水電站高壓開關站設計

水電站高壓開關站設計阮全榮1，嚴晉青2，周海鵬3（1．國電公司西北勘測設計研究院，西安710065；2．青海水電勘測設計研究院，西寧810012；3．石咀山供電局，石咀山753000）

關鍵詞：高壓開關站；GIS；敞開式開關站；電氣主接線

摘要：通過對已設計水電站高壓開關站選型及布置的介紹，特別是對設計過程中所遇問題處理方法和應考慮事項的介紹，為水電站設計者提供參考。在高壓開關站選型中，應注意設備的制造技術發(fā)展，同時要考慮運行費用、事故損失費用、施工停電損失費用，以達到經濟合理、技術先進。高壓開關站是水電站的主要組成部分，高壓開關站的選型和布置對電站樞紐布置、電氣主接線選擇、施工工期、運行維護及設備和土建投資都有直接影響。因此，合理地設計高壓開關站，在電站電氣設計中尤為重要。

高壓開關站目前主要采用的型式有敞開式設備、混合式、封閉開關柜及氣體絕緣金屬封閉開關設備。高壓開關站布置型式主要為戶內和戶外兩種?，F(xiàn)結合李家峽、石泉擴機、八盤峽擴機、大峽、公伯峽、拉西瓦、西藏沃卡、小峽、寶興、直崗拉卡、尼那、寶珠寺等水電站設計與施工，對高壓配電裝置設計中所遇見的問題和處理方法加以介紹，以供設計人員借鑒。

1開關站選型和布置

1．1選擇基本原則

1．1．1提高開關站的可靠性

水電站開關站的規(guī)模大、交換容量大，一旦發(fā)生事故造成的后果較嚴重，不僅影響電站容量的輸送，而且對電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性有直接影響。因此，保證開關站安全可靠運行，減少事故發(fā)生的機率是設計選型的主要依據(jù)。

1．1．2節(jié)約用地

由于水電站地處深山峽谷，開關站布置的地方選擇比較困難，因此，為了便于開關站布置場地選擇和節(jié)省土建開挖施工等費用，應盡量優(yōu)化開關站設備選型以減少占地面積。如在敞開式設備選擇時，可考慮選用

隔離開關與互感器組合方式、母線采用管型母線等。

1．1．3提高開關站的經濟性

在設備選型中，應首先考慮設備的一次投資，使電站的電氣設備投資合理，另外，要考慮電站的運行費用、事故損失費用（間接損失費和直接損失費，一般按30年考慮）、土建費用、安裝費用等。

1．1．4適應環(huán)境條件的要求

水電站所在的地區(qū)和環(huán)境一般差異較大，開關站選型應因地制宜，滿足污穢地區(qū)、地震地區(qū)和高海拔地區(qū)的特殊要求，以保證導體和電氣設備安全運行。

1．1．5與電氣主接線選擇相結合

在開關站選型時，應充分考慮電氣主接線的可靠性、靈活性和經濟性，并利于主接線的簡化。

1．1．6減少對環(huán)境的影響

由于開關站運行電壓高，應充分考慮電暈、無線電干擾和靜電感應場強的影響。

1．1．7適應水電站的布置特點

由于水電站受地形、地質影響較大，每個電站布置方式差異較大，因此，在開關站選型時，應結合電站樞紐布置，合理選型。

1．1．8結合高壓設備制造發(fā)展和設備造價降低

由于水電站設計周期較長，而電氣設備制造技術發(fā)展較快以及設備造價隨技術進步在不斷降低，因此，在高壓設備選擇中應引起重視。

1．2工程設計說明

1．2．1開關站型式選擇比較中應注意的方面

（1）一次投資比較礎、支構架和征地費用等。

對于10～35kV開關站設備比較，通過對石門、花壩等小水電站的設計比較，發(fā)現(xiàn)采用戶內金屬開關柜的型式與采用敞開式開關站的一次投資相當，有的還低于敞開式開關站的一次投資。

對于110～220kV開關站設備比較，特別是近幾年GIS的造價降低，通過小峽（110kV）、寶興（220kV）、直崗拉卡（110kV）、寶珠寺（220kV）、大峽（220kV）、尼那（110kV）等水電站設計，GIS與敞開式開關站一次投資差額在降低。原設計一般認為GIS的一次投資為敞開式開關站2～3倍，目前，在設計時建議按1．2～2倍考慮。如小峽電站，GIS的一次投資為1348萬元，兩個敞開式方案分別為1059萬元和1187萬元；寶興水電站GIS的一次投資為1928萬元，敞開式方案為1418萬元。另外，對已運行的電站，如石泉、寶珠寺、大峽水電站的220kV敞開式開關站，經過投資計算，與GIS的估算投資相當。

對于330kV及以上開關站設備比較，通過對公伯峽和拉西瓦水電站開關站選型比較，超高壓設備GIS一般與采用敞開式開關站的一次投資相當或低于敞開式開關站的一次投資。公伯峽330kVGIS的一次投資11317萬元，敞開式開關站的一次投資10878萬元；拉西瓦750kVGIS的一次投資128310萬元，敞開式開關站的一次投資154490萬元。

綜上所述，從開關站一次投資來看，采用戶內金屬開關柜的型式和GIS與敞開式開關站的一次投資差距在縮小。

（2）30年運行費用

過去對開關站設計選型比較，都未考慮設備的運行費用，主要原因是運行費用定量化比較困難。在國外已做過相應統(tǒng)計和計算，但由于各個國家國情不同，對于國內采用相應的數(shù)據(jù)不太合理。目前，通過對運行單位調查，從理論上建議敞開式開關站30年運行費用取10％～20％設備投資，GIS為敞開式開關站的12％～18％較合理。

（3）事故損失費

事故損失費主要考慮直接損失費和間接損失費。在過去開關站設計選型比較，都未考慮設備的事故損失費用。目前，由于可靠性定量計算發(fā)展和成熟，為計算事故損失費提供了方便。對于主接線比較簡單的接線方式，可通過簡單估算來確定事故損失費，對于大型水電站應經過可靠性計算軟件計算確定事故損失費。對于直接損失費一般可根據(jù)損失電量、電價計算，而間接損失費主要由各個地方的經濟狀況及每度電的經濟效益來確定。由于地方差異，對于定量計算間接損失費比較困難，建議僅做定性分析。

（4）對電氣主接線影響

由于開關站的可靠性直接影響電氣主接線的可靠性，因此，在開關站選型時，應結合電氣主接線方案比較。如公伯峽水電站，若330kV選用GIS開關站，電氣主接線可選雙母線接線，而選用敞開式開關站，電氣主接線需選用雙母線三分段帶旁路接線。小峽水電站，若110kV選用GIS開關站，電氣主接線可選單母線分段接線，而選用敞開式開關站，電氣主接線需選用雙母線接線。

（5）改建和擴建的影響

對于改建和擴建水電站開關站選型，應特別注意施工周期、施工影響以及原運行設備的停運損失。如石泉擴機設計中，在設計選型中未考慮施工停電因素，給后來施工及原電站運行帶來較大的影響，雖然經過優(yōu)化施工程序、施工方法等，但最終還導致電站棄水和停電約50d。另外，還應考慮新老設備的連接、過渡等問題。

（6）安裝周期和施工影響

開關站施工周期應與土建相對應，水電站施工中由于土建施工進程的影響，使設備安裝周期時間較短，因此在開關站設備選型時，應對設備安裝周期作為比較依據(jù)之一。如李家峽水電站，由于土建施工進程的影響，在電站投運時，開關站設備無法一次形成。

1．2．2開關站布置選擇比較中應注意的方面

（1）敞開式布置形式

敞開式布置形式不僅與設備選擇密切相關，而且對電站樞紐布置、占地面積大小、安裝維護是否方便起著重要作用。一般布置方式有：低式、中式、半高式和高式4個類型。通過對已運行電站調研，在布置場地許可的條件下，建議盡量采用中式布置形式。如大峽電站采用中式布置形式，具有運行維護方便、布置清晰、施工安裝工期短等優(yōu)點，而寶珠寺水電站，由于布置場地所限，采用高式布置形式，不僅設計復雜，安裝施工難度高、施工周期長，而且運行維護工作量大。

（2）優(yōu)化敞開式布置形式

對于敞開式開關站采用中式布置方式，還需進一步優(yōu)化其設備布置的模式，使整個布置清晰、運行維護方便及占地面積小。如對大峽水電站開關站的優(yōu)化，采用管型母線布置和E型布置，其優(yōu)點如下：

1）采用管型母線的優(yōu)點：①縮小母線間距。由于硬母線在風力和電動力作用下，弧垂搖擺現(xiàn)象很微小，因此，對于220kV母線相間距可由4m減至3m，從而使開關站縱向尺寸縮小，對大峽電站可縮小6m。②降低母線構架高度。管型母線采用棒式絕緣子支持，因而可降低母線的高度。對于軟母線構架需要11m高，而大峽電站構架高度僅為6m。③有利于單柱式隔離開關可靠合閘。由于管型母線撓度小，不易發(fā)生上、下、左、右位移，因此有利于在大風時單柱式隔離開關可靠合閘。④布置清晰，直觀性強，運行維護方便。⑤母線過流容量大，起暈電壓高，無線電干擾小。⑥管形母線每隔30m設置伸縮節(jié)，不僅可避免硬母線熱脹冷縮產生的內力，引起母線或支柱絕緣子的損壞，而且有利于施工安裝。

通過總結大峽設計經驗，在最近設計的尼那水電站也采用了管型母線布置形式。

2）E型布置特點：①縮小開關站占地面積。采用E型布置，可在同一間隔布置進出線，從而使開關站橫向尺寸由155m減小為99m，而縱向僅增加19m。②布置清晰，運行維護方便。對于E型布置，進線回路的斷路器，隔離開關（三柱式），電流互感器分別布置在母線的進線側；出線回路的設備布置在母線的出線側，使進出線設備布置清楚，可減少運行維護的誤操作。另外，在開關站內設置寬為3m的環(huán)行搬運道，便于安裝、運行巡視。③便于進出線連接。由于開關站位于主廠房下游右岸，進線段偏角較大，對于E型布置，開關站縱向方向較短，使最邊的一回進線段偏角減小，便于進線段設計，同樣，出線側與系統(tǒng)終端塔桿的連接也比較方便。④減少土建開挖量。因開關站位于山坡上，采用E型布置不僅使開關站減小，而且大大減小了開關站縱向尺寸。根據(jù)開關站現(xiàn)場情況，開挖和回填方形平臺，土建工作量最小，便于實施，而采用長形平臺，不僅土建工作量大，而且影響開關站外的交通，難于實施。⑤便于防雷設計。根據(jù)避雷針保護特性，對于E型開關站，防雷設計的投資較小。即采用4支獨立的避雷針（49m），就可保護整個開關站設備。

（3）采用敞開式組合電器

在石泉擴建開關站設計中，由于受到布置場地限制，采用了電流互感器與隔離開關的組合電器，相應地減小開關站的尺寸。因此，在設計中應結合電站布置要求，可考慮采用敞開式組合電器來縮小開關站尺寸。

（4）阻波器安裝特點

通過已運行的電站設計分析，對于220kV及以下的開關站，建議安裝線路阻波器，采用V型絕緣子串懸掛方式，可限制相間及相對地距離受風偏

搖擺影響，從而可減小出線門型構架尺寸。對于330kV及以上的開關站，建議安裝線路阻波器，采用支撐結構。

（5）設備間距選擇

電流互感器、斷路器及隔離開關之間的距離主要取決于斷路器搭檢修架所需的距離。因此，在設計時應根據(jù)布置具體要求，適當調整設備間距。如在石泉擴機設計中，一般220kV斷路器與隔離開關為6m，斷路器與電流互感器為4m，為了滿足布置要求，采用單斷口SF6斷路器和雙柱式隔離開關，經過計算斷路器與隔離開關為5m，斷路器與電流互感器為3．8m。

（6）滿足進出線要求

在開關站設計中應注意進出線的基本要求，如相序、相間距、拉力、線路排序。特別應便于進線段設計和施工。在已設計運行電站施工都出現(xiàn)相關的問題。如西藏沃卡、石泉擴機工程出現(xiàn)相序問題。

（7）滿足分期建設和改擴建要求

在開關站布置設計時，要對分期建設和改擴建要求加以注意，以便減小工程投資，特別是原設備停運時間、新老設備之間的影響。如在石泉擴機工程中，不僅有停電時間問題，而且存在新老設備之間間距的問題。

2小結

通過近幾年水電站高壓開關站設計，特別是工程中所遇見問題處理，在設計中應注意以下幾點：①在開關站選擇比較中，應結合電氣設備的發(fā)展和造價的變化，使選擇的方案技術先進、經濟合理。②在分期和改擴建高壓開關站設計選擇中，應考慮施工干擾和停電損失費用。③在開關站選型比較中，應考慮30年的運行費用和事故損失費用。④在設計中，應注意環(huán)境條件對施工影響，合理安排工期。⑤在開關站布置時，應考慮其對進出線回路影響。參考文獻［1］阮全榮．小峽水電站110