大中型水电站高压配电装置设计

    摘要：在总结分析我国大中型水电站高压配电装置设备型式选择与布置设计的基础上，对其设计发展趋势进行了展望，并提出了大中型水电站高压配电装置设计除应满足有关设计技术规程外，还应与高压断路器开关设备制造技术发展水平、电力工业发展水平、国民经济发展水平、社会与科学技术发展水平相适应。

    关键词：高压配电装置；选型设计；断路器；大中型水电站

    1前言

    高压配电装置设备型式的选择与布置设计涉及的范围较广，本文所述大中型水电站高压配电装置设备型式的选择与布置设计，主要指220kV至500kV电压等级的大中型水电站的变电站或开关站的高压配电装置设备型式的选择与布置设计。它是水电站电气设计的重要部分。因为高压配电装置设备型式的选择与布置设计，不仅直接关系到电气主接线设计，而且对枢纽布置、厂房布置、电站投入运行后的运行维护管理、环境保护和水土保持等有着较大的影响。另外，高压配电装置作为电力系统的一个重要组成部分，其设备型式的选择与布置设计不仅对电站本身且对电力系统的安全、可靠、经济运行也起着十分重要的作用。因此，这不仅是一项技术含量高、涉及范围较广的重要设计工作，同时也是衡量电气专业设计技术水平的一个重要标志。

    我国大中型水电站建设进入20世纪80年代后，发展非常迅速。目前，除即将发电的世界最大的三峡特大型水电站外，已建成发电的超大型水电站主要有白山、万家寨、小浪底、丹江口、葛洲坝、刘家峡、龙羊峡、二滩、岩滩等18座。这18座超大型水电站的高压配电装置设备型式的选择与布置设计，按设备型式划分主要有SW系列少油断路器、KW系列空气断路器、LW系列SF6断路器和气体绝缘金属封闭式电器（GIS）；按布置型式划分主要有户内（包括洞室内）低式、户外中式、户外高式布置（详见表1）。由表1可知，按电压等级统计，其220kV电压采用开敞式的有7座，占58％；采用GIS的有5座，占42％。330kV电压和500kV电压采用开敞式的有5座，占38％；采用GIS的有8座，占62％。而按电站数量统计，在18座超大型水电站中，采用开敞式的和采用GIS的各有9座，各占50％。按年代划分，80年代前或80年代初期采用SW系列少油断路器和KW系列空气断路器，基本上是采用开敞式。到80年代后期，特别是进入到90年代后基本采用LW系列SF6断路器以及GIS，而到90年代后期开始到进入2000年后采用GIS比例在不断增大。如水利系统近期开工建设的4座大型水利枢纽工程（紫坪铺、百色、尼尔基、沙坡头）中，有3座电站的高压配电装置采用GIS。通过对国内大中型电站高压配电装置设备选型和布置设计的统计分析可知，水电站的高压配电装置型式的选择与布置设计，除应满足《高压配电装置设计技术规程》、《变电所设计技术规程》等有关规程外，主要取决于以下因素：高压断路器等主要开关设备制造技术发展水平；电力工业的发展水平；国民经济发展水平；社会与科学技术的发展水平。下面从以上四个方面，对水电站的高压配电装置型式的选择与布置设计进行论述。

    2高压断路器等制造水平的影响

    我国高压断路器设备制造技术可分为三个阶段：第一个阶段为20世纪70年代以前。高压断路器主要产品有SW系列少油断路器、KW系列空气断路器。这时的主要产品为研制使用期，110kVSW系列少油断路器是双断口（单瓷柱羊角式），220kVSW系列少油断路器是四断口（双瓷柱羊角式），实际上是将二柱110kVSW系列双断口少油断路器串接起来使用。而KW系列空气断路器除绝缘和灭弧介质与少油断路器不同外，其外型基本与SW系列少油断路器相似，只是断口和瓷瓶支柱是坐在空气罐上。其110kVKW系列空气断路器是双断口（单瓷柱羊角式），220kVKW系列空气断路器是四断口（双瓷柱羊角式），330kVKW系列空气断路器是六断口（三瓷柱羊角式）。这一时期的设备制造技术水平和产品质量总体上不高，特别是220kV以上电压等级的产品质量问题较多。

    第二个阶段为70年代到80年代初期。高压断路器主要产品仍然是SW系列少油断路器、KW系列空气断路器，但经过研制改进，设备制造技术水平和产品质量总体上有了很大的提高。特别是到了80年代初期后，这一代产品的设备制造技术基本成熟，产品质量基本稳定。220kVSW系列少油断路器与KW系列空气断路器也发展为单瓷柱双断口（单瓷柱羊角式）式。但这一代产品的总体设备技术性能指标不高，如额定开断容量小、检修周期短等。

    第三个阶段为80年代初期至今。这一时期主要是引进国外先进技术进行合作生产。如平顶山高压开关厂与法国梅林公司合作生产的LW6系列SF6断路器，西安高压开关厂与日本三菱公司合作生产SFM和SFMT系列SF6断路器，沈阳高压开关厂与日本的日立公司合作生产LW11、LW12系列SF6断路器等。高压断路器设备制造技术进入了新的发展时期。产品主要为LW系列SF6开敞式断路器和气体绝缘金属封闭式电器。通过国外先进技术的引进，在高压断路器制造技术领域内，大大缩小了国内外之间的差距，高压断路器产品的总体设备技术性能指标和产品质量得到很大的提高。

    我国水电站的高压配电装置型式的选择与布置设计技术的发展基本上与国内的高压断路器产品的设备技术发展相一致，也经历了这样三个发展阶段，如70年代以前的丰满、丹江口、刘家峡电站，80年代初期的白山、葛洲坝电站及进入80年代中期后的龙羊峡、水口、岩滩、五强溪、天生桥二级、漫湾、李家峡、万家寨、二滩、小浪底电站等。在这18座超大型水电站的高压配电装置设备型式中，对80年代初期以前的设备产品都先后进行了更换，目前基本上是90年代后生产的LW系列SF6开敞式断路器和GIS。可见，水电站的高压配电装置设备型式的选择设计是与高压断路器制造技术发展水平紧密相关的。

    3电力工业发展水平的影响

    由于大中型水电站的高压配电装置不仅是电站自身的主要部分，同时也是电力系统的一个重要组成部分，因此水电站高压配电装置型式的选择与布置设计与电力系统基本状况和要求密切相关。90年代前，我国电力系统在发电与用电关系上，长期处于供不应求，供需矛盾十分突出。在电源与电网建设上，电网建设大大滞后于电源建设。电网结构比08

    较薄弱。为保证电力系统稳定、安全运行，对水电站高压配电装置型式的选择与布置的设计，要求有很高的可靠性和灵活性。如规程中要求断路器故障或检修不应影响电站的电力送出；接入系统设计规程中的N＋1原则。进入90年代中期电力供需基本平衡。而进入21世纪后，由于电源建设的快速发展，我国工业传统产业的结构调整，电力需求的下降，电力供需关系总体上发生了变化，大多数地区出现了供过于求的状况。截至到2001年底我国水电装机容量已达到7700万kW，占全国总发电容量的22．7％，水电装机容量是建国初期1949年的二百多倍。目前，已建成或在建、规划建设的水电装机容量均位居世界首位。由于电网容量的快速增长，电力供需关系的变化，某一电站或某台大容量机组的停机或检修，对电力系统的影响程度与过去相比要小得多。因此，水电站高压配电装置型式的选择与布置设计的基本条件也相应发生了变化。高压配电装置设计将伴同电气主接线的简化而简化，未来设计将向着可靠、简单、经济、适用的方向发展。

    4国民经济发展水平的影响

    作为基本建设工程中的重要部分———水利水电工程，其设计必须与国民经济发展所处的历史阶段和发展方向相适应。要有时空观念，要因时而宜，因地而宜。在不同的国民经济和社会发展时期或在同一时期的不同地区，要有不同的设计思想。如在国民经济困难时期，由于建设资金不足，设计上不得不因陋就简，尽可能地压缩投资。工程建设标准较低，工程投入运行后，甚至是投入不久就开始更新改造，结果是低投入、低产出，高能耗、高运营费。在国民经济快速发展时期，建设资金相对较为充足，而时间紧迫，设计周期短，设计方案没有经过全面充分、深入的技术经济比较论证，设计上易出现保守浪费现象。因此，对高压配电装置设备型式的选择与布置设计，一方面设计要与国民经济发展水平相适应，另一方面又要体现出设计的经济合理性和技术先进性，两者应有机地结合起来。

    5社会与科学技术发展水平的影响

    随着社会的发展与进步，人们对社会的需求已不仅限于吃、穿、住、行等物质上的消费和占有支配权，对其工作环境的安全性、健康保障性和舒适性的要求也在不断提高。人们在工作环境的安全性、健康保障性得到基本保障后，不断地追求工作环境的舒适性。在高压配电装置设计要求方面，主要体现在要尽可能减少运行工作人员的劳动强度，创造良好的工作环境和工作条件，如以电动操作代替手动操作、以远方操作代替现场操作、以室内操作代替室外操作、以自动巡检代替人工巡检。在运行维护方面，操作越简单越好、运行维护工作量越少越好、检修周期越长越好。

    随着社会的发展与进步，以及对社会和国民经济可持续性发展的要求，人们对环境保护和水土保持方面的重要性认识和要求也在不断提高。因此，高压配电装置设备型式的选择与布置设计，还要满足环境保护和水土保持方面的有关要求。如在高压配电装置设备型式的选择与布置方案比较设计中，要充分考虑环境和水土保持方面的影响因素。在方案经济比较中，要计入高压配电装置的占地费、水土保持费及绿化费。

    随着科学技术的发展，特别是计算机应用技术和信息技术的飞速发展及其在水利水电行业系统中的应用，使水电站的电气技术迈入新的时代。它不仅可确保和提高电站的安全可靠经济运行的程度，极大地改善运行工作人员的工作环境和工作条件，同时也推动促进了高压配电装置的设计的发展，以实现大中型水电站的无人值班少人值守的要求。在高压配电装置的设计要求上主要体现在：设计要尽可能的简单化；与电气主接线设计相结合尽可能简化接线。以高可靠性的技术性能和产品质量优秀的设备来简化接线方式。当高压配电装置的设计选择GIS组合电器时，可适当简化接线。如在进出线回路数不是很多的情况下，选择高可靠性的技术性能和产品质量优秀的断路器，可以取消旁路母线或分段断路器等。高压配电装置的设计要有利于计算机监控系统的实施。如开关站的位置选择应尽可能不要离控制室太远，户内与户外型式相比较尽可能选择户内型，高式与中式布置比较尽可能选择中式布置，设备的选择应尽可能选择电动或其他具有自动操作功能的设备等。

    综上所述，高压配电装置设备型式的选择与布置设计，除了应满足《高压配电装置设计技术规程》、《变电所设计技术规程》等的基本要求外，还应考虑高压断路器等主要开关设备制造技术发展水平，电力工业的发展水平，国民经济发展水平，社会与科学技术的发展水平等的影响作用。只有兼顾上述各个方面，并将其有机结合起来的设计才是较为完美的优秀的设计。

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