大中型水電站高壓配電裝置設(shè)計(jì)

大中型水電站高壓配電裝置設(shè)計(jì)

摘要：在總結(jié)分析我國大中型水電站高壓配電裝置設(shè)備型式選擇與布置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，并提出了大中型水電站高壓配電裝置設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程外，還應(yīng)與高壓斷路器開關(guān)設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展水平、電力工業(yè)發(fā)展水平、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、社會(huì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)。

關(guān)鍵詞：高壓配電裝置；選型設(shè)計(jì)；斷路器；大中型水電站1前言

高壓配電裝置設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)涉及的范圍較廣，本文所述大中型水電站高壓配電裝置設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)，主要指220kV至500kV電壓等級(jí)的大中型水電站的變電站或開關(guān)站的高壓配電裝置設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)。它是水電站電氣設(shè)計(jì)的重要部分。因?yàn)楦邏号潆娧b置設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)，不僅直接關(guān)系到電氣主接線設(shè)計(jì)，而且對(duì)樞紐布置、廠房布置、電站投入運(yùn)行后的運(yùn)行維護(hù)管理、環(huán)境保護(hù)和水土保持等有著較大的影響。另外，高壓配電裝置作為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)不僅對(duì)電站本身且對(duì)電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也起著十分重要的作用。因此，這不僅是一項(xiàng)技術(shù)含量高、涉及范圍較廣的重要設(shè)計(jì)工作，同時(shí)也是衡量電氣專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

我國大中型水電站建設(shè)進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，發(fā)展非常迅速。目前，除即將發(fā)電的世界最大的三峽特大型水電站外，已建成發(fā)電的超大型水電站主要有白山、萬家寨、小浪底、丹江口、葛洲壩、劉家峽、龍羊峽、二灘、巖灘等18座。這18座超大型水電站的高壓配電裝置設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)，按設(shè)備型式劃分主要有SW系列少油斷路器、KW系列空氣斷路器、LW系列SF6斷路器和氣體絕緣金屬封閉式電器（GIS）；按布置型式劃分主要有戶內(nèi)（包括洞室內(nèi)）低式、戶外中式、戶外高式布置（詳見表1）。由表1可知，按電壓等級(jí)統(tǒng)計(jì)，其220kV電壓采用開敞式的有7座，占58％；采用GIS的有5座，占42％。330kV電壓和500kV電壓采用開敞式的有5座，占38％；采用GIS的有8座，占62％。而按電站數(shù)量統(tǒng)計(jì)，在18座超大型水電站中，采用開敞式的和采用GIS的各有9座，各占50％。按年代劃分，80年代前或80年代初期采用SW系列少油斷路器和KW系列空氣斷路器，基本上是采用開敞式。到80年代后期，特別是進(jìn)入到90年代后基本采用LW系列SF6斷路器以及GIS，而到90年代后期開始到進(jìn)入2000年后采用GIS比例在不斷增大。如水利系統(tǒng)近期開工建設(shè)的4座大型水利樞紐工程（紫坪鋪、百色、尼爾基、沙坡頭）中，有3座電站的高壓配電裝置采用GIS。通過對(duì)國內(nèi)大中型電站高壓配電裝置設(shè)備選型和布置設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)分析可知，水電站的高壓配電裝置型式的選擇與布置設(shè)計(jì)，除應(yīng)滿足《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》、《變電所設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》等有關(guān)規(guī)程外，主要取決于以下因素：高壓斷路器等主要開關(guān)設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展水平；電力工業(yè)的發(fā)展水平；國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平；社會(huì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。下面從以上四個(gè)方面，對(duì)水電站的高壓配電裝置型式的選擇與布置設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。2高壓斷路器等制造水平的影響

我國高壓斷路器設(shè)備制造技術(shù)可分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段為20世紀(jì)70年代以前。高壓斷路器主要產(chǎn)品有SW系列少油斷路器、KW系列空氣斷路器。這時(shí)的主要產(chǎn)品為研制使用期，110kVSW系列少油斷路器是雙斷口（單瓷柱羊角式），220kVSW系列少油斷路器是四斷口（雙瓷柱羊角式），實(shí)際上是將二柱110kVSW系列雙斷口少油斷路器串接起來使用。而KW系列空氣斷路器除絕緣和滅弧介質(zhì)與少油斷路器不同外，其外型基本與SW系列少油斷路器相似，只是斷口和瓷瓶支柱是坐在空氣罐上。其110kVKW系列空氣斷路器是雙斷口（單瓷柱羊角式），220kVKW系列空氣斷路器是四斷口（雙瓷柱羊角式），330kVKW系列空氣斷路器是六斷口（三瓷柱羊角式）。這一時(shí)期的設(shè)備制造技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量總體上不高，特別是220kV以上電壓等級(jí)的產(chǎn)品質(zhì)量問題較多。

第二個(gè)階段為70年代到80年代初期。高壓斷路器主要產(chǎn)品仍然是SW系列少油斷路器、KW系列空氣斷路器，但經(jīng)過研制改進(jìn)，設(shè)備制造技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量總體上有了很大的提高。特別是到了80年代初期后，這一代產(chǎn)品的設(shè)備制造技術(shù)基本成熟，產(chǎn)品質(zhì)量基本穩(wěn)定。220kVSW系列少油斷路器與KW系列空氣斷路器也發(fā)展為單瓷柱雙斷口（單瓷柱羊角式）式。但這一代產(chǎn)品的總體設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)不高，如額定開斷容量小、檢修周期短等。

第三個(gè)階段為80年代初期至今。這一時(shí)期主要是引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行合作生產(chǎn)。如平頂山高壓開關(guān)廠與法國梅林公司合作生產(chǎn)的LW6系列SF6斷路器，西安高壓開關(guān)廠與日本三菱公司合作生產(chǎn)SFM和SFMT系列SF6斷路器，沈陽高壓開關(guān)廠與日本的日立公司合作生產(chǎn)LW11、LW12系列SF6斷路器等。高壓斷路器設(shè)備制造技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。產(chǎn)品主要為LW系列SF6開敞式斷路器和氣體絕緣金屬封閉式電器。通過國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，在高壓斷路器制造技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，大大縮小了國內(nèi)外之間的差距，高壓斷路器產(chǎn)品的總體設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量得到很大的提高。

我國水電站的高壓配電裝置型式的選擇與布置設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展基本上與國內(nèi)的高壓斷路器產(chǎn)品的設(shè)備技術(shù)發(fā)展相一致，也經(jīng)歷了這樣三個(gè)發(fā)展階段，如70年代以前的豐滿、丹江口、劉家峽電站，80年代初期的白山、葛洲壩電站及進(jìn)入80年代中期后的龍羊峽、水口、巖灘、五強(qiáng)溪、天生橋二級(jí)、漫灣、李家峽、萬家寨、二灘、小浪底電站等。在這18座超大型水電站的高壓配電裝置設(shè)備型式中，對(duì)80年代初期以前的設(shè)備產(chǎn)品都先后進(jìn)行了更換，目前基本上是90年代后生產(chǎn)的LW系列SF6開敞式斷路器和GIS?？梢姡娬镜母邏号潆娧b置設(shè)備型式的選擇設(shè)計(jì)是與高壓斷路器制造技術(shù)發(fā)展水平緊密相關(guān)的。3電力工業(yè)發(fā)展水平的影響

由于大中型水電站的高壓配電裝置不僅是電站自身的主要部分，同時(shí)也是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，因此水電站高壓配電裝置型式的選擇與布置設(shè)計(jì)與電力系統(tǒng)基本狀況和要求密切相關(guān)。90年代前，我國電力系統(tǒng)在發(fā)電與用電關(guān)系上，長期處于供不應(yīng)求，供需矛盾十分突出。在電源與電網(wǎng)建設(shè)上，電網(wǎng)建設(shè)大大滯后于電源建設(shè)。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比08較薄弱。為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，對(duì)水電站高壓配電裝置型式的選擇與布置的設(shè)計(jì)，要求有很高的可靠性和靈活性。如規(guī)程中要求斷路器故障或檢修不應(yīng)影響電站的電力送出；接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程中的N＋1原則。進(jìn)入90年代中期電力供需基本平衡。而進(jìn)入21世紀(jì)后，由于電源建設(shè)的快速發(fā)展，我國工業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，電力需求的下降，電力供需關(guān)系總體上發(fā)生了變化，大多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)了供過于求的狀況。截至到2001年底我國水電裝機(jī)容量已達(dá)到7700萬kW，占全國總發(fā)電容量的22．7％，水電裝機(jī)容量是建國初期1949年的二百多倍。目前，已建成或在建、規(guī)劃建設(shè)的水電裝機(jī)容量均位居世界首位。由于電網(wǎng)容量的快速增長，電力供需關(guān)系的變化，某一電站或某臺(tái)大容量機(jī)組的停機(jī)或檢修，對(duì)電力系統(tǒng)的影響程度與過去相比要小得多。因此，水電站高壓配電裝置型式的選擇與布置設(shè)計(jì)的基本條件也相應(yīng)發(fā)生了變化。高壓配電裝置設(shè)計(jì)將伴同電氣主接線的簡(jiǎn)化而簡(jiǎn)化，未來設(shè)計(jì)將向著可靠、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、適用的方向發(fā)展。4國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響

作為基本建設(shè)工程中的重要部分———水利水電工程，其設(shè)計(jì)必須與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展所處的歷史階段和發(fā)展方向相適應(yīng)。要有時(shí)空觀念，要因時(shí)而宜，因地而宜。在不同的國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展時(shí)期或在同一時(shí)期的不同地區(qū)，要有不同的設(shè)計(jì)思想。如在國民經(jīng)濟(jì)困難時(shí)期，由于建設(shè)資金不足，設(shè)計(jì)上不得不因陋就簡(jiǎn)，盡可能地壓縮投資。工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，工程投入運(yùn)行后，甚至是投入不久就開始更新改造，結(jié)果是低投入、低產(chǎn)出，高能耗、高運(yùn)營費(fèi)。在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，建設(shè)資金相對(duì)較為充足，而時(shí)間緊迫，設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)方案沒有經(jīng)過全面充分、深入的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證，設(shè)計(jì)上易出現(xiàn)保守浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，對(duì)高壓配電裝置設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)，一方面設(shè)計(jì)要與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)，另一方面又要體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)先進(jìn)性，兩者應(yīng)有機(jī)地結(jié)合起來。5社會(huì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的影響

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)社會(huì)的需求已不僅限于吃、穿、住、行等物質(zhì)上的消費(fèi)和占有支配權(quán)，對(duì)其工作環(huán)境的安全性、健康保障性和舒適性的要求也在不斷提高。人們?cè)诠ぷ鳝h(huán)境的安全性、健康保障性得到基本保障后，不斷地追求工作環(huán)境的舒適性。在高壓配電裝置設(shè)計(jì)要求方面，主要體現(xiàn)在要盡可能減少運(yùn)行工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境和工作條件，如以電動(dòng)操作代替手動(dòng)操作、以遠(yuǎn)方操作代替現(xiàn)場(chǎng)操作、以室內(nèi)操作代替室外操作、以自動(dòng)巡檢代替人工巡檢。在運(yùn)行維護(hù)方面，操作越簡(jiǎn)單越好、運(yùn)行維護(hù)工作量越少越好、檢修周期越長越好。

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，以及對(duì)社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展的要求，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和水土保持方面的重要性認(rèn)識(shí)和要求也在不斷提高。因此，高壓配電裝置設(shè)備型式的選擇與布置設(shè)計(jì)，還要滿足環(huán)境保護(hù)和水土保持方面的有關(guān)要求。如在高壓配電裝置設(shè)備型式的選擇與布置方案比較設(shè)計(jì)中，要充分考慮環(huán)境和水土保持方面的影響因素。在方案經(jīng)濟(jì)比較中，要計(jì)入高壓配電裝置的占地費(fèi)、水土保持費(fèi)及綠化費(fèi)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在水利水電行業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使水電站的電氣技術(shù)邁入新的時(shí)代。它不僅可確保和提高電站的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的程度，極大地改善運(yùn)行工作人員的工作環(huán)境和工作條件，同時(shí)也推動(dòng)促進(jìn)了高壓配電裝置的設(shè)計(jì)的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)大中型水電站的無人值班少人值守的要求。在高壓配電裝置的設(shè)計(jì)要求上主要體現(xiàn)在：設(shè)計(jì)要盡可能的簡(jiǎn)單化；與電氣主接線設(shè)計(jì)相結(jié)合盡可能簡(jiǎn)化接線。以高可靠性的技術(shù)性能和產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)秀的設(shè)備來簡(jiǎn)化接線方式。當(dāng)高壓配電裝置的設(shè)計(jì)選擇GIS組合電器時(shí)，可適當(dāng)簡(jiǎn)化接線。如在進(jìn)出線回路數(shù)不是很多的情況下，選擇高可靠性的技術(shù)性能和產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)秀的斷路器，可以取消旁路母線或分段斷路器等。高壓配電裝置的設(shè)計(jì)要有利于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施。如開關(guān)站的位置選擇應(yīng)盡可能不要離控制室太遠(yuǎn)，戶內(nèi)與戶外型式相比較盡可能選擇戶內(nèi)型，高式與中式布