500 kV戶內變電站設計技術研究

張 濤，李 麗，鐘偉華，孟 軒，顏士海

(1.電力規劃設計總院,北京 100120；2.廣東技術師范學院,廣東 廣州 510665；3.中國南方電網有限責任公司,廣東 廣州 510623)

目前城市用電負荷增長迅速,越來越多的變電站需要建設在城市中心,如何利用有限的土地資源,順利實施變電站建設,保障電力供給,成為擺在電力建設者面前的重大課題。常規戶外變電站設計中,更注重工程主要功能的實現,而城市變電站還要滿足節約占地、減少對周邊環境影響、建筑外觀與周圍環境協調等要求,最大限度地利用有限站址和通道資源,特殊條件下還需與其它建筑物合建。為促進大城市電網與社會、經濟、環境的和諧發展,建設“資源節約型、環境友好型”電網,盡量減少變電站占用寶貴的土地資源,城市變電站的建設趨勢具有緊湊型、大容量且向地下發展等特征。

與戶外變電站相比,戶內變電站空間受限,對施工、運行、檢修均提出了更多的要求,因此,需對關鍵設計技術進行分析研究。

1 戶內變電站型式

戶內變電站建筑可獨立建設,也可與其它建筑物合建,為節約占地、減小建筑工程量,通過選用節能型、小型化設備,并進行緊湊型布置設計,提高配電裝置建筑物的空間利用率。根據主要電氣設備是否全部戶內布置,戶內變電站分為全戶內、半戶內兩種形式,其中：全戶內變電站中,主變壓器和其它高低壓電氣設備均布置在戶內；半戶內變電站中,為節省建筑、通風等工程費用,主變壓器、低壓無功補償裝置等部分電氣設備采用戶外布置。特殊條件下,如地面沒有空地、無法建設變電站時,局部或整體建設在地下的變電站,稱為半地下/地下變電站。

主要出于經濟性考慮,早期戶內變電站采用敞開式電氣設備戶內布置方式,為滿足電氣距離的要求,配電裝置樓建筑體積較大,不能充分發揮戶內站配電裝置布置緊湊的優勢。隨著氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear,GIS)設備逐步國產化、設備價格持續降低,戶內110 kV、220 kV變電站逐漸推廣應用,國家電網公司、南方電網有限責任公司在總結已建工程經驗的基礎上,相繼推出了戶內變電站典型設計方案。

2 已建戶內變電站概述

2.1 330 kV及以下電壓等級的戶內變電站

20世紀70年代末80年代初,電力建設者首次嘗試110 kV變電站戶內設計方案,應用于北京前門變電站等工程。隨著運行經驗的積累和設備制造水平的提高,到了90年代初,上海、北京、天津、廣州等城市用地緊張區域的220 kV變電站也嘗試采用戶內變電站方式,其中,北京左安門220 kV變電站(見圖1)首次采用220 kV GIS設備。相比常規空氣絕緣敞開式設備,GIS設備將斷路器、隔離開關、互感器、母線等元件均封裝在金屬殼體內,內部采用絕緣性能更高的SF6氣體為內絕緣材料,具有體積小、噪聲低、利于緊湊布置等優點,并且無靜電感應和電暈干擾等問題,戶內變電站的建筑物體量大大減小,建筑物外形設計也易于與城市景觀相協調。

圖1 北京左安門220 kV變電站

目前,我國西北地區的西安城南330 kV戶內變電站、西安西郊330 kV戶內變電站都正在建設之中。

2.2 500 kV戶內變電站

隨著城市建設的發展,北京、上海、廣州、深圳等城市終端變電站最高電壓采用500 kV等級,越來越多的大城市500 kV變電站考慮戶內建設方案。2008年,國內第一個500 kV戶內變電站——北京朝陽500 kV變電站(見圖2)正式投運。

圖2 北京朝陽500 kV變電站

北京朝陽500 kV變電站設計中,為盡量減少占地面積,提高設備可靠性、減少日常運行檢修工作量,500 kV、220 kV、66 kV配電裝置均采用GIS設備,低壓并聯電容器、電抗器分別采用集合式、油浸式,并積極貫徹“立體化、協調型”的設計理念,將500 kV、220 kV、66 kV配電裝置布置在變電站二層,以方便架空線路的引接,主變壓器、無功補償設備布置在一層,便于設備運輸、安裝和檢修,通過合理空間布局,優化了配電裝置樓的建筑面積和體積,節省了工程造價,變電站占地面積僅11094 m2,比同規模的變電站節省57%。隨后,北京海淀500 kV變電站、城南500 kV變電站相繼投運。

2010年4月,上海500 kV世博變電站正式投運,站內按3組500/230/66 kV 1500 MVA變壓器、3組220/115/ 37 kV 300 MVA變壓器規模規劃,為多級降壓變電站,包括了上海超高壓電網中的所有電壓等級,是國內第一座500 kV全地下變電站,與地面的靜安雕塑公園結合建設,變電站的地面實景見圖3。該變電站的設計中有諸多技術創新點,其建筑結構本體呈圓形,外徑130 m,最大開挖深度33.7 m,為超大超深基坑設計。

圖3 上海世博500 kV地下變電站地面實景圖

目前,上海虹楊、浙江錢江和重慶金山等500 kV戶內變電站也在建設之中。隨著經濟建設的快速發展,大城市對500 kV變電站的需求將會增加,選址將愈加困難,500 kV變電站戶內布置將成為未來的發展趨勢。

3 戶內500kV變電站設計理念

戶內500 kV變電站設計一般遵循以下理念：

(1)堅持節約用地的原則。對于城市戶內變電站規劃建設,周邊設施的建設往往已基本完善,因此,首先要求合理利用地形、節約用地面積、減少拆遷、減小變電站對周邊環境的影響。戶內變電站設計應根據變電站性質、電網結構等要求,積極采用緊湊型、智能化、無油化、免維護或少維護設備,優化建筑體量,在站址受限情況下,可結合臨近設施或建筑物合體建設。

(2)與周邊建設規劃和當地區域總體規劃相協調。對位于景觀要求嚴格的城區戶內變電站,其設計須與周邊地上建筑總體規劃和城市規劃緊密結合、統籌兼顧,力求實用與美觀的統一。以滿足工藝要求及運行人員工作、生活要求為前提,力求站內建筑物平面布局、功能分區更為合理,運行管理更為方便,充分體現“以人為本”的設計理念,精心處理與周圍環境的關系,使建筑人工環境與自然環境有機融合。

(3)從需求出發,合理創新。隨著新設備、新技術、新材料、新工藝的不斷涌現,變電站設計理念在不斷進步,結合工程功能需求和外部環境特點,對于戶內變電站可適當提高設計標準,促進變電站建設技術創新。

4 戶內500kV變電站設計關鍵技術

4.1 優化電氣主接線

位于城市戶內的500 kV變電站多為終端變電站,電源數量較多、設備水平較高、負荷側網絡比較完善,因此,可簡化接線方案。根據系統條件、運行方式、設計規模等因素,500 kV側可采用線變組、橋形等接線形式,當進出線規模較大,且變電站在系統中具有重要地位時,宜采用一個半斷路器接線方案。220 kV及以下電壓等級變電站的電氣主接線方案可參考常規戶外變電站有關規定。

4.2 選用小型化設備

高壓設備如過多裸露,帶電部分將占用較大空間,造成建筑物體量巨大,因此,戶內變電站開關設備宜采取GIS或開關柜設備形式,以減少占地面積和建筑面積,節約投資。

同戶外變電站一樣,500 kV變壓器采用油浸式變壓器,考慮散熱、通風、布置、降噪等要求。戶內變電站主變壓器多采用本體與散熱器分體形式,即主變本體布置在變壓器室,散熱器根據具體情況,與主變本體相鄰布置。

并聯電容器分為框架式、集合式、緊湊型集合式三種形式。如選用框架式并聯電容器,則一般布置在戶內變電站的屋頂位置,以節省建筑面積。在三種設備形式中,集合式電容器設備價格、占地面積都居中,因此在戶內變電站應用最多。緊湊型集合式是將串聯電抗器與電容器一體化組合在一起的成套裝置,實現了對地全絕緣和直接落地安裝,占地面積較框架式電容器組的占地面積節約60%左右,因此,為進一步節約占地面積,可采用緊湊型集合式電容器組。

對于并聯電抗器,主要分為干式電抗器和油浸式電抗器,后者較前者占地面積大為減少,且油浸式電抗器在運行穩定性、使用壽命、產品損耗、運行監控等方面均好于干式空芯電抗器,因此,戶內變電站宜采用油浸式電抗器。

4.3 配電裝置布置

戶內變電站設計中,為方便設備運輸和簡化配電裝置樓結構設計,主變壓器等較重電氣設備宜布置在一層,GIS、電容器、電抗器等設備可布置在二層,并設置室內設置吊裝口或者室外吊裝平臺,GIS室等設備房間頂部設置安裝檢修用吊裝設施。各層房間較多時,為布置清晰,利于運行巡視,減少內部設施的相互干擾,戶內變電站內盡量按功能劃分分區布置。

4.4 主變壓器與配電裝置的連接方式

主變壓器與配電裝置連接主要包括導線連接、電纜連接、油氣套管連接三種方式,導線連接方式的優點是GIS設備與變壓器之間有易拆解的斷開點,各類試驗及檢修方便,因此,戶內變電站主變低壓側多采用此種連接方式。對于主變壓器500 kV、220 kV側,若采用導線連接方式,則由于帶電距離的要求,布置尺寸較大,占用較大空間。而廣泛采用于220 kV及以下變電站的電纜連接方式,受電纜載流量、轉彎半徑大等因素限制,500 kV變電站中的主變500 kV、220 kV側也不宜采用電纜連接方式。目前,國內戶內500 kV變電站的變壓器高壓側、中壓側均采用油氣套管(見圖4),通過GIS分支管道與GIS設備連接,此連接方式無裸露導體,因此,配電裝置布置可不用考慮帶電距離問題,大大壓縮了空間尺寸。

圖4 主變與GIS設備油氣套管連接

4.5 試驗與檢修

不同于戶外變電站,戶內變電站布置緊湊,空間有限,且主變壓器500 kV、220 kV側與GIS均采用油氣套管連接方式,無明顯的斷開點,各類試驗相對復雜,不便檢修,需做特殊考慮。

(1)對于出廠試驗,主變壓器和GIS 設備分別在各自工廠完成相關試驗,油氣套管為變壓器廠家供貨范圍,并開展相應的試驗,出廠試驗均無制約問題。

(2)對于現場交接試驗,由于油氣套管連接方式中,變壓器與GIS設備之間的連接為油－SF6封閉式絕緣結構,無法整體試驗。因此,在變壓器與GIS設備連接前,需分別按各自的標準進行試驗,并在油氣套管結構中,考慮設置預留可拆卸套管,可拆卸套管內導體與GIS導體采用易拆解連接結構,如軟銅帶連接方式,受設備結構限制,可拆卸套管不能按照GIS設備試驗標準做絕緣試驗,通常按照絕緣水平較低的主變壓器試驗標準進行試驗,并利用變壓器感應電壓對該部分進行絕緣試驗。

(3)對于預防性試驗,由于油氣套管為封閉式絕緣連接方式,其預防性試驗難度要遠大于常規導線連接方式,進行預防性試驗前,需先解開可拆卸套管內的軟銅帶連接,然后再進行相關的試驗,完成試驗后,再連接軟銅帶、安裝可拆卸套管。近年來,主變壓器油色譜、局放等在線狀態監測系統應用越來越深入,通過實時監測、分析設備的關鍵運行狀態參數,將對變壓器的定期檢修變為狀態檢修,達到降低預防性試驗頻率、減少預試盲目性的目的。

(4)對于相關設備檢修,在油氣套管或相關設備出現故障的情況下,由于所有導體都處于GIS殼體內或變壓器油箱內,相關設備檢修難度遠大于導線連接方式,因此,更多的要通過采用先進的狀態監測系統變定期檢修為狀態檢修,以降低檢修頻率。

4.6 環境影響

建在市區的戶內500 kV變電站,考慮到周邊商業區或居民區對變電站的環境影響尤為敏感,因此,在變電站設計中要采取必要的防治措施。

戶內變電站對周邊的影響主要為電磁環境影響和噪聲環境影響兩個方面。對于電磁環境影響,重點關注500 kV、220 kV高電壓等級的電磁防治問題,由于戶內變電站高壓設備均布置在采取屏蔽措施的建筑物內,配電裝置外露導體很少,且電場和磁場隨距離衰減很快,因此,對周邊影響甚微。根據對國內已投運戶內500 kV變電站的實測結果,其對周邊環境影響的各項指標均優于戶外變電站。

戶內變電站的主要噪聲來源為主變壓器、電抗器等大型線圈類設備,噪聲治理需從噪聲源和傳播途徑兩方面入手。首先,變電站選址要盡量避開0類和1類對噪聲有嚴格要求的區域；其次,設備選型上應優先采用低噪聲設備；再次,可通過建筑、暖通等專業的優化設計對變電站進行噪聲治理,如主變壓器的進風口和屋頂風機的排風口應盡量避免直接朝向居民區、主變壓器室和風機房采用消聲百葉窗、墻面布置雙層吸音墻等措施。

5 結語

戶內變電站能大幅減少占地面積、提高土地資源的利用率,有效緩解城市變電站選址難的問題,并且配電裝置均布置于建筑物內,最大限度降低了對周圍的電磁環境、噪聲環境影響,是實現資源節約型、環境友好型電網建設的主要途徑之一,可有效實現變電站建設經濟、社會和環境效益的最大化。本文針對戶內變電站的特點,提出了簡化電氣接線、選用緊湊型設備方面的建議。隨著設備制造、建設水平的提高,戶內變電站的應用將愈加廣泛。