水利樞紐GIS開關(guān)設(shè)備選型方案

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摘要：從目前的情況來看，氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)設(shè)備（GIS開關(guān)）是水利樞紐工程中應(yīng)用最廣泛的一種開關(guān)設(shè)備。基于此，結(jié)合實(shí)際案例，分別介紹了gis開關(guān)設(shè)備和普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)，并對(duì)兩種開關(guān)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，最后提出了GIS開關(guān)設(shè)備安裝時(shí)的注意事項(xiàng)，期望可以為同類工程項(xiàng)目GIS開關(guān)設(shè)備選型提供些許理論參考。

關(guān)鍵詞：水利樞紐；GIS開關(guān)；設(shè)備選型

時(shí)下，在水利樞紐工程持續(xù)發(fā)展的利好背景下，其數(shù)量和規(guī)模不斷增加與擴(kuò)張，這對(duì)GIS開關(guān)設(shè)備選型提出了更加嚴(yán)格的要求。GIS開關(guān)指的是在GIS的基礎(chǔ)上，將母線設(shè)置于金屬外殼內(nèi)，減少外界環(huán)境對(duì)GIS開關(guān)的影響，其具有占地小、可靠性高、防污好、安裝周期短以及工作量小等顯著特點(diǎn)，因而在水利樞紐工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1案例概況

某水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)，其是一座集防洪、發(fā)電和灌溉功能于一體的大型水利樞紐工程項(xiàng)目，總裝機(jī)容量700MW，年利用小時(shí)數(shù)2540h，多年平均風(fēng)速16m/s，污穢等級(jí)Ⅳ級(jí)，地震烈度Ⅷ度。本工程升高壓側(cè)電壓等級(jí)為220kV，雙母線分段。

2升高壓側(cè)開關(guān)設(shè)備選型方案

對(duì)于本工程項(xiàng)目升高壓側(cè)設(shè)備選型可采用SF6全封閉組合電器和220kV普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備兩種方案。2.1SF6全封閉組合電器選型方案本工程項(xiàng)目GIS開關(guān)設(shè)備裝配位置在副廠房地上第三層內(nèi)，下層為GIS電纜夾層，主變位于副廠房地上第一層內(nèi)，出線平臺(tái)位于副廠房屋頂。GIS開關(guān)設(shè)備與主變使用SF6氣體管道相互連接在一起，GIS開關(guān)設(shè)備至出線平臺(tái)之間使用SF6氣體管道相連，整個(gè)GIS開關(guān)設(shè)備占地面積約為960m2（80m×12m），主要技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓/電流為220kV/3150A；最高額定電壓為245kV；額定頻率為50Hz；額定雷電沖擊電壓（峰值）為1050kV（相對(duì)值）/1250kV（斷口間）；1min額定工頻率（有效值）為44kV。GIS開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。2.2220kV普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備選型方案根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，本工程項(xiàng)目所處區(qū)域?yàn)樯絽^(qū)，地形較陡，坡度很大，如在廠房上游側(cè)布置戶外開關(guān)站，需開挖100多米高的山體，工程造價(jià)巨大。對(duì)此，可選擇在廠房下游河床邊布置戶外開關(guān)站，土方回填需約2.3×105m3，開挖需約4×104m3。采用220kV普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備，占地面積約為15000m2（150m×100m），敞開式開關(guān)設(shè)備至主變裝置通過鋼芯鋁絞線連接，主要技術(shù)參數(shù)如下：斷路器型號(hào)為L(zhǎng)W23-252，In=2000A、Ib=50kA；隔離開關(guān)型號(hào)為GW7-252，In=2000A、Is=50kA/3s；220kV普通中型敞開式開關(guān)母線型號(hào)為L(zhǎng)GJQ-2X240。

3水利樞紐開關(guān)設(shè)備方案比選

3.1GIS開關(guān)設(shè)備特點(diǎn)

（1）占地空間和面積較小。經(jīng)過推算，220kVGIS開關(guān)設(shè)備與普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備相比較而言，面積占比uA=1/15.6。占地面積的縮小，將大大減少土地的征用和場(chǎng)地費(fèi)用，相應(yīng)也簡(jiǎn)化了設(shè)施設(shè)備，縮減了土建工程量，可為中標(biāo)單位節(jié)約大量安裝成本。（2）不受環(huán)境和氣候影響。GIS開關(guān)設(shè)備運(yùn)行安全可靠。根據(jù)調(diào)查分析，GIS開關(guān)設(shè)備內(nèi)、外絕緣事故發(fā)生比例為10:1，GIS開關(guān)設(shè)備很少或基本不會(huì)暴露在空氣中，其絕緣的可靠性和安全性大幅提高。另外，對(duì)于近期投入運(yùn)營的GIS開關(guān)設(shè)備的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，其可靠性、安全性與普通中型敞開式開關(guān)電器相比近似為10:1，能有效避免污穢、大風(fēng)、降雨、冰雪、潮濕、海拔高度及氣壓變化引起的絕緣事故。（3）抗震能力優(yōu)。GIS開關(guān)設(shè)備重心低，脆性和瓷套元件較少，抗震能力優(yōu)。（4）GIS開關(guān)設(shè)備被絕緣物體所包圍，發(fā)生人為觸電事故的概率較低。（5）GIS開關(guān)設(shè)備的動(dòng)、熱穩(wěn)定性較普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備好。（6）GIS開關(guān)設(shè)備安裝周期短、檢修周期長(zhǎng)，這主要是因?yàn)镚IS開關(guān)在出廠前已經(jīng)是合格產(chǎn)品，且各個(gè)分部位已經(jīng)組裝好，運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)后工作人員對(duì)其進(jìn)行整裝和調(diào)試即可，因此安裝周期較短[2]。同時(shí)，國內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)表明，GIS設(shè)備的檢修周期為10～15年，但每一次檢修時(shí)間較長(zhǎng)且要求極高。（7）GIS開關(guān)設(shè)備主要布置在廠房外，可通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化和自動(dòng)化管理。（8）GIS開關(guān)設(shè)備投資高，是普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備的2～2.5倍。

3.2普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備特點(diǎn)

（1）將該設(shè)備放置在一定的高度，讓帶電部件與高度保持距離，這樣施工人員能安全地進(jìn)行各項(xiàng)作業(yè)操作。（2）布置清晰明了，檢修方便，工程量小，工期較短。（3）防污穢性能差，但抗震性能較好。（4）占地面積較大。

3.3GIS開關(guān)設(shè)備與普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備比較

對(duì)于本工程項(xiàng)目的開關(guān)配電設(shè)備，可選擇220kVGIS開關(guān)設(shè)備和普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備兩種方案。以下就GIS開關(guān)設(shè)備和普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備的投資費(fèi)用、土建開挖費(fèi)用、高壓線纜及避雷針費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、故障損失費(fèi)用等進(jìn)行比較分析。（1）設(shè)備投資總額。在本工程項(xiàng)目中，若采用GIS開關(guān)設(shè)備投資額約為2040萬元；普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備投資額為1259萬元（主要包括高壓設(shè)施設(shè)備、開關(guān)設(shè)備的保護(hù)與控制、輔助設(shè)施設(shè)備、電纜鋼構(gòu)架與搭架、GIS開關(guān)設(shè)備護(hù)欄與接地網(wǎng)等方面的費(fèi)用）。（2）土建開挖費(fèi)用。在本工程項(xiàng)目中，GIS開關(guān)設(shè)備安裝于副廠房中，占地面積約為960m2（80m×12m），土建開挖費(fèi)用大約為380萬元。普通中型敞開式開關(guān)只能安裝于戶外，其占地面積約為15000m2（150m×100m），土建開挖費(fèi)用大約為410萬元。（3）高壓線纜及避雷針費(fèi)用。本工程項(xiàng)目GIS開關(guān)設(shè)備安裝于副廠房中，與戶外出線平臺(tái)之間使用SF6氣體管道相連，沒有高壓線纜費(fèi)用，設(shè)備為戶內(nèi)布置，也不需要設(shè)置避雷針。普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備高壓電纜費(fèi)用約為40萬元，戶外設(shè)備需設(shè)置3座避雷針，費(fèi)用約為79萬元。（4）運(yùn)行費(fèi)用。GIS開關(guān)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用主要包括設(shè)備維護(hù)費(fèi)、工具費(fèi)、人工費(fèi)用、培訓(xùn)費(fèi)用以及安保費(fèi)用等。假如該設(shè)備的運(yùn)行年限為30年，GIS開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用占總投資額的3%，普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備為12.8%，即：GIS開關(guān)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用為2040×3%=61.2萬元；普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用為1259×12.8%≈161.2萬元。（5）故障損失費(fèi)用。已投入使用的GIS開關(guān)設(shè)備統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，其安全性、可靠性與普通中型敞開式開關(guān)比較為10:1，但目前尚無具體且詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息可供比較。（6）GIS開關(guān)設(shè)備與普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備經(jīng)濟(jì)性比較如表1所示。

4GIS開關(guān)設(shè)備安裝事項(xiàng)說明

（1）GIS開關(guān)設(shè)備上不得施加外力，不得重?fù)粼O(shè)備的套管、管路以及箱體等部位；（2）具體安裝過程中，應(yīng)當(dāng)特別注意避免灰塵、雜物等進(jìn)入GIS開關(guān)設(shè)備內(nèi)部；（3）開展GIS開關(guān)清理和安裝工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)身穿防護(hù)衣物，手戴塑料薄膜手套；（4）為防止灰塵、雜物等進(jìn)入GIS開關(guān)設(shè)備內(nèi)部，應(yīng)立即對(duì)清理后的導(dǎo)體和殼體進(jìn)行安裝，連接部位應(yīng)用專門的塑料布包裹，對(duì)于暫時(shí)不能安裝的部位，應(yīng)將保護(hù)蓋板部位取下；（5）抽真空工作開始之前，要迅速更換干燥劑，減少和縮短GIS設(shè)備開關(guān)在空氣中的暴露時(shí)間，不得直接通過氣瓶向氣室注入SF6氣體，必須經(jīng)過減壓閥減壓；（6）電纜終端裝配作業(yè)開始之前，需要確定SF6氣體已回收，且表壓為0，此時(shí)才能松開蓋板和法蘭處的連接螺栓，螺栓必須沿著GIS開關(guān)設(shè)備的圓周方向均勻松動(dòng)，嚴(yán)禁直接拆卸；（7）氣體回收之后，進(jìn)行GIS開關(guān)設(shè)備殼體安裝，此時(shí)必須檢查氧氣的濃度，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的換氣措施，否則工作人員不得進(jìn)入內(nèi)部作業(yè)，同時(shí)，進(jìn)入殼體內(nèi)部時(shí)應(yīng)當(dāng)委派專業(yè)人員監(jiān)護(hù)。

5結(jié)語

基于對(duì)以上兩種方案的全面比較和安裝事項(xiàng)說明，GIS開關(guān)設(shè)備具有占地面積小、抗震性能優(yōu)、安裝周期短、檢測(cè)周期長(zhǎng)以及可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和可視化控制等特點(diǎn)，盡管該設(shè)備投資合計(jì)比普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備多532萬元，但考慮到本工程項(xiàng)目所在地區(qū)風(fēng)沙較大、設(shè)備工作環(huán)境較差、敞開式設(shè)備距離廠房較遠(yuǎn)導(dǎo)致母線以及出線斷路器故障概率較高、運(yùn)行維護(hù)工作不方便、地震烈度較高、使用壽命等問題，GIS開關(guān)設(shè)備的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性依然優(yōu)于普通中型敞開式開關(guān)設(shè)備。故此，本工程項(xiàng)目采用GIS開關(guān)設(shè)備選型方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周逸萍.邕寧水利樞紐電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2018.

[2]高云龍.大藤峽水利樞紐GIS開關(guān)設(shè)備選型問題探討[J].廣西水利水電，2019（4）：101-104.

作者：於文匯 單位：新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院