基于大开间理念的220kV全户内变电站布置方案优化

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中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司的研究人员羌丁建、李海烽等，在2018年第4期《电气技术》杂志上撰文，针对常规220kV变电站占地面积和建筑面积大的问题，研究了220kV全户内变电站优化设计方案。

提出“大开间”模块化设计理念，将各级配电装置、二次屏柜等进行模块化设计、组合拼接，同层共室布置，共享运维检修通道，减小建筑面积。采取固定式吊装、耐压试验套管横向布置等措施，有效降低建筑层高。经优化，全站总建筑面积和围墙内占地面积较南方电网标准设计方案分别减少81.4%和38.3%。

随着我国社会经济的快速发展，城市地区用电负荷日益增长，变电站建设越来越深入城市中心地区。如何解决变电站占地面积大、选址困难以及与城市规划之间的矛盾，成为电力建设中的一个难题。因此，有必要针对城市变电站的优化设计展开研究，合理优化布置方案，充分利用有限的土地资源，满足变电站建设与城市总体规划的协调发展[1-2]。

传统的变电站布置方案优化研究主要立足于小型化集成化设备的选用、间隔宽度的合理压缩、设备布置的局部优化等[3-8]。文献[5]通过220kV HGIS配电装置设备布置优化、局部双层出线，有效减少占地面积34%。文献[6-7]研究了集成式隔离断路器在智能变电站中的应用，压缩间隔纵向尺寸。文献[8]提出了220kV GIS风帆联合式出线型式，有效压缩出线间隔宽度。

近年来，装配式设计和建造技术在变电站工程中得到了较为广泛的应用。文献[9]介绍了上海市首座装配式变电站。文献[10]研究了装配式技术在预制柱、围墙及防火墙的应用。装配式变电站通过工厂预制、现场装配，有效提高了工程建设效率，是节约用地、集约设计和简化施工的典型。

本文基于现有的装配式技术，突破传统变电站优化设计的思路，提出基于“大开间”理念的220kV全户内变电站布置方案。

1 “大开间”模块化设计理念

1.1  “大开间”理念设计构想

“大开间”理念的设计构想，源于对220kV户内变电站各级配电装置按电压等级和设备型式进行分层分区、科学整合的思路，实现了各层级配电装置布置的功能集约化，提高了生产综合楼空间的利用率。其基本思想是，将各级配电装置、无功补偿装置、二次屏柜等进行模块化设计、组合拼接，布置于同一“大开间”内，实现共用运维通道、检修空间，充分优化平面、空间布置型式，从根本上减小配电装置室的建筑面积。

1.2  工程规模及设备选型

本文“大开间”布置方案研究，基于南方电网标准设计[11]典型220kV全户内变电站方案（CSG- 220B-GN2b）展开。该方案建设规模及设备选型见表1，标准设计的平面布置及断面分别如图1、图2所示。

表1  建设规模及设备选型

图1  标准设计方案电气平面布置图

图2  标准设计方案电气断面图

1.3  总体设计方案

对于220kV全户内变电站，配电装置的紧凑化布置是减少建筑面积以及变电站总占地面积的关键。本设计方案以《高压配电装置设计技术规程》（DL/T 5352—2006）[12]相关规定为设计原则，具体如下。

1）高压配电装置的设计，应根据电力负荷性质、容量、环境条件、运行维护等要求，合理选用设备和制定布置方案。在技术经济合理时应选用效率高、能耗小的电气设备和材料。

2）高压配电装置的设计应根据工程特点、规模和发展规划，做到远、近期结合，以近期为主。

3）高压配电装置的设计必须坚持节约用地的原则。

4）配电装置设计应重视对噪声的控制，降低有关运行场所的连续噪声级。

依据上述主要设计原则，并充分融合“大开间”的设计理念，形成总体设计方案，如图3所示。

图3  基于“大开间”理念的电气平面布置图

1）全站仅设置一幢单层生产建筑，基于模块化装配式理念，形成2大功能区域一级模块（变压器室模块+“大开间”主设备室模块）。

2）变压器室模块，包含变压器本体、散热器、电容器等3个二级模块；变压器采用一列式布置，构成单层生产建筑长度方向尺寸控制因素。

3）“大开间”主设备室模块，包含220kV GIS、110kV GIS、10kV开关柜、二次设备、电抗器、功能用房等6个二级模块；其中，220kV及110kV GIS一列布置，位于大开间外侧；10kV开关柜、二次设备双列布置，位于大开间内侧，紧邻变压器室。

经优化，全站总建筑面积为2036m2，围墙内占地面积为0.477hm2，较南网公司标准设计方案分别减少81.4%和38.3%。此外，与标准设计方案相比，本优化方案优点体现如下。

1）由多层建筑简化为单层建筑，适应了装配式建筑物的建设特点及要求，有效降低土建建设成本。

2）主要电气设备均布置于室内一层，极大地方便了设备安装、运行维护。

3）设备同层布置，电缆敷设路径得以优化，取消电缆竖井，节省大量电缆材料量。

2 “大开间”模块化平面布置方案研究

基于“大开间”布置方案，220kV、110kV、10kV配电装置及二次设备同层共室布置，充分合并共享各电气设备的安装及运维通道，通过对GIS设备不同期间隔建设的合理规划，合理满足各期建设的设备室内运输条件。

2.1  220kV GIS模块优化布置

1）220kVGIS间隔本体模块尺寸确定

220kV GIS模块优化布置的主要影响因素包括：配电装置规模、GIS间隔本体尺寸、运维通道尺寸要求等。为优化GIS模块总体尺寸，本方案拟采用小型化GIS设备。选取国内主要厂家进行220kV小型化GIS设备尺寸调研，结果见表2。

表2  220kV GIS尺寸调研表

综合主要厂家的设备制造水平，选用常规小型化GIS设备。220kV GIS间隔本体模块尺寸按2.0m× 5.4m考虑。

2）220kVGIS模块纵向尺寸确定

3）220kVGIS模块横向尺寸确定

2.2  110kV GIS模块优化布置

1）110kVGIS间隔本体模块尺寸确定

110kV GIS模块优化布置的主要影响因素与220kV GIS相同，同样拟采用小型化GIS设备。选取国内主要厂家进行110kV小型化GIS设备尺寸调研，结果见表3。

表3  110kV GIS尺寸调研表

综合主要厂家的设备制造水平，并结合《国家电网公司输变电工程通用设备110（66）～750kV智能变电站一次设备（2012年版）》[13]中110kV GIS的建议尺寸方案，本方案小型化110kV GIS间隔本体模块按0.8m×4.3m考虑。

2）110kVGIS模块纵向尺寸确定

110kV GIS模块纵向尺寸的确定原则与计算方法同220kV GIS。按式（1）计算得，110kV GIS模块纵向尺寸为8.9m。经取整，本方案建议尺寸定为9m，与CSG-220B-GN2b标准设计方案110kV GIS室纵向尺寸11.5m比较，本方案110kV GIS模块纵向尺寸优化了2.5m。

3）110kVGIS模块横向尺寸确定

110kV GIS模块横向尺寸的确定原则与计算方法同220kV GIS。按式（2）计算得，110kV GIS模块横向尺寸为23m。与CSG-220B-GN2b标准设计方案110kV GIS室横向尺寸63.5m比较，本方案110kV GIS模块横向尺寸优化了40.5m。

2.3  10kV开关柜、二次设备模块优化布置

本设计方案10kV开关共含71面开关柜（30面馈线柜、20面电容器柜、4面电抗器柜、5面母设柜、3面接地变柜、5面主变进线柜、2面分段隔离柜及2面分段开关柜）。开关柜布置一般采用单层双列或者单层单列布置。基于“大开间”的整体布局，10kV开关柜采用了单列、双列布置相结合的方式。局部采用双列布置形式，单列布置的开关柜与二次屏柜、接地变柜共同构成双列形式，总体布置紧凑合理。

2.4  “大开间”模块组合优化

基于上述各子模块的优化设计，进行“大开间”模块组合优化。

1）220kVGIS与110kV GIS模块组合方式

220kV GIS模块与110kV GIS模块的组合方式有3种，即L型布置、平行布置及一字型布置：①考虑到4个主变室的布置形式为一字型布置，220kV GIS模块与110kV GIS模块采用L型布置不利于节省占地，故不采用；②平行布置方案的配电装置室横向尺寸为29m，纵向尺寸为17m。

该布置方案存在以下缺点：一次、二次电缆交叉严重，与主变压器室模块的尺寸不匹配，配电装置室面积不能得到充分利用；③一字型布置方案的配电装置室横向尺寸为42m，纵向尺寸为10m，能实现功能整合，共用维护主通道或巡视通道，进一步压缩配电装置室横向及纵向尺寸的大小，整个配电装置室场地均能得到充分利用。

2）GIS模块与开关柜模块组合方式

经初步整合，形成GIS与开关柜两大组合模块，根据其特点，应采用平行布置方案。考虑到开关柜主变进线柜需通过母线桥与主变低压侧连接，故开关柜模块应邻近主变压器室布置；同时GIS模块布置于“大开间”外侧，便于220kV、110kV电缆出线。

3 “大开间”层高优化研究

参考南方电网标准设计[11]、国家电网通用设计[13]典型方案，220kV户内变电站GIS室高度一般在8～10.5m，需要占据主厂房两层高度。合理优化GIS室层高，充分利用GIS上方空间，对减少变电站的建筑体积、占地面积及工程投资均有着重要的意义。GIS本身为气体绝缘设备，不必考虑外绝缘。因此，影响本方案“大开间”层高的主要因素有：①GIS设备吊装层高；②GIS设备工频耐压试验安全净距要求。

本方案110kV及220kV GIS同室布置，因此建筑层高的受控因素主要来源于220kV GIS。本节仅针对220kV GIS作出分析。

3.1  GIS设备吊装层高要求

1）GIS间隔高度

选取国内主要厂家进行小型化GIS间隔高度调研，结果见表4。

综合主要厂家的设备制造水平，本节分析GIS间隔高度按3.8m考虑。

2）移动式GIS吊装

通常情况下，户内GIS设备主要部件采用屋顶工字钢梁悬挂电动葫芦的移动型吊装方式实现。层高要求计算如下。

表4  220kV GIS间隔高度调研表

（1）GIS设备起吊高度：3.8m（间隔高度）+1.5m（运输小部件所需空间）=5.3m。

（2）GIS室上空安装工字钢梁，吊重为5t，工字钢梁底距GIS结构主梁为0.6m。

（3）电动葫芦吊钩底距工字钢梁底为1.8m。

综合（1）、（2）、（3）高度要求，移动式GIS吊装方式所需的GIS室净高为5.3m+0.6m+1.8m=7.7m。

3）固定式GIS吊装

固定式吊装方式，即在设备室顶板装设吊环，则可以不用考虑架设工字钢梁时需要计算在内的一些数据，从而有效降低设备间整体高度。采用吊环的吊装方式层高计算如下。

（1）GIS设备起吊高度：3.8m+1.5m=5.3m。

（2）吊钩的长度及顶板次梁的高度0.6m。

综合（1）、（2）高度要求，固定式GIS吊装方式所需的GIS室净高为5.3m+0.6m=5.9m。

4）推荐层高

本方案推荐采用固定式GIS吊装方式，以充分降低GIS室层高要求。考虑一定的裕度，“大开间”层高暂按6.5m考虑。

3.2  GIS设备工频耐压试验安全净距要求

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）在运输和安装过程中可能存在的自由微粒侵入、安装工艺不良、绝缘件制造缺陷、电极表面损伤、运输中损坏等问题都会导致绝缘缺陷。为了保证设备安全可靠运行，GIS新安装、扩建和解体检修部分按标准必须进行现场耐压试验。

本方案GIS均采用电缆出线形式，无架空出线套管。故现场耐压试验需要在GIS间隔电缆终端上部安装耐压试验套管（一般采用空气套管）。按此种方式进行短时工频耐压试验时，需要考虑空气套管管对设备四周墙壁及上方顶板的带电距离（按220kV带电部分至接地部分最小安全净距A1=1.8m考虑）。

常规的耐压试验套管布置方式如图4所示，一般采用斜向布置方案，满足了在与GIS设备保持合理距离的前提下，尽量降低了耐压试验套管带电部分对净高的要求。

图4  GIS耐压试验套管姿态（斜向布置）

本文提出耐压试验套管横向布置方案，在常规套管上加装GIL气管，使其横向延伸至“大开间”中部共享运维通道，如图5所示。横向布置方案，充分利用了“大开间”布置型式下运维通道作为耐压试验的空间，有效降低层高要求。

需要特别注意的是，当采用常规斜向布置方案时，试验套管自重由其与GIS连接法兰支撑；当采用横向布置方案时，由于增加了GIL气管，所以需在GIS间隔对应位置预置吊钩，用作辅助固定试验套管。

图5  GIS耐压试验套管姿态（横向布置）

通过上述耐压试验套管设计型式优化，经校验，当层高取6.5m时，能够满足工频耐压试验的最小净距要求。

4 结论

本文提出基于“大开间”理念的220kV全户内变电站布置方案。全站仅设置一幢单层生产建筑，采用模块化思路，形成变压器室、“大开间”主设备

室两大模块。各级配电装置同层共室布置于“大开间”，合理布局，紧凑布置，共享运行维护通道，有效减少建筑面积，降低层高。经优化，全站总建筑面积为2036m2，围墙内占地面积为0.477hm2，较南网公司标准设计方案分别减少81.4%和38.3%。