采用新型技术的空气绝缘变电站设计

发布时间：2009-04-16 作者：景雷, Hans-Erik Olovsson, 范建忠, Richard Thomas

　　随着城市的发展，电力需求也越来越大。为了实现所需的大容量传输，城市电力供应的最高电压等级从110 kV 提高到220kV，在中国和其他国家的一些特大型城市中甚至已经达到500kV。这就要求建设超高压（EHV）变电站作为城市的负荷枢纽。但是，超高压变电站的规划建设中，变电站占地面积与功率需求之间相互发生冲突。一般而言，电压等级越高，变电站的主变功率就越大，变电站占地面积也就越大。但是，这一需要又与城区普遍存在的土地限制问题相矛盾。土地稀缺是最大问题，但巨大的投资成本也是一项严重挑战。而且，作为为数量众多的居民服务的配电中心，这类变电站必须具有极高的可靠性和可用性。基于上述要求，这类变电站必须是紧凑型变电站，能够降低客户的成本，占有土地面积较小，并且具有极高的可用性。
　　目前的技术使上述目标变得现实。首先，新型的一次设备可以大幅减少占地面积。ABB 率先推出的革命性断路器产品，使开关设备得以优化配置甚至全面集成，同时降低了土地征用成本和设备成本。其次，创新的光传感器正逐步取代传统的昂贵而庞大的电流互感器（CT）。这些新型CT 外形尺寸极小，可以方便地与断路器集成。第三，这些光传感器的采用，是变电站数字化的一个完整组成部分。这不仅可以提高变电站的性能，而且可以节省投资，例如，可以节省二次互感器电路、断路器控制、隔离开关和接地开关中所用的电缆数量。
　　在城区变电站，关键的因素是土地成本。
　　传统的空气绝缘变电站
　　变电站投资中，各种设施的建设和安装成本巨大。显然，变压器和断路器等一次设备的价格十分昂贵，特别是那些用于超高压等级的设备。此外，变电站自动化系统（SAS）本身也成本高昂，这不仅仅是因为该系统需要大量的智能电子设备（IED）和计算机，而且还因为测量和控制需要使用大量的电缆连接。
　　但是，对于建设在城市中的变电站，与土地相关的成本是一项十分重要的因素。土地征用是这一过程中的组成部分之一，但仅仅是最后一个环节。与普通商品不同，资金不是获得土地的唯一因素。安全、环保和噪声都是变电站审批过程中必须考虑的因素。占地面积越小，变电站对周围环境的影响就越小。
　　1 显示了一个500 kV 变电站的单线图（SLD）［1］。该变电站有六个500 kV的间隔（1. 断路器方案）和十二个220 kV 的双母线间隔。
　　在该变电站中，所有一次设备都很大，一般需要占用60,000 平方米的面积2 。显然，很难在城市中为此类变电站找到合适的地块。
　　但是，为满足快速增长的电力需求，迫切需要在城市中建设变电站。根据北京电力公司的计划，500 kV 的双环网将在2010 年完工。为此，需要建设10 座变电站（每座变电站的电压和功率分别为500 kV 和2600 MW），其中四座负荷枢纽变电站将建在市中心。由于土地紧张且价格极高，任何紧凑型变电站方案都将具有极大的吸引力。采用气体绝缘组合电器（GIS） 是一个显而易见的方案，对于与1 ［1］相同的单线图，采用GIS 仅需占地30,000 平方米， 但其成本却高于空气绝缘变电站。根据中国国家电网公司［1］的要求，一个GIS 变电站的投资比空气绝缘变电站（AIS） 高出大约40%。因此， 必须研究占地面积既小、又能为客户节约成本的新替代方案，以取代传统的空气绝缘变电站。
　　安全、环保和噪声都是变电站审批过程中必须考虑的因素。
　　技术解决方案
　　采用新技术，ABB 可以设计成本低廉且占地面积更小的AIS 变电站。

　　1 典型的500 kV变电站的单线图

　　2 典型的500 kV空气绝缘开关设备（AIS）变电站的布置

　　新型断路器
　　500 kV 间隔的剖面图如3 所示。该图表明，隔离开关占据了大部分空间，因为每个断路器需要两个隔离开关，以便实现安全隔离。

　　3 500 kV 1. 断路器方案的剖面图

　　4 带两个a 和一个b 隔室的隔离式断路器

　　5 145 kV变电站（传统式） a 与实现同样功能但采用“组合式”断路器的变电站b 之间占地面积的比较

　　利用成熟的现代自能式及/ 或吹弧式SF 断路器，ABB 开发了既可简化变电站又能节省空间的替代方案。ABB开发和制造了一种被称为“组合式”的新型隔离式断路器（DCB）［2］。组合式断路器的隔离功能被集成在熄弧室中。在这个SF6 熄弧室中，并没有额外的触点或其他具有隔离功能的器件。当断路器触点处于断开位置时，可用机械方式将其锁定在断开位置，实现所需要的隔离功能，以便对开关设备或网络中的邻近部件进行维护。此外，取消裸露在空气中的隔离开关触点，还可以减少维护次数，提高开关设备的可靠性。该类断路器的隔离要求由IEC 标准62271-108 规定4 。
　　利用成熟的现代自能式及/ 或吹弧式SF6 断路器，ABB 开发了既可简化变电站又能节省空间的替代方案。
　　DCB 不仅可以降低设备成本，而且可以减少占地面积及相关建设成本，同时提高可用性。传统的和组合式的145kV 变电站布置之间的比较如5 所示。
　　创新型传感器
　　除隔离开关外，传统的CT（电流互感器）也需要占据相当大的空间3 。但是，感应技术的发展，使我们可以采用替代方案。

　　6 ABB FOCSFOCS 的原理图a 、安装图b 和测量电缆：两个霍尔效应的400 kA 直流电流传感器c 测量线

　　最近几年，新型传感器开始逐渐取代传统的CT。光纤电流传感器（FOCS）是一种极好的替代产品［3］。利用法拉第效应，FOCS 可以使用环绕在导体周围的光纤环，轻松地测量电流。因此，装置变得十分简单，如6 所示。与庞大的传统电磁CT 相比，新型传感器的另一个优势是占地面积较小。
　　此外，对于数字信号处理，FOCS 可以提供与变电站自动化系统（SAS）中的过程层设备之间的接口，从而实现符合IEC 61850 标准的过程总线（-9-2）通讯，减少对二次电缆连接的需要，简化安装和调试工作。
　　IEC 61850-9-2 应用
　　如上所述，FOCS 可以用数字格式传输所有测量而得的参数值。因此，如果将FOCS 和与符合IEC 61850-9-2 标准的组合单元一起使用，就可以通过光纤网络将数字值传送至间隔级IED，而不再需要大量的铜电缆。7a 描绘了变电站自动化纵向从过程层（ 底部） 直至电网控制中心（ 顶部）， 横向从传统方式（ 左侧）到智能实现（ 右侧） 的技术演变进程。7b 给出了一个基于IEC 61850的变电站自动化系统的结构， 该系统正是7a 中智能系统的一个具体实现。对于三相输电线路， 这一系统至少可以节省三组测量电缆。而且，由于FOCS 不会出现磁饱和， 同一套FOCS 可以同时用来进行监控和保护， 甚至还包括测量。这样还可以进一步节省电缆。
　　此外， 如果在断路器中内置符合IEC61850-9-2 标准的智能断路器IED，就可以利用带电压和电流感应功能的同一个光纤网络进行控制。这样，控制电缆也被网络所取代，从而实现成本更低、运行更可靠的变电站自动化系统。
　　利用法拉第效应，FOCS可以使用环绕在导体周围的光纤环， 轻松地测量电流。
　　变电站布局的重组与优化基于上述新技术，变电站占地面积可以减少50% 以上，其可用性和可靠性也同时得到提高。

　　7 数字变电站结构图

　　8 采用隔离开关和断路器的传统变电站的布置

　　9 采用隔离式断路器的开关设备

　　此外，DCB 的使用不仅取消了隔离开关，而且还可以改进主接线方式。由于组合式DCB 的维护时间间隔为15年，完全可以用单母分段取代双母接线，而不会降低系统的可用性。对8和9 所示设备布局进行比较，可以看出母线及相关隔离开关如何被取消，以及变电站布置如何被简化。
　　以组合隔离式断路器作为一次设备，为大幅提高变电站建设、运行和设备布局的效率奠定了基础。
　　另外， 由于采用FOCS 和智能接口，系统不再需要电缆及相关辅助设备和部件，结果简化了控制机构以及与一次设备之间的连接。
　　开关设备的发展
　　采用新设备和新技术，可以设计出更可靠、成本更低的空气绝缘变电站。以组合隔离式断路器作为一次设备，为大幅提高变电站建设、运行和设备布局的效率奠定了基础。新型电流传感器与智能接口一起，可以执行基于IEC 61850 标准的过程总线协议。
　　参考文献：
　　［1］中国国家电网公司，500 kV变电站的典型设计
　　［2］ABB DCB 购买与应用指南
　　［3］《ABB 评论》2005 年第1 期第6-10 页，“高压直流测量技术发展”