毛毳閩，付 磊，宋 昭，馬 吉，李聲威,2

(1.湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢430000；2.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢430000)

氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear，GIS）采用SF6氣體作為絕緣介質，將斷路器、母線、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管等高壓電器密封在接地金屬筒中，具有可靠性高、維護工作量少、檢修周期長的特點。20世紀60年代中期美國制造了第一套GIS設備，高壓電器由此發(fā)生了質的飛躍，世界各地電力部門開始注重GIS設備的研究[1]。此后幾十年，GIS設備迅速發(fā)展，歐洲、美洲、中東的電力公司都規(guī)定配電裝置要用GIS設備，在亞洲、非洲、澳洲的發(fā)達國家也大規(guī)模使用GIS設備。我國GIS的發(fā)展始于20世紀60年代末，為提高GIS設備的生產制造水平，我國積極引進了國外先進的技術，經過不斷的學習與吸收，20世紀80年代中期GIS設備全部實現了國產化[2]。

目前我國電網工程的建設持續(xù)發(fā)展，投資重點已逐步轉向電網智能化以及配電網建設。在配電網中高壓配電裝置是關鍵組成部分，由于GIS配電裝置相比于敞開式開關設備（air insulated switchgear，AIS）具有占地面積小、維護周期長、可靠性高、環(huán)境適應性強等特點，已經被廣泛應用于智能變電站中。據報告預測2021年我國GIS設備的數量將達到28000個，GIS配電裝置越來越受到電網企業(yè)的青睞[3]。隨著GIS設備在城郊區(qū)域大量應用，對其與周邊環(huán)境規(guī)劃匹配性和建設成本提出了更高的要求，因此本文設計了一種戶內GIS單層布置改進方案，將主變、10 kV室及GIS室三列布置，并將出線TV、避雷器、電纜倉布置于GIS室外以降低建筑物高度和節(jié)約成本，該方法既可以保證GIS的可靠性和穩(wěn)定性，又能大大降低建設成本，在城郊區(qū)域具有廣泛的實際推廣價值。

1 城郊變電站GIS發(fā)展趨勢

由于社會經濟水平的提高以及城市化進程的快速發(fā)展，城市周邊的郊區(qū)大部分被規(guī)劃為開發(fā)區(qū)或新城區(qū)。在這些地區(qū)建設變電站不僅要滿足運行安全可靠，還要滿足城市規(guī)劃發(fā)展和環(huán)境評估等要求。另外，由于城郊區(qū)征地價格連年攀升導致變電站占地面積減小，變電站的出線條件往往受城市規(guī)劃影響導致通道走廊狹窄。常規(guī)GIS設備的布置方案一般分為戶內型和戶外型，戶內型GIS方案將絕緣組合電器等相關設備安裝在室內，而戶外型GIS方案則將開關設備安裝在戶外，為了提高設備的安全性而增加相關的防雨和防塵措施。兩種類型的GIS變電站由于建筑物的作用具有不同的特點，二者的主要區(qū)別如下：戶內GIS變電站相對于戶外GIS變電站土建費用高、建設周期長、檢修次數少、占地面積小、抗腐蝕性強。為了適應城市規(guī)劃的要求和配合城市的長期規(guī)劃，戶內型GIS變電站設備布置于室內，沒有明顯的工業(yè)設施特征而更有利于變電站融入城市環(huán)境，且受環(huán)境因素影響小，能夠更加穩(wěn)定可靠地運行。建設成本是戶內型GIS變電站需要考慮的重要因素，由于比戶外型GIS變電站需要更多的建筑施工，由此帶來的建設成本約占總成本的35.3%[4]。隨著變電站裝配化水平和機械化施工水平的不斷提升，戶內型GIS方案的土建費用越來越低，與戶外型GIS方案的施工工期差距也在逐漸減小，因此城郊變電站越來越傾向于采用受環(huán)境因素影響小的戶內型GIS方案。在出線配置方面，由于出線受阻和通道走廊狹窄，采用架空出線對城市規(guī)劃與市政景觀產生較大影響，因此多采用全電纜出線。實際工程應用中，因為戶內型GIS變電站占地面積小、設備布置靈活、受環(huán)境因素影響小等特點，目前城郊變電站布置方案的趨勢為采用戶內型GIS配電裝置與全電纜出線。

2 常規(guī)戶內型GIS布置方案

變電站的GIS布置方案一般分為雙層布置和單層布置，以220 kV的城郊變電站為例，雙層布置方案通常將無功功率補償室與10 kV室布置于第一層，GIS設備布置于第二層，通過第一層的電纜夾間向下引線至電纜夾層出線，主變壓器中壓側采用電纜進線，高壓側通過架空線連接，其布置方案如圖1所示。

圖1 雙層戶內變電站變壓器進線布置斷面

單層布置將GIS室、10 kV室和主變壓器室按順序三列布置于第一層，10 kV室左側和GIS室靠近變壓器一側區(qū)域設置電纜夾層，主變壓器高壓、中壓側采用電纜進線，其布置方案如圖2所示。

圖2 單層戶內變電站變壓器進線布置斷面

兩種布置方案有著各自的優(yōu)缺點，其中雙層布置方案的主要優(yōu)點是建筑物占地面積小，主變壓器高壓側可以采用架空線連接，但其也存在如下不足之處：需要設置樓梯、電纜夾間等輔助設施，不僅使得建筑面積增加，且不便于布置設備和電纜；需要設置消防登高面和室內專用消防通道以滿足消防要求，進一步增加了建筑面積和占地面積；GIS設備布置于第二層，由于開關設備的重量較大，需要對第二層的承重進行加固，增加了建筑成本。

對于單層布置方案，其主要優(yōu)點在于省去了樓梯、電纜夾間、消防登高面等輔助設施，不僅縮短了設備連接之間的電纜長度，還因GIS設備布置于一層而降低了建筑物的結構成本。單層布置方案主要不足之處如下：單層布置方案的占地面積比雙層布置方案更大；單層布置方案的電纜通道規(guī)劃比雙層布置方案更復雜；單層布置方案的防火隔離措施比雙層布置方案更復雜。

對于戶內GIS設備的布置方式，還需要考慮耐壓試驗的帶電距離。工程中一般通過兩種方法進行耐壓試驗：一種方法是增加GIS室層高從而在戶內試驗；另一種方法為通過氣體絕緣輸電線（gas insulated transmission line，GIL）分支母線引出戶外試驗。由于第二種方法使用的GIL分支母線必須由GIS廠家提供，帶有GIL分支母線的GIS設備價格高于常規(guī)GIS設備，其導致整個變電站成本增加。GIL只在耐壓試驗時使用，由于利用率較低而通常被設計單位放棄，因此戶內GIS室的耐壓試驗一般采用第一種方法實現。然而，增加GIS室層高進行戶內耐壓試驗也存在如下不足之處：對于雙層布置方案，該方案將使建筑物整體高度超過15 m，需要設置消防登高面從而導致占地面積隨之增加；對于單層布置方案，8.5 m高的GIS室和5 m高的10 kV室不匹配，影響建筑物整體一致性；無論是單層配置還是雙層配置，增加層高都增加了建筑物體積和土建工程量。

3 戶內型GIS變電站優(yōu)化設計

結合上述戶內型GIS單層和雙層布置方案的各種優(yōu)缺點，本文從耐壓試驗和電纜倉布置兩方面綜合考慮，設計了一種適用于城郊區(qū)域變電站的單層戶內型GIS電纜艙戶外布置方案。

3.1 優(yōu)化方案

在單層戶內型GIS變電站中，為了進行耐壓試驗而需要增加建筑層高。圖3為220 kV變電站單層布置時結構示意圖，從圖中可知耐壓套管的安全距離為1.8 m，在進行母線電纜倉耐壓試驗時，加上套管自身高度則要求最大室內凈空高度為8.5 m。增加GIS設備室高度不僅增加了建設成本，還導致單層并列的10 kV室與GIS室高度不協調，影響整體的城市規(guī)劃。

圖3 戶內型單層GIS設備戶內耐壓試驗布置圖

為了降低GIS室的層高以節(jié)省建設成本和保持建筑的協調性，本文將電壓互感器罐體、避雷器、電纜艙、出線空氣套管、出線電纜頭等固定設備布置于室外，將GIS母線部分、斷路器機構箱、開關機構箱、連桿、智能組件柜、表計、壓力釋放閥等需要重點防護的設備置于室內，詳細布置如圖4所示。此方案中電纜倉在GIS室圍墻以外，GIS耐壓試驗可在戶外進行，通過GIL分支母線穿墻對單獨間隔進行耐壓試驗從而完成與戶內耐壓試驗相同的測試。出線TV、避雷器連同電纜倉一并戶外布置便于拆卸和試驗，而GIS室建筑物高度僅需滿足GIS設備吊運要求，不需要增加GIL管道等額外試驗設置。從圖4中可知，由于GIS室內設備布置無需考慮耐壓試驗的安全距離，因此GIS室高度依舊為5.5 m，此高度與10 kV室高度一致。相對于單層室內耐壓試驗方案，此方案既能夠減小建筑物的建設成本和縮短建設周期，還能夠確保建筑物整體一致性。由于電纜艙布置于戶外，室內不需要設置電纜夾間和電纜夾層，減少了輔助設施和地下相關設施的建設，尤其是減少了土方開挖量。另外，戶外布置的高壓電纜采用電纜隧道或電纜溝鋪設時，不僅便于電纜規(guī)劃和機械化施工，還避免了與室內其他設施交叉干涉，簡化了站外電纜設施接口。由于高壓電纜布置于戶外，電纜故障時不影響戶內部分，減小了事故范圍，提高了高壓電纜運行安全性。

圖4 戶外型單層GIS設備戶外耐壓試驗布置圖

上述方案中TV、避雷器、電纜倉布置于戶外，設備元件受到氣候環(huán)境的影響出現故障的概率增加，因此整體的運行維護成本隨之增加。另外，由于電纜倉與GIS室墻壁之間需要進行開孔和封堵處理，特別是GIS室裝配式建筑金屬面板開口和接縫處較易生銹，上述戶外電纜倉布置在高寒、高溫、高濕、大風沙等環(huán)境時需要對建筑物采取更復雜的維護措施。由于TV、避雷器設備直接布置在戶外，突兀的外形與周圍的居民區(qū)、廠房不相協調，對整體的市政規(guī)劃造成一定影響，在環(huán)境美觀要求較高的中心區(qū)域則需采用實體圍墻和圍欄等進行遮擋。

3.2 經濟性分析

上述改進方案與單層戶內GIS布置方案相比，在建筑成本、電纜成本等方面具有較大經濟優(yōu)勢，以220 kV變電站為例進行具體分析。

3.2.1 建筑成本分析

由于GIS電纜倉布置不占用戶內空間，此時220 kV變電站GIS室縱向尺寸由12 m減小至10 m，則建筑面積節(jié)約率為16.7%和空間節(jié)約率為46.1%。

根據上述優(yōu)化方案，一座3×180 MVA規(guī)模的220 kV變電站大約減少裝配式建筑面積120 m2，減小建筑物體積360 m3，按照單位成本0.165萬元，節(jié)約投資額度約為60萬元/m3。

3.2.2 輔助設施成本分析

容量為3×180 MVA的220 kV變電站，常規(guī)布置時電纜夾層面積約500 m2，土方量約1500 m3，總建設成本約為150萬元。當按照本方案進行電纜倉外置時，高壓電纜經過電纜隧道出現而無需布置電纜夾層，此時開挖電纜隧道和鋪設輔助設施成本約為70萬元，則優(yōu)化方案節(jié)約輔助設施投資額度約為80萬元。

3.2.3 高壓電纜成本分析

220 kV變電站終期220 kV出線6回，110 kV電壓出線12回，上述改進方案與雙層戶內變電站布置方案相比，每回出線節(jié)約高壓電纜15 m，若電纜價格為0.075萬元/m，則節(jié)約電纜設備投資額度約為20萬元。

綜上所述，如果采用上述電纜倉外置方案進行布置，一座3×180 MVA規(guī)模的220 kV變電站整體投資節(jié)約資金為160萬元。

3.3 可靠性分析

GIS裝置具備維修周期長、檢修次數少、故障率低等優(yōu)點，但若有故障發(fā)生則會造成大面積停電，若大型變電站發(fā)生GIS故障，將會帶來巨大的社會影響和經濟損失，因此確保GIS設備可靠運行是設計過程中需要優(yōu)先考慮的問題。根據國家電網的統計數據，GIS設備元件中斷路器、隔離開關設備和母線部分故障率最高，三者故障分別占整體故障的35.4%、22.4%和15.9%；避雷器、電壓互感器的故障較低，分別占整體故障的0.9%和3.7%；其他故障占整體故障的21.7%[5]。在上述優(yōu)化方案中，母線部分、開關設備和表計等設備布置于室內，工作環(huán)境和運行條件能得到保證，為GIS設備整體穩(wěn)定運行提供了基本保障。優(yōu)化方案中出線空氣套管、出線電纜頭、電壓互感器罐體、避雷器、電纜艙等設備布置于戶外，雖然戶外設備穩(wěn)定性受到環(huán)境因素的影響，但布置于戶外的出線空氣套管在國內外均有大量實施案例，其可靠性能得到保證；另外，GIS設備廠家罐體大部分采用全鋁合金制造，本身已經具有很好的防腐能力，在氣候環(huán)境不太惡劣的地區(qū)仍能可靠運行。

從上述分析可知，本文所提出的改進方案能夠確保GIS系統穩(wěn)定運行，對于諸如空氣污染嚴重、降雨充沛、多酸雨的惡劣運行環(huán)境，則需要采取增加頂棚、遮雨棚以及加裝防雨罩等措施來保護戶外設備免受環(huán)境影響。因此，除了在氣候環(huán)境非常惡劣的地區(qū)，本文提出的優(yōu)化方案能夠保障GIS設備安全和穩(wěn)定運行。

4 結束語

在確保GIS設備安全穩(wěn)定運行的基礎上，本文提出的方案適合應用于城市郊區(qū)、對變電站規(guī)劃用地有一定限制、采用全電纜出線、且氣候環(huán)境條件不太惡劣的變電站。結合城郊區(qū)域規(guī)劃和土地政策，本文所設計的電纜倉外置方案不僅滿足城郊區(qū)域對城市整體外觀的要求，又能夠減小變電站的建筑工程量而降低整體建設成本，具備大規(guī)模推廣應用的前景。