1000kv配電裝置的抗震性能分析

1000kv配電裝置的抗震性能分析

0特高壓變電站配電裝置研究為了實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域資源的優(yōu)化配置，促進(jìn)中國能源的有效開發(fā)利用，國家能源公司提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為核心的強(qiáng)大電網(wǎng)。中國特高壓能源技術(shù)的研究成果為投資于金東南、南陽和荊門的特高壓交流試驗(yàn)示范工程提供了有益的技術(shù)支持。1000kV變電站是特高壓輸變電工程中的重要一環(huán),而其中的配電裝置作為強(qiáng)大電能的直接載體,是保證變電站電氣技術(shù)條件的重要組成部分。1000kV配電裝置相對于500kV配電裝置,其運(yùn)行電壓更高、設(shè)備均壓環(huán)及導(dǎo)體表面電場強(qiáng)度更大,因此電暈放電產(chǎn)生的環(huán)境影響問題更加突出,尤其是可聽噪聲、無線電干擾及靜電感應(yīng)問題。且由于1000kV戶外敞開式設(shè)備安裝高度及設(shè)備重心更高,抗震性能降低,因此,在1000kV變電站的設(shè)計(jì)中,使配電裝置在滿足電氣性能和機(jī)械特性要求的前提下,盡可能地降低對環(huán)境的影響、提高抗震性能就成為十分必要的課題。特高壓晉東南變電站位于特高壓交流試驗(yàn)示范工程的北端,變電站1000kV配電裝置的設(shè)計(jì)是在進(jìn)行導(dǎo)體載流量、導(dǎo)體及設(shè)備均壓環(huán)表面場強(qiáng)、無線電干擾、可聽噪聲、抗震性能等方面計(jì)算的基礎(chǔ)上,綜合考慮施工簡易、運(yùn)行維護(hù)方便等問題,確定配電裝置型式的。11000kv設(shè)備總結(jié)1.11主要配套設(shè)備和配電裝置要求按照主接線的要求,根據(jù)所處的地形條件、總體布置的安排、出線方向、設(shè)備材料的供應(yīng)情況以及施工條件等進(jìn)行配電裝置的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。配電裝置一般應(yīng)滿足以下基本要求:1)節(jié)約用地;2)運(yùn)行安全和操作巡視方便;3)考慮檢修和安裝條件;4)保證導(dǎo)體和電器在污穢、地震和高海拔地區(qū)的安全運(yùn)行;5)節(jié)約三材,降低造價(jià);6)注意設(shè)備選型;7)施工便利、擴(kuò)建方便;8)根據(jù)地形、地質(zhì)情況,盡量減少土石方量;9)出線方便,應(yīng)盡量避免線路交叉跨越,在不可避免時(shí),力求做到交叉跨越最少。1.21配電裝置主接口線路晉東南變電站本期建設(shè)1臺3×1000MVA主變;1000kV出線1回,即至南陽1回,出線配置1組3×320Mvar高壓并聯(lián)電抗器;每臺主變壓器低壓側(cè)裝設(shè)2組240Mvar低壓電抗器和4組210Mvar低壓電容器,電氣主接線如圖1所示。1000kV配電裝置主接線本期為“雙斷路器和跨條”接線,終期為一個(gè)半斷路器接線,采用氣體絕緣封閉組合電器(gasinsulatedswitchgear,GIS),GIS呈“一”字型布置,位于變電站西部。1000kV進(jìn)出線架構(gòu)分別位于GIS設(shè)備的東側(cè)和西側(cè)。1000kV南陽I回線向西出線,1000kV并聯(lián)電抗器采用“一”字型布置在站區(qū)西側(cè)1000kV架空線路下方。主變及無功補(bǔ)償裝置布置在1000kV配電裝置和500kV配電裝置中間,形成自西至東依次為1000kV配電裝置區(qū)、主變壓器及無功補(bǔ)償裝置區(qū)、500kV配電裝置區(qū)的格局。21000kv設(shè)備的主要特點(diǎn)2.1主變壓器壓電改造對于特高壓大容量變壓器,考慮到主變的制造條件、可靠性等因素的影響,以及運(yùn)輸尺寸、運(yùn)輸重量的限制,宜采用單相變壓器。自耦變壓器與同容量的普通變壓器相比,對減少投資、降低損耗、節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益都很有利,另外由于自耦變壓器的阻抗小,對改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的作用,因此主變壓器選用自耦變壓器。主變壓器采用無勵(lì)磁調(diào)壓。由于主變壓器中壓線端為500kV,在中壓側(cè)線端調(diào)壓無論是從絕緣可靠性還是開關(guān)的選擇上,都存在很大困難,因此,變壓器采用中性點(diǎn)側(cè)調(diào)壓方式。主變壓器分為主體和調(diào)壓補(bǔ)償變兩部分,如圖2所示。主體油箱外設(shè)調(diào)壓補(bǔ)償變,內(nèi)有調(diào)壓和補(bǔ)償繞組、正反調(diào)壓開關(guān)。調(diào)壓補(bǔ)償部分與主體分開,若調(diào)壓補(bǔ)償部分有問題時(shí),主體仍可運(yùn)行,同時(shí),簡化了變壓器設(shè)計(jì),提高了變壓器的可靠性,有利于長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.2線路布置方案比選1000kVGIS與其他型式配電裝置相比,其顯著優(yōu)點(diǎn)為:1)可以大幅度縮小占地面積;2)設(shè)備帶電部分全部封閉在金屬外殼內(nèi),可避免高電壓對環(huán)境的電磁污染;3)設(shè)備絕緣性能不受周圍大氣條件影響,能提高運(yùn)行可靠性;4)可大幅度簡化設(shè)備連接、金具型式和架構(gòu)設(shè)計(jì);5)耐震性能強(qiáng);6)設(shè)備檢修周期長。本工程GIS電氣主接線為一個(gè)半斷路器接線,本期為“雙斷路器加跨條”接線,如圖3所示。采用了簡化的GIS設(shè)備,即進(jìn)出線采用架空軟導(dǎo)線、進(jìn)出線避雷器、電壓互感器及高抗回路接地開關(guān)、避雷器、電壓互感器采用常規(guī)敞開式設(shè)備,以降低設(shè)備造價(jià)。對于GIS,3/2接線的典型布置方案主要有三列式布置、單列式布置和一字型布置3大類布置型式,其中單列式布置又分為典型接線單列式布置、常規(guī)斜連線單列式布置、高式斜連線單列式布置;一字型布置根據(jù)主母線布置方式的不同,可分為母線分相布置、母線集中內(nèi)置、母線集中外置等方式。各布置型式的主要特點(diǎn)如表1所示。一字型布置進(jìn)出線方向靈活,滿足晉東南變電站接線型式、出線方向的要求,縱向尺寸最小,橫向尺寸與主變壓器的寬度及出線架構(gòu)寬度相匹配,不浪費(fèi)占地,是最適用于本工程的GIS布置型式。一字型布置中,母線分相布置方案運(yùn)行人員巡檢方便,但由于主母線高位布置,故設(shè)備安裝檢修不夠方便,降低了設(shè)備的抗震性能,且配電裝置的功能區(qū)分不清晰;母線集中布置方案,配電裝置均為低位布置,安裝檢修方便,配電裝置功能區(qū)分清晰,整體美觀。其中,母線集中內(nèi)置方案出線分支母線短,但斷路器單元安裝檢修需選用大噸位吊車,運(yùn)行人員巡檢也不夠方便;母線外置方案設(shè)備的吊裝及運(yùn)輸可利用主變壓器運(yùn)輸?shù)缆?吊裝半徑較小,可選用較小噸位的吊車,運(yùn)行巡視均較方便,但出線分支母線長度較母線內(nèi)置方案長。綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,晉東南變電站1000kVGIS選用母線外置的一字型布置型式,如圖4所示。2.3jlhn65k-126k主變進(jìn)線回路通過架空軟導(dǎo)線將主變與GIS套管相連,該1000kV上跨線選用四分裂擴(kuò)徑型耐熱鋁合金導(dǎo)線4×JLHN58K-1600。該產(chǎn)品采用新型制造工藝,以縱包焊接波紋鋁管作為擴(kuò)徑及導(dǎo)體單元,以58%IACS導(dǎo)電率耐熱鋁合金線作為導(dǎo)體單元,擴(kuò)徑效果好、耐腐蝕能力強(qiáng)、機(jī)械性能穩(wěn)定、節(jié)能效果好、長期運(yùn)行溫度可提高到150℃,且由于導(dǎo)線截面積大,因此電暈電壓、導(dǎo)線表面最大電場強(qiáng)度、無線電干擾及可聽噪聲都較低,綜合性能較其他導(dǎo)線更優(yōu)。1表面最大電場強(qiáng)度當(dāng)分裂間距增加時(shí),導(dǎo)線平均電容增加,有使導(dǎo)線表面最大電場強(qiáng)度增大的趨勢,但隨著導(dǎo)線分裂間距的增加,各次導(dǎo)線之間電場分布的附加影響系數(shù)減小,有使導(dǎo)線表面最大電場強(qiáng)度減小的趨勢。前者的影響大于后者時(shí),導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度增加,反之則減小,因此,需要確定最佳分裂間距,使導(dǎo)線表面最大電場強(qiáng)度盡可能最小,以降低電暈對環(huán)境的影響。圖5顯示了4×JLHN58K-1600導(dǎo)線的次導(dǎo)線表面最大電場強(qiáng)度與分裂間距的關(guān)系。從圖中可以看出,次導(dǎo)線表面最大電場強(qiáng)度隨導(dǎo)線分裂間距的增大先減小后增大。對于4×JLHN58K-1600導(dǎo)線,當(dāng)分裂間距為58cm時(shí),導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)最小,因此分裂間距確定為60cm。2短路電流為雙線張力,主要發(fā)生在第一最大張力導(dǎo)線次檔距與下列4個(gè)因素有關(guān):短路張力、短路電流大小、短路時(shí)次導(dǎo)線允許的接觸狀態(tài)、對架構(gòu)受力的限制。當(dāng)分裂導(dǎo)線受到大的短路電流作用時(shí),同相次導(dǎo)線間由于電磁吸引力作用而受到拉伸,產(chǎn)生彈性拉力,即為分裂導(dǎo)線的第一最大張力。第一最大張力發(fā)生在短路瞬間,在嚴(yán)重情況下,其值可達(dá)故障前導(dǎo)線初始張力的幾倍甚至十幾倍,對導(dǎo)線、絕緣子及架構(gòu)受力的影響都很大。在給定的短路電流下,第一最大張力的大小與次檔距有著密切的關(guān)系,從小到大改變次檔距,次導(dǎo)線可處于3種不同的狀態(tài):非接觸狀態(tài)、臨界接觸狀態(tài)和接觸狀態(tài),第一最大拉力也隨之先逐漸加大至極大值后逐漸下降。4×JLHN58K-1600導(dǎo)線在短路水平為63kA時(shí),第一最大張力與次檔距的關(guān)系如圖6所示。間隔棒的安裝距離應(yīng)避開臨界次檔距范圍,且保證短路時(shí)次導(dǎo)線處于非接觸狀態(tài),避免次導(dǎo)線因接觸而產(chǎn)生損傷及電暈火花,同時(shí)根據(jù)架構(gòu)和絕緣子串的受力限制,本工程上跨線的次檔距選為10m。2.4高壓連接電阻器的配電裝置2.4.1路設(shè)備連接方式高抗配電裝置采用敞開式設(shè)備,主要包括接地開關(guān)、避雷器、電壓互感器和高壓并聯(lián)電抗器。綜合考慮設(shè)備的抗震性能、運(yùn)行條件下的設(shè)備受力、金具制造、施工的難度以及美觀度等因素,1000kV高抗回路設(shè)備連接采用硬連接采用管型鋁導(dǎo)體,如圖7所示。為減少重要電氣設(shè)備避雷器、電壓互感器及高抗套管端子板正常運(yùn)行的受力,同時(shí)降低地震時(shí)由于硬連接而使其可能受到的破壞力,本工程采用2組支柱絕緣子與1組接地開關(guān)共同支撐設(shè)備間連接的管型鋁導(dǎo)體,而避雷器、電壓互感器和高抗套管與管型鋁導(dǎo)體均采用軟連接,軟連接的長度按照大風(fēng)及地震情況下設(shè)備可自由擺動(dòng)的原則確定。避雷器、電壓互感器和高抗套管在正常運(yùn)行條件下幾乎不受管型鋁導(dǎo)體的作用力。同時(shí),由于采用軟連接,使避雷器、電壓互感器和高抗套管在地震時(shí)均避免了受迫振動(dòng),改善了設(shè)備連接體的抗震性能,降低地震時(shí)由于設(shè)備間的硬連接而可能造成的破壞力。2.4.2輔助噪聲控制高抗噪聲的產(chǎn)生主要有以下2個(gè)原因:1)并聯(lián)電抗器鐵心磁滯伸縮導(dǎo)致鐵心振動(dòng);2)主磁路間隙材料在麥克斯韋爾力作用下伸縮而引起的鐵餅振動(dòng)。其中,鐵餅振動(dòng)是引起并聯(lián)電抗器振動(dòng)與噪聲的主要因素。由于晉東南高抗單臺容量大,且布置在靠近圍墻側(cè),噪聲控制問題尤為重要。從對晉東南站1000kV電抗器320Mvar高抗產(chǎn)生噪聲的1/3倍頻程的測試頻譜來看,電抗器噪聲呈明顯的中、低頻特性,在100Hz頻率上有突出的峰值。為將變電站建成環(huán)境良好的優(yōu)質(zhì)精品工程,除盡可能降低高抗本體的噪聲外,還采取以下輔助措施對高抗噪聲進(jìn)行控制:1)器身與油箱間放置彈性墊減震;2)采用低噪聲的風(fēng)冷散熱器;3)設(shè)置高抗隔聲罩。其中,高抗隔聲罩可有效降低高抗噪聲,整體降噪量不小于20dB(A)。隔聲罩的壁板材料選擇8.0mm厚度鋅鋼板,罩壁內(nèi)襯150mm厚、容重48kg/m3超細(xì)玻璃棉吸聲材料,在罩壁板內(nèi)側(cè)涂覆5mm以上厚度的阻尼材料。高抗隔聲罩采用自承重結(jié)構(gòu)型式,自承重結(jié)構(gòu)形式隔聲罩是利用隔聲墻板自身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,用螺栓鏈接固定來完成隔聲罩主體隔聲圍護(hù)結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于隔聲罩主體框架與隔聲吸聲墻板合二為一,節(jié)省安裝和拆卸時(shí)間,自承重結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。同時(shí),隔聲罩的設(shè)計(jì)還充分考慮了消防、運(yùn)行及檢修方便,主要包括以下措施:1)隔聲罩設(shè)置維護(hù)門,便于運(yùn)行人員進(jìn)出;2)隔聲罩內(nèi)留有足夠的巡視空間;3)隔聲罩上設(shè)置低噪聲風(fēng)扇,以降低隔聲罩內(nèi)溫度;4)電抗器控制箱、輕瓦斯繼電器取氣盒等設(shè)置在隔聲罩外側(cè);5)隔聲罩采用模塊化設(shè)計(jì),便于安裝和拆卸。3地下主進(jìn)架空線及管接頭1)主變壓器選用單相自耦變壓器,中性點(diǎn)側(cè)調(diào)壓。主變壓器分為主體和調(diào)壓補(bǔ)償變兩個(gè)相互獨(dú)立的部分,簡化了設(shè)計(jì),提高了運(yùn)行的可靠性。2)1000kVGIS電氣主接線為一個(gè)半斷路器接線。綜合考慮