李 俊
（京电兴创智慧科技（北京）有限公司 北京 102629）
摘要：本专题报告根据站址环境条件，结合天津地区已有变电站的实际运行情况，通过对不同安装方式下的安装质量、SF6气体中水分危害影响、土建工程比较及站址污秽情况等多个方面进行技术经济综合比较，最终提出了适用于本工程的安全可靠、经济合理的设备布置方式。利用技术经济综合比较的方法，在定量、定性分析的基础上，对GIS设备户内外布置方式进行研究。
关键词： 变电站；GIS设备；户内外
1 概述
1.1 工程设计的主要依据
国家电网公司集中招标《永定河220kV变电站等设计竞赛依托工程勘察设计招标文件》；
《永定河 220kV输变电工程可行性研究报告》；
1.2 建设规模
1.2.1 远期规模
主变压器：3台240MVA变压器；
220kV 出线12 回：即北郊2 回，东丽2 回，江天2回，江天#2 1 回，潘庄2 回，西堤头2回，预留1回；
110kV出线15回：即破郊隋曙光支线2回，T接景芦I、II 2回，预留出线11 回；
35kV出线18回；
无功补偿：每台240MVA主变35kV侧设置3组12MVar 并联电容器组。
1.2.2 本期规模
主变压器：2台240MVA变压器；
220kV出线6回，即北郊2回，东丽2回，江天2回；
110kV出线10回：即破郊隋曙光支线2回，T接景芦I、II 2回，预留出线6回；
35kV出线12回；
无功补偿：每台240MVA主变35kV侧设置3组12MVar 并联电容器组。
2 220kV配电装置型式初步选型
随着国土资源日益步减少，节约建设用地已经成为工程设计中重要的指导思想。根据国家电网建运[2006]486号文《关于在跨区电网建设中尽量节约用地和少占基本农田的紧急通知》的规定“变电所或换流站站址选择时应避让基本农田，尽量占用山地，坡地或荒地；当变电所或换流站无法避让基本农田时，在选择技术方案时应优先选择占地少的技术方案。当经济比较与节约用地有矛盾时，经济比较应服从节约用地；当变电所或换流站必须占用基本农田时，规划设计单位应将基本农田占用纳入比较，推荐站址应为基本农田站用最少的站址”。
220kV配电装置是本工程中的一个重要组成部分，要求满足布置合理、运行可靠、维护检修方便、经济合理、节约占地，并须与环境相协调等要求。
目前，220kV变电站主要可以分为户内站及户外站两种。户内站配电装置需采用GIS型式，其又可分为部分配电装置户内外混合布置及全户内布置两种型式。户外站主要采用AIS或GIS两种布置型式，其中AIS 设备具有运行经验丰富、造价低的优点；GIS 设备具有可靠性高、占地小的优点。
AIS型式指断路器、隔离开关、电压及电流互感器、母线、避雷器、接地开关等元件作为独立元件布置的敞开式设备，AIS型式中又因断路器型式不同，可分为瓷柱式断路器布置方案和罐式断路器布置方案。
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图2-1 AIS瓷柱式断路器布置方案
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图2-2 AIS罐式断路器布置方案
GIS 型式指气体绝缘封闭式组合电器方案，是20世纪70 年代初期出现的一种先进的高压电气配电装置, 全称Gas Insulater Swit ehgear。GIS 将断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、进出线套管等, 经优化设计有机地组合成一个整体, 它具有以下优点: 隔离化学污染、积尘、积雪等外部影响, 可靠性高, 抗震性能优良; 对电磁和静电实现屏蔽, 减少了噪音和无线电干扰等对外部的不利影响; 整机装配并以单元或间隔运达现场, 现场安装工期缩短;检修周期长、维修工作量小、维护方便。当然, G IS 也有设备局部发生故障后(如母线隔离开关烧伤), 要检修故障元件时, 须两条母线全停电才能检修等扩大停电范围的缺点。
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图2-3 252kV GIS母线三相共箱布置方案
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图2-4 252kV GIS母线三相分箱布置方案
综上所述，结合《永定河220kV输变电工程可行性研究报告》已有结论，根据天津电力系统污区09年分布图，本站处在d级污秽区。考虑本站紧邻天津市天重江天重工有限公司，江天重工有限公司为大型重机热加工专业化公司，对周围环境会造成一定污染，建议本站提高一级污秽等级，户外设备按e级污秽地区考虑。因此，在此环境条件下，并综合考虑节约占地等技术经济方面因素，我们推荐本工程按户内变电站设计。由于户内变电站可分为部分配电装置户内外混合布置及全户内布置两种型式，以下将对这两种布置方式在电气和土建技术中的优缺点进行技术经济综合比较。
3 GIS设备不同布置方式对安装质量的影响
与常规AIS设备相比，GIS 设备的安装质量的好坏显得尤为重要, 它直接影响着GIS 设备的正常运行和使用寿命。
根据GIS 设备运行所发生的事故统计, 其中因制造和GIS设备安装质量不良等而造成的事故约占GIS设备总事故量的40% 以上, 在现场施工因清洁工作没做好, 使得金属微粒、尘埃、杂物、水分潮气等侵入到GIS 内部而造成的事故约占13%。通过以上统计数据可以看出, 细小的金属微粒、尘埃可能造成巨大的损失。因此施工现场必须要保持清洁、通风的工作环境, 以保证GIS设备安装质量。
GIS设备采用户内布置型式, 在施工安装过程中，稍加相应的措施就能确保工程安装现场环境的高清洁度, 以及安装中对通风、照明等各个方面的要求, 并且不易受其它外部环境条件的影响, 安装质量容易得到保证。
GIS设备采用户外布置型式, 在施工安装过程中，尽管可以采取装设围栏、施工照明等临时措施, 但其易受沙尘、雨水、气温等诸多外部环境条件的影响, 安装现场清洁度也必然低于户内GIS型式, 故障概率相应增加。
4 GIS设备不同布置方式SF6气体中水分的危害影响
对GIS 设备而言, 如果其SF6气体中水分含量过高,会引起诸多严重的不良后果, 其危害主要有以下两个方面：
水分引起设备化学腐蚀、水分对电器设备绝缘件的危害。
根据西安高压电器研究所做的“ GIS 设备中的SF6 气体水分含量与环境温度的变化关系曲线” (下图)可知,GIS 设备中的SF6气体水分含量与环境温度有很大关系, 环境温度增高, SF6 气体中的水分也增高。这是由于GIS 内部的压力高于设备外部的压力, SF6 气体中水蒸气分压力小于外部的水蒸气分压力, 随着环境温度的升高水蒸气由GIS 的外部向其内部渗透的能力也增强。并且此影响因素不会因为GIS 设备有可靠的密封系统而改变, 这是因为水蒸气的分子直径为3.2x10一10m , 而SF6气体的分子直径为4.56x10一10m,水蒸气的分子直径小于SF6 气体, 水仍可渗人。此外, 在相同条件下, 户内式环境温度低于阳光直射下的户外式，水分的含量也必然低于户外式。
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1-A相断路器；2-B相断路器；3-C相断路器；4-SF6气体钢瓶
图4.1 水分含量与环境温度的变化关系
水分在电气设备中, 除了对绝缘件和金属部件产生腐蚀作用之外, 还在它的表面产生凝结水, 附在绝缘件的表面, 而造成沿面闪络。当水分由液态变为固态后,它对电气绝缘材料的危害性可以大大减少, 即水变为冰之后, 它对电气设备绝缘危害减少。而S F6 气体中的水蒸气在什么条件下, 才会变成凝结水或凝结冰，主要取决于水蒸气的压力和密度以及在什么温度下会达到饱和。通常情况下, GIS 设备内部的SF6气体的体积是不会变的, 水蒸气的饱和只和压力、温度有关。当GIS 设备的水蒸气温度达到某一值时, 其压力和密度达到饱和后, 水蒸气就不会凝结为露水, 而直接变为冰了。这时对绝缘材料的危害就降低了许多。GIS户内布置，温度易得到控制, 其凝露的概率必然低于户外布置方式。
5 GIS设备不同布置方式土建工程比较
本工程如采用GIS户内布置方式，GIS室采用3t吊梁吊装方案，其房间顶板标高为7.5m，吊梁底标高6.5m，较行车方案减低了房间顶板标高，节省了建筑结构材料量。其结构采用框、排架结构, 基础为柱下钢筋混凝土梁板筏板基础，架空出线利用建筑物梁作为构架，悬挂出线耐张绝缘子串。
GIS 若采用户外形式,主变及出线侧均须装设门型构架,GIS 基础采用混凝土板式基础。在现场组合装配时，设备周边建筑物应具备防火、防水、防潮、保温、隔热、防尘、耐久等功能。两方案相比, 户外方案工艺简化, 施工工期短，但其占地面积、安装维护环境等诸多方面均差于户内布置方式。
6 站址污秽等级对GIS设备布置方式的影响
本报告前文已提到，根据《永定河220kV输变电工程可行性研究报告》已有结论，根据天津电力系统污区09年分布图，本站处在d级污秽区。具体见下图。
图6-1 工程站址污区分布（2009年版）
但由于本站紧邻天津市江天重工有限公司，江天重工有限公司为大型重机热加工专业化公司，对周围环境会造成一定程度的污染，且工程站址紧邻永定河北辰区段，站址处水分偏大前文已叙述水分等环境条件对GIS设备的影响。另外，由于可研报告中是根据2009年污区分布图确定站址污秽情况，根据最新的《2011年华北电力系统污区分布图》，本工程站址污区情况见下图。
图6-2 工程站址污区分布（2011年版）
由以上两版华北电力系统污区分布图可知，最新的2011年版中，本工程虽然仍处于d级污区，但站址周围污区等级已基本全部趋近于d级，而在2009年版污区分布图中，仅站址西侧为d级污区，而东侧大部分地区均处于c级污区。另外，由于天津北辰区周边工业企业发展较快，并结合考虑2009年版及2011年版污区分布图中站址污区周边发展趋势，本工程站址污区等级有向e级靠近的可能性。经与当地运行部门沟通，根据天津沿海地区多个变电站中设备实际运行情况，多个处于d级污区变电站的户外组合电器设备，由于受污秽、沿海潮湿、水分等诸多环境条件影响，设备的运行、事故率方面已出现了如污闪、绝缘件腐蚀等问题。
7 户内外布置GIS设备综合技术比较
针对于GIS设备户内外两种布置方式，具体技术比较见下表：
8 结论
(1) 根据《永定河220kV输变电工程可行性研究报告》已有结论，本站处在d级污秽区。但由于天津北辰区周边工业企业发展较快，且紧邻天津市江天重工大型重机热加工专业化有限公司，对周围环境会造成一定程度的污染。且结合考虑2009年版及2011年版污区分布图中站址污区周边发展趋势，本工程站址污区等级有向e级靠近的可能性。经与当地运行部门沟通，根据天津沿海地区多个变电站中设备实际运行情况，多个处于d级污区变电站的户外组合电器设备，由于受污秽、沿海潮湿、水分等诸多环境条件影响，设备的运行、事故率方面已出现了如污闪、绝缘件腐蚀等问题。因此本工程推荐按e级污区环境进行设计。
(2) GIS设备采用户内式, 优点是安装环境条件容易得到满足, 安装质量容易得到保证, 设备运行条件优于户外式, 缺点是土建工程的造价高。
(3) GIS设备采用户外式, 优点是节约土建工程造价。缺点是施工时施工范围内需搭设临时围栏, 施工现场的清洁度不及户内。并且设备的运行环境较差, GIS设备的外壳易锈、SF6气体中的水分含量高于户内式，且不便于巡视维护。
(4) 考虑如因污闪等情况导致设备故障,将会造成大面积停电的不良社会影响，我们推荐采用户内GIS布置方式,虽然整体投资略大于户外GIS布置方式，但确保GIS设备的长期安全可靠运行更为重要。
参考文献：
1.电力工程设计手册-变电站设计[S]北京：中国电力出版社
2.DL/T 5352-2018 高压配电装置设计规范[S]北京：国家能源局
3.DL/T 5218-2012 220kV～750kV变电站设计技术规程[S]北京：国家能源局
作者简介：李俊，职称：中级工程师，研究方向：变电站工程设计。