2017, Vol. 35 
高新500 kV变电站位于内蒙古自治区包头市昆都仑区，于2004年1月建成投运。该站几经扩建和改造，本期工程再次扩建时新征用地非常困难，因此本次设计难点是尽量少征或不征地。本文提出扩建主变压器设计中采用HGIS (混合式气体绝缘金属封闭开关设备) 和GIL (气体绝缘金属封闭输电线路) 等紧凑型设备的方案，以节约设备占地，避免新增用地，最终促成工程顺利实施[1]。设计经验可供同类型工程设计时参考。
1 高新500 kV变电站现状高新500 kV变电站最初规划750 MVA主变压器3组，500 kV出线6回，220 kV出线14回。经过扩建包钢81号变电站出线，2号—4号主变压器等工程后，目前已突破原规划，建设750 MVA主变压器4组。4组主变压器的500 kV进线方式依次为：1号、2号主变压器低架横穿进串；3号主变压器经断路器接入500 kV 2号母线；4号主变压器低支接入4号主变—备用 (出线) 串，该串为突破500 kV配电装置原规模而建设，因此500 kV配电装置远期规模改为7回出线。500 kV配电装置现已建成出线6回，分别为河西电厂2回、响沙湾变电站2回、梅力更变电站2回，采用一个半断路器接线。220 kV配电装置远期规划改为16回出线，现已建设出线15回，分别为全巴图变电站3回、包钢81号变电站2回、张家营变电站1回、昆和变电站1回、包南牵引站2回、希望1站2回、发展变电站2回、麻池变电站2回；形成2个系列，分别为1号、2号主变压器，采用双母线接线；3号、4号主变压器，采用双母线接线。
2 高新5号主变压器扩建及220 kV母线分段改造工程概况高新500 kV变电站220 kV侧接带的希望铝业变电站双回通过希望一站—高新、发展变—高新各2回220 kV线路，由高新500 kV变电站3号、4号主变压器供电。高新变电站3号、4号主变压器220 kV侧与1号、2号主变压器分列运行，正常方式下，与系统无其他联络运行方式。高新500 kV变电站出线如图 1所示。
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图 1 高新500 kV变电站出线示意图 |
本期高新500 kV变电站5号主变压器扩建工程扩建1组容量 (3×250 MVA) 主变压器；主变压器低压侧装设1组60 Mvar低压电容器，并预留3组低压无功补偿位置；对220 kV侧Ⅲ段、Ⅳ段母线进行改造，在其中一段母线上增设分段开关，形成双母线单分段接线。
3 扩建设计方案分析本扩建工程工作量较大，点多面广，设计需要重点考虑的环节有以下几点：
(1) 5号主变压器布置位置；
(2) 5号主变压器500 kV进线方式；
(3) 220 kV母线分段改造方案；
(4) 5号主变压器220 kV进线方式；
(5) 站用电系统改造。
本文根据上述设计要点进行不同设计方案比选。考虑到该变电站征地困难，减少或避免因扩建5号主变压器和220 kV母线改造带来的新增用地是本工程设计时需要重点解决的问题。
3.1 5号主变压器布置方案变电站原来规划装设3组容量 (3×250 MVA) 单相自耦主变压器。2010年在扩建3号、4号主变压器工程中，由于4号主变压器突破了原规划，该工程拆除了东侧围墙，将4号主变压器布置在扩建后的站区东侧，4号主变压器500 kV进线采用支柱绝缘子支持软母线，向南穿过500 kV配电装置与500 kV线路终端塔之间的空隙，接入500 kV配电装置最南端的一串。如图 2所示，前几次扩建工程主变压器及无功补偿区域、500 kV配电装置区域和220 kV配电装置区域都新征了扩建用地。对于本次5号主变压器扩建工程来说，5号主变压器布置的落点关系着能否达到不征地的预期目的。
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图 2 高新500 kV变电站电气总平面图 |
考虑到本站梅力更 (原包头北) 变电站500 kV出线间隔的线路高压并列电抗器已退出运行，站区500 kV配电装置西侧有约5600 m2的空地 (图 2虚线框内区域)，可以利用这块空地布置5号主变压器及其低压侧接带的无功补偿装置。5号主变压器和低压无功补偿装置均按照南北方向一字排列，主变压器500 kV侧紧邻500 kV配电装置，可以满足直接接入1号母线的要求。
3.1.2 其他方案及存在问题(1) 按照常规设计思路，可将本期扩建的5号主变压器布置在4号主变压器的东侧。如果按照这个思路扩建，存在2个问题。首先由于4号主变压器及其500 kV支持软母线低钻进线与线路终端塔的距离非常近，5号主变压器扩建的500 kV引线从这个路径通过时，需要改造线路终端塔，将造成河西电厂双回和响沙湾变电站双回500 kV线路长时间停电。其次，5号主变压器的接入需在500 kV配电装置南端再扩建1串，需向南再征地长度为36 m。对该变电站来说，改造500 kV线路停电和新征用地基本上都无法实现。
(2) 从总平面情况看，在500 kV配电装置南侧另辟1块地域作为主变压器及无功补偿装置的布置区域。该方案虽然技术上可行，但需要大面积征地，对本工程来说，也无法实施。
综上所述，从技术可行性和方便实施的角度考虑，推荐方案更为合理。
3.2 220 kV母线改造方案高新500 kV变电站220 kV配电装置原规划规模为远期14回出线、3台主变压器，后期扩建时规模调整为远期16回出线、4台主变压器；截止到本工程实施前已建15回出线、4台主变压器，形成2个独立的双母线接线。本期工程220 kV配电装置的建设任务有以下几点：
(1) 在原220 kV Ⅲ段母线上增加分段断路器，使3号、4号主变压器的220 kV屋外配电装置形成双母线单分段接线；
(2) 增设因设置母线分段而相应增加的母联间隔1个；
(3) 增设因设置母线分段而相应增加的母线设备 (TV避雷器) 间隔1个；
(4) 增设5号主变压器进线间隔1个；
(5) 建设5号主变压器220 kV侧主变压器进线的引线。
该部分的设计难点也是新增间隔的征地问题，因为要增加分段、母联、母线设备、主变压器进线4个间隔，通常应至少扩建4个间隔的位置，沿母线方向扩建长度约40 m (新征地2700 m2)。为了不增加新征用地，只能考虑充分利用原有空间隔或改造现有间隔以满足本期工程在原站内完成扩建4个间隔的要求。
经过反复论证，本工程220 kV配电装置改造方案为：本期220 kV扩建的5号主变压器进线间隔占用全巴图变电站Ⅱ出线间隔和包钢81号变电站Ⅱ出线间隔之间的原有空间隔，采用GIL和GIS (气体绝缘金属封闭开关设备) 设备接入Ⅰ、Ⅱ母[2]；改造原Ⅲ、Ⅳ母母联间隔为Ⅲ母母线TV兼Ⅲ、Ⅳ母母联间隔；改造原备用分段间隔为Ⅴ母TV兼Ⅴ、Ⅳ母母联间隔；改造原TV间隔为Ⅳ母母线TV兼分段间隔；本期将2号主变压器间隔和包南牵引站Ⅰ出线间隔之间的2组母线联通，将Ⅰ、Ⅱ母母联间隔和原备用分段间隔之间的2组母线断开；形成2个系列，分别为：1号、5号主变压器一个系列，采用双母线接线；2号、3号、4号主变压器为一个系列，采用双母线单分段接线。220 kV母线改造前后的220 kV电气接线如图 3、图 4所示。本次220 kV母线改造方案满足工程需求，并且不必新征用地。
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图 3 母线改造前220 kV电气接线 |
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图 4 母线改造后220 kV电气接线 |
本期工程500 kV主变压器进线方案为不进串直接接入1号母线，因此从电气接线方面考虑，500kV配电装置只需建设1台断路器。然而，由于新扩建的5号主变压器布置位置的限制，本期的主变压器500 kV进线只能利用河西电厂Ⅰ出线间隔的外侧接入1号母线，并且不能破坏河西电厂Ⅰ—2号主变压器串的原有接线形式。由于受布置空间限制，5号主变压器进线最终方案确定为直接接入1号母线，并将河西电厂Ⅰ—2号主变压器串内边断路器改造为HGIS设备[3]；扩建后500 kV出线仍为7回，接线仍采用一个半断路器接线。本期500 kV侧共建设2台断路器 (其中1台为改造原串内断路器)。改造前后的河西电厂Ⅰ—2号主变压器串断面图如图 5、图 6所示。
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图 5 河西电厂Ⅰ—2号主变压器串断面图 |
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图 6 5号主变压器—河西电厂Ⅰ—2号主变压器串断面图 |
本站站用电系统已建成3台容量为1000 kVA的站用变压器。由于本期工程突破规模，新增了站用电负荷，需将原有的3台站用变压器更换为3台容量1600 kVA的站用变压器，同时更换进线、分段等5面站用电屏内断路器以及所有柜体内的母线。由于原来的站用变压器容量较小，更换后的站用变压器有可能超出现有站用变压器基础尺寸和安装空间。为避免将来出现安装问题，在技术规范书中附上站用变压器基础和外形尺寸的要求，对关键尺寸和重要技术参数要求做出明确规定。更换屏内断路器相对简单，只需将原有进线、分段屏内的断路器更换为额定电流较大的断路器即可。更换柜体内母线比较复杂，将柜内母线更换为更大截面的母线需要长时间停电，因此，对站用电系统的改造需要充分做好施工组织方案。
4.2 GIL母线的应用本工程5号主变压器220 kV侧套管距离220 kV配电装置5号主变压器进线间隔大约110 m，中间要穿过主建筑与西围墙之间的狭小空间。220 kV主变压器引线可考虑的方案有3种。
(1) 采用常规架空导线方式。采用该方式虽然与本站其他主变压器的进线方式一致，且费用较低，但由于本站围墙内没有裸导体架空通过的走廊，需拆除围墙建设2~3门进线架构或者在围墙外建设转角塔用于架设架空导线，仍然存在征地的问题，因此不可行。
(2) 采用220 kV电缆方式。由于主变压器220 kV侧电流较大，电缆截面需要达到2500 mm2左右，相应生产工艺和运行经验都比较少，同时电缆头是电力系统事故率较高的设备，用于主变压器进线不合理，因此不建议采用该方案。
(3) 采用GIL方式。GIL是采用SF6气体绝缘，外壳与导体同轴布置圆柱形结构电力传输设备。具有可靠性高、传输能力强、损耗低、便于安装等优点，适合于长距离、大容量、输电走廊受限的场所。GIL为静态设备，大修周期设计为30 a，安全可靠。采用GIL方式不但解决了本工程220 kV进线走廊不足、向站外征地困难的问题，而且采用了技术上更为可靠的设备，方案实施相对简单[4]。
综合分析以上3个方案，采用GIL作为5号主变压器220 kV引线更为合理。
GIL安装方式多样，一般可采用地面、沟道、竖井、隧道或直接掩埋等敷设方式。考虑变电站的实际情况，本工程GIL主要采用地面敷设，遇站内道路采用沟道敷设的方式。安装时GIL基础沉降问题应是重点考虑的因素。GIL的弯管段为焊接件，可以压伸，每百米允许土建误差小于100 mm，GIL支架上的地脚螺栓在安装时还能根据土建具体情况吸收100 mm/百米的土建误差。因此GIL对土建基础的要求相比较GIS要宽松。另外，本工程220 kVGIL沿站区西侧围墙敷设，为躲避围墙基础和地下设施，必要的时候要拆掉部分西围墙或移除部分地下设施。
5 结语高新500 kV变电站经过本次工程的扩建，主变压器规模将达到5组，通过对不同设计方案的比选优化[5]，达到了工程设想的技术要求，同时做到了零征地，保证工程能够顺利实施。
GIL的使用在蒙西电网内具有较强的示范作用。本工程GIL与主变压器和220 kV GIS设备的接口均采用软导线连接。对于GIL与其他设备的对接问题，可以在下一步工程持续改进，尽量做到GIL与主变压器和220 kV GIS设备直接对接，减少中间环节[6]。
| [1] | 黄裕文, 梁汉城, 廖怀东. 新建、扩建或改造变电站时电气施工中若干注意事项[J]. 电世界, 2006(12): 30–33. |
| [2] | 姚明, 卢波. 气体绝缘全封闭组合式设备 (GIS) 在上海电网中的应用及其展望[J]. 华东电力, 2006(4): 51–53. |
| [3] | 傅旭华. 组合式高压电器 (HGIS) 的特点浅析[J]. 浙江电力, 2006(3): 67–68. |
| [4] | 杨琪. GIL与GIS母线的结构特点与应用[J]. 高压电器, 2011(8): 72–74. |
| [5] | 侯国柱, 庞春, 费雪萍, 等. 500 kV变电站配电装置平面布置设计优化[J]. 内蒙古电力技术, 2011, 29(6): 47–49. |
| [6] | 刘盛, 周志超, 钱锋, 等. 主变压器与GIS的GIL连接方案分析[J]. 电力建设, 2012(6): 27–29. |