大中型水電站高壓配電裝置設計

大中型水電站高壓配電裝置設計

摘要：在總結分析我國大中型水電站高壓配電裝置設備型式選擇與布置設計的基礎上，對其設計發(fā)展趨勢進行了展望，并提出了大中型水電站高壓配電裝置設計除應滿足有關設計技術規(guī)程外，還應與高壓斷路器開關設備制造技術發(fā)展水平、電力工業(yè)發(fā)展水平、國民經(jīng)濟發(fā)展水平、社會與科學技術發(fā)展水平相適應。

關鍵詞：高壓配電裝置；選型設計；斷路器；大中型水電站1前言

高壓配電裝置設備型式的選擇與布置設計涉及的范圍較廣，本文所述大中型水電站高壓配電裝置設備型式的選擇與布置設計，主要指220kV至500kV電壓等級的大中型水電站的變電站或開關站的高壓配電裝置設備型式的選擇與布置設計。它是水電站電氣設計的重要部分。因為高壓配電裝置設備型式的選擇與布置設計，不僅直接關系到電氣主接線設計，而且對樞紐布置、廠房布置、電站投入運行后的運行維護管理、環(huán)境保護和水土保持等有著較大的影響。另外，高壓配電裝置作為電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，其設備型式的選擇與布置設計不僅對電站本身且對電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行也起著十分重要的作用。因此，這不僅是一項技術含量高、涉及范圍較廣的重要設計工作，同時也是衡量電氣專業(yè)設計技術水平的一個重要標志。

我國大中型水電站建設進入20世紀80年代后，發(fā)展非常迅速。目前，除即將發(fā)電的世界最大的三峽特大型水電站外，已建成發(fā)電的超大型水電站主要有白山、萬家寨、小浪底、丹江口、葛洲壩、劉家峽、龍羊峽、二灘、巖灘等18座。這18座超大型水電站的高壓配電裝置設備型式的選擇與布置設計，按設備型式劃分主要有SW系列少油斷路器、KW系列空氣斷路器、LW系列SF6斷路器和氣體絕緣金屬封閉式電器（GIS）；按布置型式劃分主要有戶內（包括洞室內）低式、戶外中式、戶外高式布置（詳見表1）。由表1可知，按電壓等級統(tǒng)計，其220kV電壓采用開敞式的有7座，占58％；采用GIS的有5座，占42％。330kV電壓和500kV電壓采用開敞式的有5座，占38％；采用GIS的有8座，占62％。而按電站數(shù)量統(tǒng)計，在18座超大型水電站中，采用開敞式的和采用GIS的各有9座，各占50％。按年代劃分，80年代前或80年代初期采用SW系列少油斷路器和KW系列空氣斷路器，基本上是采用開敞式。到80年代后期，特別是進入到90年代后基本采用LW系列SF6斷路器以及GIS，而到90年代后期開始到進入2000年后采用GIS比例在不斷增大。如水利系統(tǒng)近期開工建設的4座大型水利樞紐工程（紫坪鋪、百色、尼爾基、沙坡頭）中，有3座電站的高壓配電裝置采用GIS。通過對國內大中型電站高壓配電裝置設備選型和布置設計的統(tǒng)計分析可知，水電站的高壓配電裝置型式的選擇與布置設計，除應滿足《高壓配電裝置設計技術規(guī)程》、《變電所設計技術規(guī)程》等有關規(guī)程外，主要取決于以下因素：高壓斷路器等主要開關設備制造技術發(fā)展水平；電力工業(yè)的發(fā)展水平；國民經(jīng)濟發(fā)展水平；社會與科學技術的發(fā)展水平。下面從以上四個方面，對水電站的高壓配電裝置型式的選擇與布置設計進行論述。2高壓斷路器等制造水平的影響

我國高壓斷路器設備制造技術可分為三個階段：第一個階段為20世紀70年代以前。高壓斷路器主要產(chǎn)品有SW系列少油斷路器、KW系列空氣斷路器。這時的主要產(chǎn)品為研制使用期，110kVSW系列少油斷路器是雙斷口（單瓷柱羊角式），220kVSW系列少油斷路器是四斷口（雙瓷柱羊角式），實際上是將二柱110kVSW系列雙斷口少油斷路器串接起來使用。而KW系列空氣斷路器除絕緣和滅弧介質與少油斷路器不同外，其外型基本與SW系列少油斷路器相似，只是斷口和瓷瓶支柱是坐在空氣罐上。其110kVKW系列空氣斷路器是雙斷口（單瓷柱羊角式），220kVKW系列空氣斷路器是四斷口（雙瓷柱羊角式），330kVKW系列空氣斷路器是六斷口（三瓷柱羊角式）。這一時期的設備制造技術水平和產(chǎn)品質量總體上不高，特別是220kV以上電壓等級的產(chǎn)品質量問題較多。

第二個階段為70年代到80年代初期。高壓斷路器主要產(chǎn)品仍然是SW系列少油斷路器、KW系列空氣斷路器，但經(jīng)過研制改進，設備制造技術水平和產(chǎn)品質量總體上有了很大的提高。特別是到了80年代初期后，這一代產(chǎn)品的設備制造技術基本成熟，產(chǎn)品質量基本穩(wěn)定。220kVSW系列少油斷路器與KW系列空氣斷路器也發(fā)展為單瓷柱雙斷口（單瓷柱羊角式）式。但這一代產(chǎn)品的總體設備技術性能指標不高，如額定開斷容量小、檢修周期短等。

第三個階段為80年代初期至今。這一時期主要是引進國外先進技術進行合作生產(chǎn)。如平頂山高壓開關廠與法國梅林公司合作生產(chǎn)的LW6系列SF6斷路器，西安高壓開關廠與日本三菱公司合作生產(chǎn)SFM和SFMT系列SF6斷路器，沈陽高壓開關廠與日本的日立公司合作生產(chǎn)LW11、LW12系列SF6斷路器等。高壓斷路器設備制造技術進入了新的發(fā)展時期。產(chǎn)品主要為LW系列SF6開敞式斷路器和氣體絕緣金屬封閉式電器。通過國外先進技術的引進，在高壓斷路器制造技術領域內，大大縮小了國內外之間的差距，高壓斷路器產(chǎn)品的總體設備技術性能指標和產(chǎn)品質量得到很大的提高。

我國水電站的高壓配電裝置型式的選擇與布置設計技術的發(fā)展基本上與國內的高壓斷路器產(chǎn)品的設備技術發(fā)展相一致，也經(jīng)歷了這樣三個發(fā)展階段，如70年代以前的豐滿、丹江口、劉家峽電站，80年代初期的白山、葛洲壩電站及進入80年代中期后的龍羊峽、水口、巖灘、五強溪、天生橋二級、漫灣、李家峽、萬家寨、二灘、小浪底電站等。在這18座超大型水電站的高壓配電裝置設備型式中，對80年代初期以前的設備產(chǎn)品都先后進行了更換，目前基本上是90年代后生產(chǎn)的LW系列SF6開敞式斷路器和GIS?？梢?，水電站的高壓配電裝置設備型式的選擇設計是與高壓斷路器制造技術發(fā)展水平緊密相關的。3電力工業(yè)發(fā)展水平的影響

由于大中型水電站的高壓配電裝置不僅是電站自身的主要部分，同時也是電力系統(tǒng)的一個重要組成部分，因此水電站高壓配電裝置型式的選擇與布置設計與電力系統(tǒng)基本狀況和要求密切相關。90年代前，我國電力系統(tǒng)在發(fā)電與用電關系上，長期處于供不應求，供需矛盾十分突出。在電源與電網(wǎng)建設上，電網(wǎng)建設大大滯后于電源建設。電網(wǎng)結構比08較薄弱。為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行，對水電站高壓配電裝置型式的選擇與布置的設計，要求有很高的可靠性和靈活性。如規(guī)程中要求斷路器故障或檢修不應影響電站的電力送出；接入系統(tǒng)設計規(guī)程中的N＋1原則。進入90年代中期電力供需基本平衡。而進入21世紀后，由于電源建設的快速發(fā)展，我國工業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的結構調整，電力需求的下降，電力供需關系總體上發(fā)生了變化，大多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)了供過于求的狀況。截至到2001年底我國水電裝機容量已達到7700萬kW，占全國總發(fā)電容量的22．7％，水電裝機容量是建國初期1949年的二百多倍。目前，已建成或在建、規(guī)劃建設的水電裝機容量均位居世界首位。由于電網(wǎng)容量的快速增長，電力供需關系的變化，某一電站或某臺大容量機組的停機或檢修，對電力系統(tǒng)的影響程度與過去相比要小得多。因此，水電站高壓配電裝置型式的選擇與布置設計的基本條件也相應發(fā)生了變化。高壓配電裝置設計將伴同電氣主接線的簡化而簡化，未來設計將向著可靠、簡單、經(jīng)濟、適用的方向發(fā)展。4國民經(jīng)濟發(fā)展水平的影響

作為基本建設工程中的重要部分———水利水電工程，其設計必須與國民經(jīng)濟發(fā)展所處的歷史階段和發(fā)展方向相適應。要有時空觀念，要因時而宜，因地而宜。在不同的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展時期或在同一時期的不同地區(qū)，要有不同的設計思想。如在國民經(jīng)濟困難時期，由于建設資金不足，設計上不得不因陋就簡，盡可能地壓縮投資。工程建設標準較低，工程投入運行后，甚至是投入不久就開始更新改造，結果是低投入、低產(chǎn)出，高能耗、高運營費。在國民經(jīng)濟快速發(fā)展時期，建設資金相對較為充足，而時間緊迫，設計周期短，設計方案沒有經(jīng)過全面充分、深入的技術經(jīng)濟比較論證，設計上易出現(xiàn)保守浪費現(xiàn)象。因此，對高壓配電裝置設備型式的選擇與布置設計，一方面設計要與國民經(jīng)濟發(fā)展水平相適應，另一方面又要體現(xiàn)出設計的經(jīng)濟合理性和技術先進性，兩者應有機地結合起來。5社會與科學技術發(fā)展水平的影響

隨著社會的發(fā)展與進步，人們對社會的需求已不僅限于吃、穿、住、行等物質上的消費和占有支配權，對其工作環(huán)境的安全性、健康保障性和舒適性的要求也在不斷提高。人們在工作環(huán)境的安全性、健康保障性得到基本保障后，不斷地追求工作環(huán)境的舒適性。在高壓配電裝置設計要求方面，主要體現(xiàn)在要盡可能減少運行工作人員的勞動強度，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境和工作條件，如以電動操作代替手動操作、以遠方操作代替現(xiàn)場操作、以室內操作代替室外操作、以自動巡檢代替人工巡檢。在運行維護方面，操作越簡單越好、運行維護工作量越少越好、檢修周期越長越好。

隨著社會的發(fā)展與進步，以及對社會和國民經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展的要求，人們對環(huán)境保護和水土保持方面的重要性認識和要求也在不斷提高。因此，高壓配電裝置設備型式的選擇與布置設計，還要滿足環(huán)境保護和水土保持方面的有關要求。如在高壓配電裝置設備型式的選擇與布置方案比較設計中，要充分考慮環(huán)境和水土保持方面的影響因素。在方案經(jīng)濟比較中，要計入高壓配電裝置的占地費、水土保持費及綠化費。

隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機應用技術和信息技術的飛速發(fā)展及其在水利水電行業(yè)系統(tǒng)中的應用，使水電站的電氣技術邁入新的時代。它不僅可確保和提高電站的安全可靠經(jīng)濟運行的程度，極大地改善運行工作人員的工作環(huán)境和工作條件，同時也推動促進了高壓配電裝置的設計的發(fā)展，以實現(xiàn)大中型水電站的無人值班少人值守的要求。在高壓配電裝置的設計要求上主要體現(xiàn)在：設計要盡可能的簡單化；與電氣主接線設計相結合盡可能簡化接線。以高可靠性的技術性能和產(chǎn)品質量優(yōu)秀的設備來簡化接線方式。當高壓配電裝置的設計選擇GIS組合電器時，可適當簡化接線。如在進出線回路數(shù)不是很多的情況下，選擇高可靠性的技術性能和產(chǎn)品質量優(yōu)秀的斷路器，可以取消旁路母線或分段斷路器等。高壓配電裝置的設計要有利于計算機監(jiān)控系統(tǒng)的實施。如開關站的位置選擇應盡可能不要離控制室太遠，戶內與戶外型式相比較盡可能選擇戶內型，高式與中式布