500kV变电站配电装置选型及总平面布置优化

其中：
雄州
1回
1回
容城
2回
2回
张丰
2回
2回
孙村
1回
1回
备用
10回
4
无功补偿装置
其中：
35kV并联电抗器
2×1×60MVar
4×2×60MVar
35kV并联电容器
2×2×60MVar
4×2×60MVar
2.2
变电站远期规划500kV出线8回，其中：保沧2回、备用（北京西）2回、备用4回，图2.2-1为远期变电站500kV出线总体规划示意图。本期500kV出线2回，即保沧I、II回。
500kV GIS采用一字型布置方案，线路及主变侧的避雷器和CVT采用AIS，配电装置南北向一列式布置。
可研和优化后的500kV配电装置平面图如图3.1-3(a)、(b)所示：
图3.1-3(a)可研500kV配电装置电气平面布置
图3.1-3(b)优化后500kV配电装置电气平面布置图
综合考虑对各厂家GIS设备的适应性，优化后GIS进出线套管间距取18m。将500kV母线高抗由配电装置右端移至#2、#3号主变进线套管之间，从而降低配电装置横向尺寸，考虑500kV母线高抗设备的电气距离校验，500kV配电装置纵向尺寸确定为48.5m（道路中心线）。
(4)检修和扩建时应尽量缩短停电时间或不停电。
4.1 GIS
根据与目前国内外252kV GIS主要生产厂家的配合结果，母线及GIS设备额定电流均按4000A考虑，西安西电开关电气有限公司(以下简称西开)、新东北电气(沈阳)高压开关有限公司(以下简称沈高)、平高电气股份有限公司(以下简称平高)、AE-Power及现代重工的GIS布置方案的主要尺寸分别如下图所示。
b）参照通用设计，对500kV高抗区域纵向尺寸进行优化，同时压缩母线高抗区域纵向尺寸；
c）优化500kV配电装置尺寸，优化后500kV GIS配电装置区纵向尺寸为48.5m(道路中心线)，配电装置区宽度为224m(道路中心线)。
优化后500kV配电装置区总面积1.086hm2，较可研1.218hm2减少0.132hm2，占地面积为可研方案89.16%。
500kVGIS配电装置区环形路中心线纵向间距为48.5m，在将母线高抗安装在#2、#3号主变进线套管之间的前提下，相比可研仍压缩0.5m；将500kV出线构架优化为25m，并优化500kV GIS设备和出线构架的布置，500kVGIS配电装置区环形路中心线横向间距压缩为224m，相比可研压缩8m，500kV配电装置占地为0.97公顷，比可研节约0.66公顷。
500kV变电站配电装置选型及总平面布置优化
摘要
主要研究内容：
（1）根据本站系统规模、电气接线、结合进出线方向，用地指标，对各电压等级配电装置进行优化。
（2）通过对不同设备布置方案技术经济比较，确定本站的总平面方案。
研究方法：
根据DL/T 5218-2012《220kV～750kV变电站设计技术规程》，结合其他500kV变电站工程的设计经验及运行情况，对电气总平面布置方案进行优化研究。
输入条件：
电气主接线、各级电压线路出线方向、各电压等级配电装置布置型式，用地指标。
主要结论及建议：
（1）变电站500kV配电装置采用GIS。500kV进出线避雷器、CVT采用AIS。220kV配电装置采用GIS，进出线避雷器、出线CVT采用AIS。35kV配电装置采用“AIS+组合框架式电容器组+干式空心电抗器组”布置方案。
（5）对主变及无功补偿区域进行如下优化:
a）每两组主变构架组成六连跨，以压缩主变区域横向尺寸；
b）220kV避雷器安装在220kVGIS主变进线侧，在满足电气距离校验要求的前提下，压缩主变汇流母线与主变防火墙、主变汇流母线与35kV配电装置母线的距离；
优化后，主变无功补偿区域占地面积1.299hm2，较可研1.341hm2压缩0.55hm2，占地面积为可研方案96.88%。
跳线各种工况计算结果如下表所列。
表3.1-2 跳线各工况计算结果
工况编号
a1(rad)
a0(rad)
xj(m)
yj(m)
D2(m)
1
0.028
0.029
0.183
0.094
4.300*
2
0.064
0.074
0.412
0.241
5.306
3
0.222
0.273
1.450
0.915
6.631
注：*计算值小于屋外配电装置的安全净距A2。
优化电气总平面布置，可以压缩占地面积，提高围墙内的用地系数，减少土建投资和占地面积，节约宝贵国土资源；也可以有效缩短设备连线、电缆、电缆沟、所内管道、道路等长度，提高全寿命周期经济效益。
本专题在以往500kV变电站工程建设和科研成果的基础上，结合“三通一标”、“两型一化”的要求，强化全寿命周期管理理念，通过多方案甄选，确定配电装置及电气总平面布置的最优方案，使工程设计符合安全可靠、先进适用、经济合理、资源节约、环境友好的技术原则。
计算工况为：
工况1 — 外过电压和10m/s风速；
工况2 — 内过电压和15m/s风速(50%最大风速)；
工况3 — 最大工作电压和30m/s风速(最大风速)或最大工作电压、短路和10m/s风速。
各工况下，要求的最小电气距离如下表所列。
表3.1-1 各工况下的最小电气距离(m)
工况1
工况2
工况3
相地A1
2
2.1
根据国家电网公司招标文件，500kV变电站建设规模见下表(表2.1-1)：
表2.1-1500kV变电站建设规模一览表
序号
名称
本期新建
远期
1
主变压器容量及数量
2×1000MVA
4×1000MVA
2
500kV出线回路数
2回
8回
其中：
至保沧
2回
2回
至北京西
2回
备用
4回
3
220kV出线回路数
6回
16回
（2）变电站形成了由东向西依次为500kV配电装置、主变压器及无功补偿装置、220kV配电装置的三列式布置格局。
（3）500kV配电装置做了如下优化：
a）参考通用设计，并作出相应优化，出线间隔宽度由26m优化为25m，构架高度24m，将母线高抗由配电装置南端移至#2、#3主变进线套管之间，降低配电装置横向占地面积；
3
（1）优化500kV出线间隔宽度，优化后的间隔宽度取25m。
（2）优化500kV配电装置尺寸，优化后500kV GIS配电装置区纵向尺寸为35m(道路中心线)，配电装置区宽度为278m(道路中心线)。优化后500kV配电装置区总面积1.086hm2，较可研1.218hm2减少0.132hm2，占地面积为可研方案89.16%。
（6）结合出线方向、电气接线配串、用地指标及各级电压的配电装置型式，最终确定全站总平面方案。该方案全站总面积为3.14hm2，较可研的3.41hm2减少了0.27hm2，占地面积为可研方案92.08%。
1
土地资源属于不可再生资源，随着社会经济的快速持续发展，变电站的选址与城乡规划、国土资源部门的矛盾日益突出。根据可研报告，500kV变电站推荐站址所在地土地为一般农田，本着节约用地的原则，优化电气总平面布置，尽量减少占地是500kV变电站面临的一个重要课题。
4.2 220kV
对配电装置尺寸设计及优化，一方面应保证设备及导线相间及相对地距离满足绝缘配合要求的最小电气距离，避免造成威胁系统安全运行的隐患；另一方面要考虑为安装和检修提供方便，注意满足相邻间隔电气设备检修时安全距离要求。
架构宽度由导线相间距离和跳线或引下线对地距离来确定。导线相间和相对地之间的距离，是按跨距内绝缘子串和导线在风力与短路电动力作用下产生摇摆时，导线相间和导线与接地部分间能满足绝缘配合要求的最小电气距离等考虑的。校验中导线的摇摆(包括绝缘子串的摇摆)按三相导线不同步摇摆考虑。对于本工程GIS设备布置方案，间隔宽度优化目标暂定为12m，以下计算分析以此预期目标为基础。
图3.1-2500kV跳线对边柱校验计算模型
构架对出线边相跳线各种工况计算结果如下表所列。
表3.1-3跳线各工况计算结果
工况编号
a0(rad)
D1(m)
1
0.029
3.968
2
0.074
4.643
3
0.273
4.289
最大工作电压、短路和10m/s风偏下对空间的要求比前3种工况更小，不作为控制条件。由上表的计算结果可见，要求的距离最大值为4.643m，因此，考虑一定裕度及安装爬梯的需要，500kV出线间隔边相到构架距离可优化为5.5m。
图2.2-1变电站500kV出线规划
220kV变电站220kV远景主变进线4回，出线16回，其中：至容城2回、张丰2回、雄州2回、孙村1回、傅村2回、定兴南2回、西北方向备用2回、西南方向备用3回。
3
3
3.1.1500kV电气接线
本工程500kV采用3／2断路器接线，500kV本期出线2回，主变进线2回，组成1个完整串、2个不完整串。远景出线8回，主变进线4回，组成6个完整串。
（4）220kV配电装置做了如下优化：
a）经与设备厂家ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ研，结合平面布置，220kV GIS设备进出线套管之间距离为11m；
b）经计算，220kV配电装置高层出线跨线相间距离要求最小值为3.268m,对于本工程相间距离可取3.5m，出线跨线相地距离要求最小值为2.231m，对于本工程相间距离可取2.5m，考虑出线设备带点距离及检修等问题，间隔宽度最终推荐为12m；
最大工作电压、短路和10m/s风偏下对空间的要求比前3种工况更小，不作为控制条件。综合上表的计算结果可见，500kV出线间隔相间距离可优化为7m。
3.1.2.3 出线边相跳线的距离校验
计算时，出线偏角按10°考虑。跳线加装了悬垂绝缘子串。绝缘子串长度λ取6.5m。出线构架的整体设置及计算模型见下图。图中d为导线的分列间距；r为导线半径；b为构架柱直径。
3.1.2500kV出线间隔宽度的优化
对于GIS配电装置，出线间隔宽度由串内的设备、出线相间距离和跳线、引下线对边柱距离等来确定。本次结合不同工况下的电气距离计算，对间隔的宽度进行优化。
3.1.2.1 间隔宽度优化原始数据
根据配电装置布置形式，出线梁高度26m，地线挂点34m，构架边柱宽度480mm。采用2×JLHN58K-1600耐热铝合金导线，分裂间距400mm。跳线设置中间悬垂绝缘子串33(XWP2-160)。在以下的校验中，以校验条件较苛刻的无中间悬垂绝缘子串为代表。
图4.1-1 西高GIS布置方案 图4.1-2 平高GIS布置方案
图4.1-3 沈高GIS方案 图4.1-4 现代GIS方案 图4.1-5 AE-POWER GIS方案
上述厂家布置方案图中，252kV GIS进出线套管之间距离均为考虑绝缘水平、设备安装、母线额定电流后的最合理布置尺寸。为满足工程设备招标时的通用性，推荐本工程252kV GIS设备进出线套管之间距离按11m考虑。
c）取消220kV配电装置主变进线架构，减小配电装置区域纵向尺寸，将220kV避雷器由主变侧移至220kVGIS主变进线侧，220kV配电装置区域纵向尺寸为25m，小于通用设计26m纵向尺寸。
优化后，220kV配电装置区域占地面积0.485hm2，较可研0.504hm2压缩0.019hm2，占地面积为可研方案96.15%。
3.2
3.5
1.6
相间A2
3.6
4.3
2.4
3.1.2.2 出线跳线相间距离校验
计算模型见下图。图中a1为绝缘子串的风偏摇摆角；a0为导线的风偏摇摆角；fj为绝缘子串悬挂点至端部的垂直距离；λ为绝缘子串的长度；d为导线的分列间距；r为导线半径；φ为绝缘子串的倾斜角。
图3.1-1500kV跳线相间距离校验计算模型
4 220kV
500kV变电站220kV配电装置采用GIS设备，主接线采用双母线双分段接线。GIS布置型式的确定综合考虑以下因素：
(1)尽量压缩占地，结构简单，布置清晰；
(2)设备总体尺寸与配电装置间隔宽度相匹配；
(3)应具有良好的运输和吊装条件，满足设备安装(不带电)和设备检修(周围设备带电)时吊装和运输的空间活动范围要求；
将500kV出线构架宽度优化为25m，结合550kV GIS设备的横向尺寸，500kV出线构架仍然为500kV配电装置宽度的限制尺寸，500kV配电装置区横向尺寸确定为224m（道路中心线）。
500kV配电装置区设置环形道路。其断面如图3.1-4所示。
图3.1-4500kV配电装置GIS方案断面图(本期)
3.1.2.4 出线间隔宽度的优化
由以上计算结果可见，500kV出线间隔相间距离可优化为7m，边相到构架距离可优化为5.5m，因此出线间隔宽度可优化为5.5×2+7×2=25m。
3.1.3500kV配电装置优化
根据可研评审意见，结合站址条件，本着节约用地原则，500kV设备按户外GIS方案选择，进出线CVT、避雷器采用AIS，设计原则参照《国家电网公司输变电工程通用设计》500-A-3方案。