杨 洸，付 磊，朱 克，程子豪，周圣枝

（1.湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

小型化220 kV HGIS设备的紧凑布置研究

杨 洸1，付 磊1，朱 克2，程子豪1，周圣枝1

（1.湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

针对混合气体绝缘开关（HGIS）的应用现状和功能特点，提出一种基于小型化HGIS设备的220 kV紧凑型配电装置形式，介绍了该配电装置的优化思路与优化效益。通过模拟仿真验证了该配电装置在雷电侵入波、空间电场强度、母线感应电压等方面的技术合理性，为该配电装置的应用提供了依据。

小型化；混合气体绝缘开关（HGIS）；紧凑布置；雷电侵入波；空间电场；母线感应电压

0 引言

随着我国城镇化进程的不断加快，土地资源日益稀缺，变电站建设受用地规划等各种外部条件限制的情况日益增多。建设单位对变电站进一步朝集约化、小型化方向发展有了更强烈的现实需求。混合气体绝缘开关（hybrid gas insulation switchgear, HGIS）是一种紧凑型电气设备，其结构与GIS基本相同，将除母线以外的设备，如断路器(CB)、隔离开关(DS)、接地开关(ES)、快速接地开关(FES)、电流互感器(TA)等以单相方式全部封闭在一个可靠接地的铝制金属壳体内，并充入一定压力的SF6气体作为导电体对地的主绝缘。

与同为紧凑型设备的GIS相比，HGIS有很多实用的功能性优点，如扩建方便，停电时间短；对土建基础接口要求不高；间隔互换通用性强，扩建时对厂家没有特殊要求等。但是HGIS占地面积比GIS大，限制了其应用范围。为了发挥HGIS的众多功能优势，值得对其布置进行深入研究，为工程应用提供一种新的选项[1]。

1 HGIS配电装置的应用现状

国家电网公司输变电工程通用设计（2011年版）中，220 kV变电站的HGIS方案共有3个基本方案，方案中220 kV均采用HGIS设备，110 kV均采用GIS设备。220 kV配电装置的典型基本模块为6线3变，双母线接线，尺寸为Φ86 mm×55 m，其平断面示意图如图1、图2所示[2]。其主要特点有：1）HGIS采用双列布置；2）2组母线构架并列布置，进、出线构架独立布置；3）线路侧设置横向运输道路，间隔之间设置纵向的运输道路；4）HGIS设备纵向尺寸按11.5 m控制。其主要指标如下：间隔宽度12.5 m，配电装置横向距离86 m；母线相间距取3.5 m，两组母线边相管母距离6 m，配电装置纵向尺寸为55.5 m。

图1 220 kV配电装置平面布置图Fig.1 The layout of 220 kV power distribution unit

图2 220 kV配电装置断面图Fig.2 The profile of 220 kV power distribution unit

2 HGIS设备的技术现状

经调研，国内HGIS设备有3种技术路线分别为GIS路线、罐式断路器路线和国外引进的PASS设备。GIS路线将GIS设备中的主母线取消，主回路中与母线连接的导体改为SF6充气套管，该路线的代表厂家有上海思源和山东泰开。罐式断路器路线则通过将罐式断路器两侧增加隔离开关和SF6充气套管形成，该路线的代表厂家为西安西电[3]。PASS为国外引进设备，其代表厂家为ABB。上述各厂家的HGIS设备外形图如图3所示。

图3 HGIS设备外形图（单位：mm）Fig.3 The Outline drawing of HGIS(unit:mm)

表1为以上四种厂家的HGIS设备尺寸。

表1 四种厂家HGIS设备尺寸对比表Tab.1 The size Comparison table of 4 kinds of HGIS from different manufacturers

3 紧凑型配电装置

根据HGIS应用现状和HGIS设备技术现状，对HGIS的紧凑布置提出以下优化思路。

1）HGIS设备的研发和制造经过多年发展，已有长足进步。在单间隔纵向尺寸上，各厂家设备均较国网通用设计的取值有较大优化。考虑纵向尺寸的取值，兼顾各制造厂家的通用性，取调研厂家尺寸中的最大值，即8 m。

2）设备纵向尺寸减少后，两组HGIS设备外侧套管的距离更近，进出线构架与母线构架的距离更加接近，故提出将主变进线构架、出线构架与母线构架合并，形成一体化整体构架。

3）原通用设计中运输道路设置过于复杂，3条纵向道路不仅增加了道路建设造价，也对横向间隔尺寸优化造成了障碍。采用一体化构架后，考虑取消母线构架中间的支柱，在母线下方增加1条横向道路，与主变侧横向道路形成环形运输道路[4]。

4）采用双列布置。线路侧布置6个出线间隔，主变侧布置3个主变间隔与母联、母设间隔。

5）HGIS配电装置中各设备电气上的距离很近，为充分利用避雷器的保护能力，考虑利用母线避雷器和线路避雷器来保护主变，取消主变进线避雷器，该设想将在4.1节中进行论证。

6）母线相间距离取3 m，可进一步优化断面尺寸。优化后通过感应电压计算，合理配置接地开关，确保母线检修时的安全性，该设想将在4.3节中进行论证。

通过以上优化思路，得出的220 kV紧凑型HGIS配电装置如图4、图5所示。

图4 220 kV紧凑型HGIS配电装置平面布置图(单位：m)Fig.4 The layout of compact 220 kV power distribution unit

图5 220 kV紧凑型HGIS配电装置进出线断面图（单位：m）Fig.5 The profile of compact 220 kV power distribution unit

紧凑型配电装置的主要指标如下：间隔宽度12 m，配电装置横向距离83 m；母线相间距取3 m，两组母线边相管母距离5.5 m，配电装置纵向尺寸37 m，纵向尺寸较通用设计节省33%；配电装置面积较通用设计节省35%。

4 紧凑布置的技术可靠性与合理性

针对优化后的紧凑配电装置，对雷电侵入波、空间电场、母线感应电压等进行了仿真和计算，以验证方案的合理性。

4.1 雷电侵入波仿真

采用EMTP-ATP仿真软件，对雷电、铁塔、避雷器、HGIS、绝缘子串等相关电气元件进行建模分析，搭建相应的仿真模型来模拟雷击过电压情况下变电站内设备的过电压水平，对过电压波形与设备的标准雷电冲击绝缘水平进行对比分析，验证现有避雷器配置的合理性，仿真结果如下。

（1）双母线并列运行时，1回线路运行，1台变压器运行，各种情况下的仿真结果见表2。

表2 双母线运行时仿真结果 (单位：kV)Tab.2 The simulation result of double bus bar are in operation

根据双母线运行时的仿真结果（表2）及220 kV主要电气设备的雷电冲击绝缘水平（DL/T 5222-2005附录B）可知：变电站220 kV侧双母线运行时，变压器侧和IM、IIM母设避雷器均可以省略。

（2）单母线运行时，各种情况下的仿真结果见表3。

根据单母线运行时的仿真结果（表3）及220 kV主要电气设备的雷电冲击绝缘水平（DL/T 5222-2005附录B）可知，当省略变压器避雷器时，设备过电压水平在耐受能力内；当省略变压器和母线避雷器时，母线PT的过电压水平超过了设备耐受能力的配合系数要求。

综合以上两种运行方式的仿真结果可知，当母线保留避雷器，取消主变避雷器时，各设备的过电压水平均在设备耐受能力内。

表3 单母线运行时的仿真结果 (单位：kV)Tab.3 The simulation result of single bus bar is in operation

4.2 空间电场强度仿真

采用COMSOL Multiphysics软件，根据电场计算原理，利用有限元法，建立电场仿真模型并计算出线间隔外部电场强度。分析电场的分布规律，判断是否符合电场曝露限值标准。220 kV配电装置出线间隔纵向截面的电场分布如图6所示，对地1.5 m高度处的电场分布如图7所示。

图6 HGIS设备出线间隔纵向断面（A相）电场分布Fig.6 Distribution of electric field in HGIS equipment outlet interval(A phase)

由图6、图7可以看到，该变电站220 kV出线侧工频电场强度大都处在3～10 kV/m之间，场强畸变集中在跨路管母下方，中间相线下方的场强值较边相导线小。220 kV间隔内对地1.5 m处的电场强度的控制主要针对跨路管母下方的区域。

由于电场云图只能反应电场分布的大致趋势，故选取以下几条对地1.5 m高的研究路径来对电场分布趋势进行准确分析，路径与区域的选取如图8所示。路径1处于边相导线（A相）正下方，路径2横穿跨路管母中间区域，分别用于研究边相导线下方纵向走廊和两个HGIS配电装置之间的电场分布情况。两条研究路径上的电场分布曲线如图9和图10所示。

图7 HGIS设备出线间隔对地1.5m处电场分布Fig.7 Distribution of electric field at the outlet of HGIS equipment in the field of 1.5m

从计算结果可知，研究路径上的最大电场强度出现在边相（A相）跨路管母下方的检修通道处，约为6.3 kV/m，小于DL/T 5352-2006中的要求值（10 kV/ m），满足要求。

研究路径上各相跨路管母下方的最大场强数值，如表4所示。

图8 研究路径选取图Fig.8 The diagram of study path

图9 路径1电场分布曲线Fig.9 Electric field distribution curve of path 1

图10 路径2电场分布曲线Fig.10 Electric field distribution curve of path 2

表4 各研究区域的最大电场强度Tab.4 The table of maximum electric field strength of each study area

4.3 母线感应电压计算

两组平行布置的母线，当1组母线停电检修时，作用在该母线上的电磁感应电压有2种类型：1）正常工况下的电磁感应电压：2）瞬时电磁感应电压。前者是由工作母线通过正常工作电流产生作用，是长期的，后者是当工作母线发生三相或单相接地短路故障造成的，其作用是瞬时的。接地开关的配置需要满足当发生瞬时感应时，确保检修母线上工作人员的人身安全。根据《电力工程电气设计手册》[5]中相关公式的计算结果如表5～8所示。

表5 长期电磁感应电压下最大接地开关距离Tab.5 Distance of maximum ground switch under longterm electromagnetic induction voltage

表6 短路电流30 kA时最大接地开关距离Tab.6 The distance of maximum ground switch for short circuit current 30 kA

表7 短路电流50 kA时最大接地开关距离Tab.7 The distance of maximum ground switch for short circuit current 50 kA

表8 开关切断时间0.5 s时不同短路电流的最小安装间距Tab.8 Minimum installation distance of different short circuit current when switching off time is 0.5 s

从以上计算结果，可以得到以下接地开关的配置原则：

（1）当母线短路电流为18 kA时，考虑到断路器切除三相、单相短路故障所需的时间，母线接地开关只需要安装1个就能满足要求，且接地刀开关可以放置在母线上任意位置处。

（2）当母线短路电流为20 kA时，母线接地开关安装一个就能满足要求，接地开关距离母线端部的距离不超过66.1 m。

（3）当母线短路电流为30 kA时，母线接地开关安装一个就能满足要求，如若考虑到断路器的切断时间为0.2 s，则接地开关距离母线端部不超过69.7 m；如若考虑到断路器的切断时间为0.5 s，则接地开关距离母线端部不超过44.1 m。

（4）当母线短路电流为50 kA时，分为以下三种情况：a.断路器的切断时间如若为0.1 s，则母线接地开关只需安装一个即可，且接地开关距离母线端部不超过59.1 m；b.断路器的切断时间若为0.15 s，则母线接地开关只需安装一个，距离母线端部不超过48.3 m；c.当断路器的切断时间为0.2 s时，母线接地开关只需安装一个，距离母线端部不超过41.8 m；d.当断路器的切断时间为0.5 s时，必须安装两个接地开关才能符合要求，两接地开关的安装间距不超过52.9 m，且距离母线端部的距离不超过26.4 m。

5 结语

本文在广泛调研的基础上，经系统优化，提出了一种220 kV小型化HGIS配电装置，新方案有如下特点。

（1）与国网公司通用设计方案相比，优化效果显著,其中纵向尺寸节省33%，占地面积节省35%。（2）经仿真研究，采取优化措施后，新方案满足相关标准规程的各项要求：a.取消主变进线避雷器，保留母线和线路避雷器，各设备过电压水平均在设备绝缘水平的裕度内；b.配电装置空间电场强度最大值在各相跨路管母下方，仿真值约为6.3 kV/m，满足国家标准；c.接地开关应根据系统短路电流情况灵活配置，当短路电流不超过30 kA时，每组母线配1组接地开关即可满足检修安全要求。

（References）

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LIU Zhenya.The general design of SGCC power transmission project[M].Beijing： China Electric Power Press,2011.

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SHEN Ting.Problems to be noticed in the use of HGIS equipment in Substation[J].Electric Power Construction,2008(10)：98.

[5]水利电力西北电力设计院.电力工程电气设计手册[M].北京：中国电力出版社，1989.

Northwest Electric Power Design Institute of water conservancyand electric power.Electricalengi⁃neering design manual[M].Beijing：China Electric Power Press,1989.

Research on the Compact Layout of Miniaturized 220 kV HGIS Equipment

YANG Guang1，FU Lei1，ZHU Ke2，CHENG Zihao1，ZHOU Shengzhi1
(1.Hubei Electric Engineering Corporation，Wuhan Hubei 430040，China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan Hubei 430077，China)

Aiming at the application status and functional characteristics of hybrid gas insulation switchgear(HGIS),a form of 220 kV compact power distribution device based on miniaturized HGIS equipment is proposed in this paper,and the optimization ideas and benefits of the power distribu⁃tion device are introduced.The power distribution device is verified through simulation in the light⁃ning invasion wave,the space electric field intensity,the technical rationality of bus voltage induc⁃tion and so on,which provides the basis for the application of the power distribution equipment.

miniaturized;hybrid gas insulation switchgear(HGIS);compact layout;lightning inva⁃sion wave;the space electric field;the technical rationality of bus voltage

TM642;TM862

A

1006-3986(2016)07-0006-07

10.19308/j.hep.2016.07.002

2016-06-05

杨 洸（1986），男，湖北京山人，工程师。