷電流：31.5kA額定電流比：2×600/54GIS72.5kV組合電器CGIS-2000/31.5額定電壓：72.5kV額定開斷電流：31.5kA額定電流：2000A本工程設(shè)計(jì)中選用通用設(shè)備，統(tǒng)

5、一設(shè)備參數(shù)、統(tǒng)一電氣接口、統(tǒng)一二次接口、統(tǒng)一土建接口。設(shè)備采購(gòu)過程中，通過國(guó)網(wǎng)公司集中規(guī)模招標(biāo)，設(shè)備價(jià)格更低，可有效控制初始投入成本。3 設(shè)計(jì)方案比選3.1 AIS設(shè)備選型分析3.1.1 72.5kV斷路器選型分析（1）設(shè)備參數(shù)72.5kV斷路器采用瓷柱式SF6斷路器，選擇額定電流2000A，額定開斷電流31.5kA/4s的產(chǎn)品。同時(shí)，斷路器采用“”形鋼結(jié)構(gòu)支架，支架由設(shè)備制造商提供。（2）土建接口1斷路器采用“”形鋼結(jié)構(gòu)支架，“”形支架間距取1600mm。2斷路器本體上的機(jī)構(gòu)箱高度滿足如下要求：運(yùn)行人員站在操作平臺(tái)上進(jìn)行操作時(shí)能保證運(yùn)行人員的安全凈距要求。3斷路器每個(gè)基礎(chǔ)采用4個(gè)地腳螺栓固定

6、，地腳螺栓由廠家隨設(shè)備提供，并提供地腳螺栓尺寸及其埋深。4斷路器高出地面的基礎(chǔ)寬度不大于800mm。5斷路器基礎(chǔ)均高出地面200mm。（3）安裝接口示意圖圖3.1-1 瓷柱式SF6斷路器正視圖、側(cè)視圖圖3.1-2 瓷柱式SF6斷路器基礎(chǔ)尺寸示意圖3.1.2 72.5kV隔離開關(guān)選型分析（1）設(shè)備參數(shù)72.5kV隔離開關(guān)采用雙柱V型旋轉(zhuǎn)式，選擇額定電流1250A，額定開斷電流31.5kA/4s的產(chǎn)品。鑒于隔離開關(guān)的安裝方式和特點(diǎn)，隔離開關(guān)的接口分界面為隔離開關(guān)底座，采用螺栓與設(shè)備支架固定。（2）土建接口1隔離開關(guān)采用雙柱支架安裝，由業(yè)主自行采購(gòu)。雙柱間距為2000mm，支架高度不低于2700mm

7、。2雙柱V型旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)底座與支架上的槽鋼接口，隔離開關(guān)的底座安裝槽鋼和操作機(jī)構(gòu)的安裝方式宜由電氣專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。操作機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝，其連桿由設(shè)備制造廠提供。操作機(jī)構(gòu)距離地面高度1000mm。3鋼管支架可采用單杯口柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，其它型式鋼支架可采用預(yù)埋地腳螺栓的柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。（3）安裝接口示意圖圖3.1.2-1 雙柱V型旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)正視圖、側(cè)視圖圖3.1.2-2 雙柱V型旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)基礎(chǔ)槽鋼開孔詳圖3.1.3 66 kV電流互感器選型分析（1）設(shè)備參數(shù)66kV電流互感器采用干式正立式電流互感器，選擇額定電流比為2×600/5A，額定開斷電流31.5kA/4s的產(chǎn)品。鑒于電流互感器的

8、安裝方式和特點(diǎn)，電流互感器的接口分界面為電流互感器底座，采用螺栓與設(shè)備支架固定。（2）土建接口66kV電流互感器支架采用鍍鋅鋼管桿或鋼筋混凝土環(huán)形等徑桿，頂封板螺孔中心距離及螺孔大小同電氣安裝要求，采用410mm×410mm 4-f20mm；鋼管桿顏色為銀灰色，每個(gè)支架應(yīng)有兩個(gè)接地點(diǎn)，接地點(diǎn)高度與其他設(shè)備接地點(diǎn)一致。支架具體管徑大小應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求及時(shí)確定。（3）安裝接口示意圖圖3.1.3 66kV干式正立式電流互感器安裝示意圖3.1.4 AIS設(shè)備全壽命周期分析（1）二牛變電站66kV電氣設(shè)備的工作電流本期為350A，遠(yuǎn)期為700A。以上設(shè)備參數(shù)選擇均考慮到遠(yuǎn)期主變?cè)鋈莸?0MVA的

9、情況，滿足可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)的要求。（2）通過規(guī)定土建接口，AIS設(shè)備與基礎(chǔ)之間均采用地腳螺栓連接，并且每種設(shè)備統(tǒng)一了螺栓規(guī)格和位置間距?？杀ＷC不同廠家同類設(shè)備之間的通用性，緊急情況時(shí)，可方便現(xiàn)場(chǎng)更換，滿足事故處置防災(zāi)設(shè)計(jì)的要求。（3）AIS設(shè)備土建基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)，易于拆除。設(shè)備構(gòu)、支架采用拆卸方便、易于回收的鋼材，鋼柱與基礎(chǔ)、鋼柱與鋼梁構(gòu)件之間的連接全部采用螺栓連接，方便安裝和拆卸，滿足可回收性設(shè)計(jì)要求。（4）AIS設(shè)備滿足國(guó)網(wǎng)公司提出“統(tǒng)一設(shè)備參數(shù)、統(tǒng)一電氣接口、統(tǒng)一二次接口、統(tǒng)一土建接口”的要求，解決了以往土建施工圖設(shè)計(jì)受制于設(shè)備招標(biāo)結(jié)果的問題。在初步設(shè)計(jì)審核后即可全面開展土建施工圖設(shè)計(jì)，

10、節(jié)約設(shè)備招標(biāo)階段的23個(gè)月的時(shí)間，滿足節(jié)約環(huán)保性設(shè)計(jì)要求。（5）SF6斷路器中所含SF6氣體量較小，一旦發(fā)生泄漏，SF6氣體的泄漏量小，對(duì)環(huán)境造成污染較小。而隔離開關(guān)和電流互感器均不含SF6氣體和絕緣油，滿足節(jié)約環(huán)保性要求。（6）AIS設(shè)備設(shè)備易于操作維修，可維護(hù)性強(qiáng)。配電裝置四周設(shè)置環(huán)形道路，內(nèi)部設(shè)置檢修道路和巡視小道，便于檢修維護(hù)。設(shè)備與構(gòu)支架皆采用螺栓連接，當(dāng)需要更換、檢修時(shí)方便拆卸和安裝。（7）LCC成本計(jì)算依據(jù)全壽命周期內(nèi)功能匹配、壽命協(xié)調(diào)和費(fèi)用平衡原則，提出壽命匹配方案。本變電站位于遼寧省沈陽(yáng)市康平縣，屬于溫帶季風(fēng)氣候，冬季平均氣溫在-12-13。一次設(shè)備整體壽命按30年考慮，全壽

11、命設(shè)計(jì)周期LCC值按30年計(jì)算。全壽命周期成本計(jì)算模型為：LCC=CI+CO+CM+CF+CDCI（初始投入成本）為89.2萬(wàn)元；CO+CM（運(yùn)維成本+檢修成本）為58.78萬(wàn)元；CF（故障成本）為151.5萬(wàn)元（注1）；CD（退役處置成本）為 -4.46萬(wàn)元。LCCAIS= CI+CO+CM+CF+CD=295.02萬(wàn)元注1：二牛變電站66kV側(cè)為內(nèi)橋接線，繼電保護(hù)設(shè)置備自投裝置。當(dāng)線路間隔AIS設(shè)備故障，備自投裝置動(dòng)作，基本上不影響供電；當(dāng)主變間隔AIS設(shè)備故障，將會(huì)造成變電站停電，除了維修費(fèi)用，還需要考慮故障停電費(fèi)用。二牛變電站的供電負(fù)荷有兩種，分別為正常用電和農(nóng)業(yè)灌溉用電。本工程僅以設(shè)

12、備復(fù)雜故障為例進(jìn)行全壽命周期計(jì)算，72.5kV斷路器故障，停電維修時(shí)間約5小時(shí)；72.5kV隔離開關(guān)故障，停電維修時(shí)間約4小時(shí)；66kV干式電流互感器故障，停電維修時(shí)間約1小時(shí)。表3.1.4 AIS設(shè)備故障成本計(jì)算表 設(shè)備名稱故障維修費(fèi)用正常用電損失灌溉用電損失故障成本72.5kV斷路器5.6萬(wàn)元×10次=56萬(wàn)元5000kVA×10次×5小時(shí)×1.5元/kwh=37.5萬(wàn)元3000kVA×10次×5小時(shí)×1.5元/kwh =22.5萬(wàn)元116萬(wàn)元72.5kV隔離開關(guān)1萬(wàn)元×5次=5萬(wàn)元5000kVA×5

13、次×4小時(shí)×1.5元/kwh =15萬(wàn)元3000kVA×5次×4小時(shí)×1.5元/kwh =9萬(wàn)元29萬(wàn)元66kV電流互感器0.1萬(wàn)元×5次=0.5萬(wàn)元5000kVA×5次×1小時(shí)×1.5元/kwh =3.75萬(wàn)元3000kVA×5次×1小時(shí)×1.5元/kwh =2.25萬(wàn)元6.5萬(wàn)元 CF（故障成本）= 116 + 29 + 6.5 = 151.5（萬(wàn)元）表3.2 66kV電氣設(shè)備常見故障情況分析序號(hào)設(shè)備名稱常見故障故障維修費(fèi)用故障次數(shù)停電時(shí)間（假設(shè)1臺(tái)主變停電）172.5k

14、V斷路器1、機(jī)械部分：機(jī)械卡滯及轉(zhuǎn)換開關(guān)不到位,燒分、合線圈及電機(jī)。2、二次部分：空開、接觸器及二次端子接觸不良及燒壞。3、接頭發(fā)熱。4、斷路器漏氣（六氟化硫報(bào)警、閉鎖）。0.3-0.5萬(wàn)0.1萬(wàn)5萬(wàn)3年1次5小時(shí)272.5kV隔離開關(guān)接頭發(fā)熱；刀閘接頭、接線板及軟連接部分，彈簧生銹變形，彈力下降；機(jī)構(gòu)操作困難引起的分合位置錯(cuò)位及插入不夠；接線板螺絲年久銹死嚴(yán)重，壓力下降。0.1萬(wàn)-1萬(wàn)6年1次4小時(shí)366kV電流互感器1、接線板過熱。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少，設(shè)備可靠性好，目前無(wú)其他故障。0.1萬(wàn)6年1次1小時(shí)472.5kV組合電器1、機(jī)械部分：機(jī)械卡滯及轉(zhuǎn)換開關(guān)不到位,燒分、合線圈及電機(jī)；2、二次部分：

15、空開、接觸器、帶電顯示器及二次端子接觸不良及燒壞。0.3-0.5萬(wàn)0.1萬(wàn)3年1次5小時(shí)3、漏氣（六氟化硫報(bào)警、閉鎖）。4、戶外盤式絕緣子裂紋。6萬(wàn)暫按15年1次48小時(shí)注：上表參數(shù)由沈陽(yáng)供電公司運(yùn)維檢修部提供。3.2 GIS設(shè)備選型分析3.2.1 72.5kV組合電器設(shè)備選型分析（1）設(shè)備參數(shù)72.5kV組合電器采用三相共箱式設(shè)備，戶外布置。選擇斷路器和隔離開關(guān)額定電流2000A，額定開斷電流31.5kA/4s，電流互感器額定電流比2×600/5A的產(chǎn)品。布置方案間隔寬度為1.5m和0.8m兩種。（2）電氣一次接口72.5kV組合電器采用架空進(jìn)出線方式。根據(jù)間隔寬度及進(jìn)出線方向確定

16、基礎(chǔ)平臺(tái)寬度。二次電纜溝布置靠近主變壓器側(cè)，尺寸根據(jù)具體工程確定。（3）土建接口72.5kV組合電器安裝平臺(tái)采用整體大板基礎(chǔ)，在通用設(shè)備基礎(chǔ)尺寸范圍內(nèi)預(yù)留上層基礎(chǔ)插筋，待設(shè)備廠家確定基礎(chǔ)尺寸后，二次澆注上部基礎(chǔ)平臺(tái)，并應(yīng)高出地面150mm。 常用GIS設(shè)備外形尺寸根據(jù)各廠家資料，以標(biāo)準(zhǔn)的線路變壓器組接線間隔（電纜出線）為例，各設(shè)備廠家72.5kV組合電器外形及安裝尺寸如表3.2.2所示。表3.2.2 各設(shè)備廠家72.5kV組合電器外形及安裝尺寸一覽表序號(hào)廠家名稱間隔長(zhǎng)度（mm）間隔高度（mm）留孔尺寸（mm）單間隔總重（t）間隔寬度（m）1河南平高74083072600×6005t1

17、.02山東泰開76032956650×6505t0.863西安西電71233112600×600不大于5t1.24泰安泰山70403335550×5506.5t1.05江蘇如高69693003800×6002.8t0.856正泰電氣72763007800×8004.8t1.2由上表可見，各廠家的72.5kV組合電器設(shè)備寬度范圍主要在0.85m1.2m，設(shè)備長(zhǎng)度范圍主要在6.9m7.6m，寬度和長(zhǎng)度差異均較大。 GIS設(shè)備全壽命周期分析（1）GIS設(shè)備為免維護(hù)產(chǎn)品，安全可靠性比AIS設(shè)備更高。（2）設(shè)備參數(shù)選擇均考慮到遠(yuǎn)期主變?cè)鋈莸?0MVA的情

18、況，滿足可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)的要求。（3）通過對(duì)各設(shè)備廠家的72.5kV組合電器相比較，外形尺寸差異較大，而且結(jié)構(gòu)布置不同，荷載點(diǎn)位置差異也很大，需要等待設(shè)備廠家確定后，才能二次澆注上部基礎(chǔ)平臺(tái)混凝土。發(fā)生事故時(shí)，不同廠家設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)互換，事故處置防災(zāi)設(shè)計(jì)的靈活性不足。（4）72.5kV組合電器土建基礎(chǔ)形式為大板基礎(chǔ)，難于拆除，不利于回收，不滿足可回收性設(shè)計(jì)要求。（5）本方案中GIS為戶外布置，GIS設(shè)備中所含SF6氣體量較大，一旦發(fā)生泄漏，SF6氣體的泄漏量大，且無(wú)法回收，對(duì)環(huán)境造成污染較嚴(yán)重。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，戶外GIS的機(jī)構(gòu)箱易于發(fā)生滲雨和銹蝕等故障，不滿足節(jié)約環(huán)保性設(shè)計(jì)要求。（6）GIS設(shè)備屬于免

19、維護(hù)產(chǎn)品，一旦設(shè)備內(nèi)部元件故障需更換，則需要先回收氣體，再解體GIS設(shè)備進(jìn)行更換，并且對(duì)檢修維護(hù)環(huán)境的整潔度要求極高。（7）LCC成本計(jì)算本工程72.5kV組合電器初次投資成本320萬(wàn)元，設(shè)備整體壽命按30年考慮，全壽命設(shè)計(jì)周期LCC值按30年計(jì)算。全壽命周期成本計(jì)算模型為：LCC=CI+CO+CM+CF+CDCI（初始投入成本）為320萬(wàn)元；CO+CM（運(yùn)維成本+檢修成本）為211.2萬(wàn)元；CF（故障成本）為124.8萬(wàn)元（注2）；CD（退役處置成本）為 -16萬(wàn)元。LCCGIS= CI+CO+CM+CF+CD=640萬(wàn)元注2：本工程僅以設(shè)備復(fù)雜故障為例進(jìn)行全壽命周期計(jì)算， 72.5kV組合

20、電器故障，停電維修時(shí)間約48小時(shí)。表3.2.3 GIS設(shè)備故障成本計(jì)算表 設(shè)備名稱故障維修費(fèi)用正常用電損失灌溉用電損失故障成本72.5kV GIS6萬(wàn)元×1次=7.2萬(wàn)元5000kVA×（10次×5小時(shí)+1次×48小時(shí)）×1.5元/kwh=73.5萬(wàn)元3000kVA×（10次×5小時(shí)+1次×48小時(shí)）×1.5元/kwh=44.1萬(wàn)元124.8萬(wàn)元3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表3.3 66kV電氣設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表序號(hào)比較項(xiàng)目AIS方案GIS方案1進(jìn)線方式架空進(jìn)線同AIS方案2占地面積橫向尺寸為23.4m，占地面積

21、為966m2。 橫向尺寸為13.4m，占地面積為553m2，節(jié)省占地413m2。節(jié)省建設(shè)場(chǎng)地征用費(fèi)31.5萬(wàn)元。3安全可靠性現(xiàn)場(chǎng)有裸露導(dǎo)體，安全可靠性低； 現(xiàn)場(chǎng)沒有裸露導(dǎo)體，安全可靠性高；4運(yùn)行和維護(hù)設(shè)備易于操作維修，可維護(hù)性強(qiáng)。設(shè)備與構(gòu)支架皆采用螺栓連接，當(dāng)需要更換、檢修時(shí)方便拆卸和安裝。主要設(shè)備密封于SF6氣體內(nèi)，正常運(yùn)行免維護(hù)，檢修周期較長(zhǎng)，一旦故障現(xiàn)場(chǎng)檢修需進(jìn)行充放氣操作，檢修困難。 5施工安裝安裝簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試簡(jiǎn)便，對(duì)接地電阻要求低，主接地網(wǎng)材料較少，工藝簡(jiǎn)單。 氣室單元在工廠組裝、調(diào)試和密封，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量?。话惭b復(fù)雜，需廠家指導(dǎo)。主接地網(wǎng)材料較多，工藝復(fù)雜7可擴(kuò)展性擴(kuò)建方便，后期設(shè)備選型不受前期影響，停電時(shí)間短。擴(kuò)建困難，停電時(shí)間長(zhǎng)，新建工程初期需考慮擴(kuò)建方案，且在同一間隔擴(kuò)建需