户外超高压新型组合电器的介绍和分析

图1 HPL型550kV组合电器

    垂直伸缩式隔离开关元件采用常规剪刀式隔离开关，它的动、静触头之间形成垂直空气间隙，可以节省设备水平方向尺寸，同时具有切电容电流和切电感电流能力强的优点。瑞典工厂具有数千台超高压垂直伸缩式隔离开关的生产及运行经验，运行安全可靠。
    数字式光电电流互感器元件采用ABB公司经过数十年之久研制而成的Rogowski 线圈，体积小、重量轻、数字化输出。它可以安装在HPL型550kV SF6断路器灭弧室聚脂套管端部，如图2所示。由于传输数字信号的光纤本身是绝缘体，因此可以防止超高压配电装置中十分强烈的电磁干扰。

图2 550kv数字式光电电流互感器

    1.2 主要技术参数

额定电压362kV500kV额定电流4000A4000A额定短路开断电流63kA63kA额定短路时耐受电流及时间63kA63kA 3s3s额定峰值耐受电流160kA160kA数字式光电电流互感精度      保护级5P205P20  测量级0.20.2

1.3 适用电气主接线形式
    HPL型组合电器是由1组SF6断路器、1组数字式光电电流互感器、2组隔离开关及接地开关(出线、母线各1组)等元件组合成的一个基本模块。这个基本模块的出线和母线侧均为空气绝缘的剪刀式隔离开关。组合电器母线隔离开关还可以通过软导线与另一组常规剪刀式隔离开关并联，接入2组主母线(即双母线接线)。因此HPL型组合电器十分灵活，适用于任何一种电气主接线形式，例如超高压配电装置常用的一个半断路器接线，三分之四断路器接线，双母线接线、双断路器接线等。
    1.4 超高压配电装置的布置
    HPL型组合电器基本模块中有2组剪刀式隔离开关，可以直接布置在超高压配电装置主母线之下，减少配电装置的纵向尺寸，节省占地，它适用于中型、铝管母线超高压户外配电装置。例如HPL型550kV组合电器用于一个半断路器主接线的500kV中型、铝管母线户外配电装置，可以将两排出线门型构架之间的纵向尺寸压缩到104m（采用常规方案为165m），节省占地37％左右。如图3所示。

图3 采用HPL型550kV组合电器与常规方案500kV户外配电装置比较(一个半断路器接线)

(a)常规方案；(b)HPL型550kV组合电器方案

    1.5 二次控制及保护
    HPL型组合电器基本模块中有一组数字式光电电流互感器，它采集的数字式电流量用光纤传递到光电互感器平台。由于HPL型组合电器基本模块中没有数字式光电电压互感器，因此需要在出线回路和主变压器进线回路(一个半)或者主母线(双母线接线)单独装设一组独立的瓷柱式数字光电电压互感器，其采集的数字式电压量也用光纤传递到光电互感器平台上。
    光电互感器平台安装在HPL组合电器附近的就地控制保护、测量柜内部，为微机保护、测控装置提供电流、电压数字量信号。每一组HPL组合电器配置一面就地控制保护、测量柜，安装HPL组合电器的继电保护、控制和测量装置，全部采用微机装置，数字化传输。6组HPL组合电器(一个半断路器接线中2个完整串)对应的6面就地控制保护、测量柜集中安装在具有防尘、防热、防寒、防潮、防水以及防电磁干扰的金属屏蔽小屋内，它位于超高压配电装置内部HPL组合电器附近。保护二次控制、采用完全下放的方案，超高压变电站的主控制室只配置了微机监控装置，起远方监控和向上一级调度中心遥测、遥控、遥信的作用。
    1.6 主要优缺点
    (1)将常规的SF6断路器、剪刀式隔离开关与新型光电电流互感器组成紧凑型组合电器，节省了变电站的占地及空间，取得良好的效果(节省占地约37%)。
    (2)二次控制保护、测量，微机化、数字化，并将其完全就地设置，节省了大量的控制电缆及相应的电缆沟道等附属设施。
    (3)由制造厂提供从设备本体至就地控制保护、测量柜全部的一次和二次设备，电气设备配套性强，施工安装简单、方便。
    (4)HPL型组合电器的主要元件(SF6断路器、剪刀式隔离开关)由技术成熟、运行安全可靠的常规电气设备构成，制造厂具有上千台制造和运行经验。在超高压配电装置中采用HPL型组合电器比较成熟、可靠。
    (5)HPL型组合电器的主要缺点是，SF6断路器、剪刀式隔离开关的操作回路仍然采用常规有接点的控制方式，因此从就地控制保护、测量柜至组合电器本体之间还需要较多的二次控制电缆。此外，这种组合电器状态监测、故障诊断的智能化功能较少，还需要进一步完善。

2 阿尔斯通AIM－S型245～550kV组合电器
    2.1 基本结构及特点
    AIM－S型组合电器属于敞开式组合电器，主要包括3种基本元件：①1组旋转式SF6断路器；②1组新型数字式光电电流互感器；③2组隔离插头及接地开关(出线及母线侧各1组)。以上3种元件组合成一个基本模块，称为空气绝缘模块AIM－S。
    组合电器的独特之处是，采用旋转式断路器，它是在常规瓷柱式户外SF6断路器基础上发展的新型电气设备。例如AIM－S型550组合电器是由阿尔斯通有多年生产及运行经验的单柱双断口FXT16/17型550kV SF6断路器(带设备支架)、旋转操动机构、地面辅助轨道组成。此外，在SF6断路器的灭弧室瓷套管的端部安装体积很小的数字式光电电流互感器。在旋转式断路器的两侧各安装1组550kV接地开关，其顶部安装1组隔离插头的静触头。AIM－S型550kV组合电器外形如图4所示。每一相旋转式断路器带独立的设备支架，并安装在地面辅助轨道上。

图4 AIM－S型550kV组合电器
1—光电电流互感器；2—光纤电缆

    在回路退出运行时，首先操作550kV SF6断路器的弹簧操动机构，使断路器分闸，之后操作旋转操动机构，使断路器水平旋转约70°，此时2个水平布置灭弧室瓷套管端部隔离插头的动触头与接地开关顶部隔离插头的静触头分开，形成2个空气间隙，起到550kV双断口隔离开关的作用(相当于我国GW7型三柱水平旋转式隔离开关)。
    当需要大修SF6断路器时，每一相旋转式断路器连同下部的设备支架，可以沿地面上的辅助轨道移动到500kV配电装置每个间隔的旁边，更换新的设备。
    AIM－S组合电器的组合形式比较灵活，除了上述标准基本模块之外，还可以根据用户需要将旋转式断路器一侧单一的接地开关，改成数字式光电电压互感器与接地开关组合部件，或金属氧化物避雷器与接地开关组合部件，组成功能更多的新模块。
    阿尔斯通公司AIM－S型550组合电器于2001年3月已完成全部型式试验，2001年12月可以供货。
    2.2 主要技术参数
 

额定电压245kV420kV550kV额定电流2000A3150A3150A额定短路开断电流40kA50kA50kV额定短路时耐受电流及时间40kA50kA50kV 1s1s1s额定峰值耐受电流100kA125kA125kV数字式光电电流互感精度         保护级 5P205P20  测量级 0.20.2

2.3 适用电气主接线形式
    由于它采用了在旋转式断路器两侧配置隔离插头的结构形式，靠母线侧只有一个连接点(即只有一组母线隔离开关)，因此不能用于双母线接线。适用于除了双母线以外的其它超高压配电装置电气主接线，例如：一个半断路器接线、三分之四断路器接线、双断路器接线、单母线分段接线等。
    2.4 超高压配电装置的布置
    AIM－S型组合电器包括1组断路器、1组数字式光电电流互感器、2组隔离插头及接地开关，但是其设备纵向长度几乎等于1组断路器的纵向长度，因此采用AIM－S型550kV组合电器可以将超高压配电装置的纵向长度压缩到常规方案的60%左右，可以节约占地40%左右。它适用于中型软母线或铝管母线超高压屋外配电装置。
    2.5 二次控制及保护
    AIM－S型组合电器基本模块中有一组数字式光电电流互感器，它也采用Rogowski 线圈，数字式输出方式，按IEC60044.8规约与微机型控制保护、测量装置接口。电流互感器额定二次侧输出对测量级最低输出4V(负荷电阻大于10kΩ)、精度0.2级；对保护级最低输出150mV(负荷电阻大于10kΩ)、精度5P20。
    2.6 主要优缺点
    (1)AIM－S型组合电器利用T型瓷柱式SF6断路器水平旋转约70°的方式，同时起到SF6断路器和双断口隔离开关2种作用，设计原理十分先进。再结合体积小的数字式光电电流互感器元件，使得组合电器结构布置十分紧凑，节省占地效果十分明显(节省占地约40%)。
    (2)AIM－S型组合电器的主要元件是旋转式断路器它是在技术成熟、安全可靠的超高压瓷柱式SF6断路器基础上增加了旋转操动机构，制造厂具有丰富的制造和运行经验。在超高压配电装置中采用这种组合电器技术比较成熟、可靠。
    (3)其主要缺点是，制造厂还按以往常规方式只提供AIM－S型组合电器的一次设备(设备及常规就地控制箱)，不包括其它相应二次设备。
    组合电器的操动机构仍然采用常规有接点的控制回路。设备智能化程度偏低，有待进一步改进。同时，对电气主接线适应性受到限制，不能用于双母线接线。

3 西门子HIS型２４５～５５０kV组合电器
    3.1 基本结构及特点
    HIS型组合电器属于金属封闭式组合电器。采用有成熟生产和运行经验的GIS各种元件为基本模块，按照用户要求的电气主接线，组合成单相组合电器，它采用户外SF6绝缘套管，通过软导线与超高压配电装置常规的敞开式铝管母线或软母线系统相连接。
    HIS型245kV组合电器采用8DN9－245kV GIS元件，主要包括：①单断口SF6断路器；②隔离开关及接地开关；③快速接地开关；④电流互感器；⑤电容式电压互感器；⑥户外出线套管。它们都封闭在铝合金外壳内，采用SF6气体绝缘，并且都是单独的气室。各元件之间的连接法兰盘采用统一的尺寸，使得组合电器的各元件可以完全按照用户要求的电气主接线，任意拼接组合，达到完全模块化生产。
    HIS型550kV组合电器采用8DQ1－550kV GIS元件，其主要元件的类型以及结构特点与245kV组合电器相同。图5是用于一个半断路器接线500kV户外配电装置中间连络断路器回路的HIS型550kV组合电器。中间是2组垂直布置的出线套管，通过软导线分别与出线或主变压器回路相连接，包括1组双断口SF6断路器、4组隔离开关及接地开关、2组电流互感器，及1套控制单元。

图5 HIS型8DQ1－550kV组合电器(一个半断路器接线中间连络断路器回路)
1—户外出线套管；2—隔离开关及接地开关；3—感应式电流互感器；4—双断口SF6断路器(4000A、63kA)；
5—断路器操动机构(新型液压机构)

    3.2 主要技术参数

8DN98DQ1额定电压245kV550kV额定电流3150A4000A额定断路开断时间50kA63kA额定断路时耐受电流及时间50kA63kA    3s3s额定峰值耐受电流126kA160kA

    3.3 适用电气主接线形式
    由于它可以采用GIS各种元件组合而成，因此十分灵活，可以适合任何一种电气主接线形式。
    3.4 超高压配电装置的布置
    与敞开式组合电器相比，由于它的各种元件都采用SF6气体绝缘，因此它的尺寸、体积比敞开式组合电器更小，节省占地和空间的效果更明显。它适用于中型、软母线或铝管母线超高压户外配电装置。
    例如：图6是HIS型8DQ1－550kV组合电器与常规设备在500kV软母线屋外配电装置。一个半断路器接线中布置方案的比较。常规设备的主接线是将避雷器和电容式电压互感器单独装设在出线回路中，两侧500kV避雷器之间的纵向长度为200m。而对组合电器方案而言，可以采用3套HIS型8DQ1－550kV组合电器，中间1套组合电器的元件配置和结构尺寸如图5所示，两边靠软母线侧各1套组合电器，它是采用将图5中间组合电器减少2组隔离开关和1组户外出线套管的结构，同时可以将避雷器和电容式电压互感器安装在母线侧组合电器内。因此可以将两侧500kV软母线边相之间的纵向长度压缩到60m，采用组合电器比常规设备方案节省占地约70%。

图6采用HIS型8DQ1－550kV组合电器与常规设备方案500kV屋外配电装置比较(一个半断路器接线)
(a)HIS型550kV组合电器方案；(b)常规方案

    3.5 二次控制及保护
    HIS型组合电器以GIS的各种元件为基础进行组合，它的电流互感器和电压互感器仍然是传统GIS元件，即采用带铁心的感应式电流互感器和电阻－电容分压的电压互感器。但是西门子公司已经开发了为GIS数字化控制保护、测量用的SICAM装置，其中微机型仪用互感器单元(ITU)就是安装在电流互感器和电压互感器上的微机过程处理器，它具有接受来自TA、TV的电流、电压模拟量，经过模/数转换，再向上一级二次设备输出电流、电压数字量的功能，使得HIS型组合电器能够输出电流、电压数字量信号。
    此外，SICAM装置还包括：数字式断路器控制单元(DBC)；数字式隔离开关/接地开关控制单元(SCM)；数字式过程通信单元(PCU)。以上这些微机型过程处理单元可用于HIS型组合电器，实现对SF6断路器、隔离开关微机式无节点的控制方式和状态监测、故障诊断(如电流电压波形、动作次数、开断电流大小等)。
    3.6 主要优缺点
    (1)HIS型组合电器全部元件都封闭在铝合金外壳内，以SF6气体绝缘，因此设备布置更紧凑，比敞开式组合电器更加节省占地及空间。而且各元件采用单独气室，运行更为安全可靠。
    (2)制造厂能够提供包括一次、二次设备完整的超高压开关系统，设备配套性强。二次控制保护、测量微机化、数字化，状态监测、故障诊断功能齐全。一次设备完全采用传统GIS的模块，制造厂有丰富的制造和运行经验。在超高压配电装置中采用这种组合电器技术比较成熟、可靠。
    (3)它的缺点是，仍然采用传统的电阻－电容分压的电压互感器和带铁心的感应式电流互感器，不是数字式光电电流、电压互感器，相对体积、尺寸都较大。在组合电器紧凑型、小形化方面有些欠缺。

4 三菱MITS型245～550kV组合电器
    4.1 基本结构及特点
    MITS型组合电器属于金属封闭式组合电器，是三菱电机公司针对双母线接线、单母线接线、1/2断路器接线3种基本电气主接线形式，专门设计、生产的超高压组合电器。所有设备均封闭在钢外壳内，采用SF6气体绝缘，并采用单独的气室。它是完全按照电气主接线成套提供的单相超高压组合电器，例如：图7是1/2断路器接线，MITS型550kV组合电器，每一相包括3台SF6断路器、8个隔离开关及接地开关、6个光电式电流互感器、2个光电式电压互感器，4个户外出线套管。中间2个户外套管通过软导线与2个出线回路相连接，两侧各1个户外套管，分别通过软导线接入2组主母线。

图7 一个半断路器接线MITS型550kV组合电器

    MITS型550kV组合电器的SF6断路器采用先进的单断口灭弧室(63kA)和相位控制装置，利用相位控制分合闸原理限制操作过电压，取消合闸电阻，减少断路器的零部件，提高了断路器的电气和机械可靠性。同时减少断路器喷口和触头的损伤，降低过电压对绝缘的老化，提高了断路器的电气寿命。
    4.2 主要技术参数

额定电压245kV362kV550kA额定电流4000A4000A4000A额定断路开断电流63kA63kA63kA额定短时耐受电流及时间63kA63kA63kA  3s3s3s额定峰值耐受电流160kA160kA160kA

    4.3 适用电气主接线形式
    适用于双母线接线、单母线接线、一个半断路器接线3种基本形式。
    4.4 超高压配电装置的布置
    由于它是完全按电气主接线组合而成的金属封闭式单相组合电器，因此它的各元件之间的结构更加紧凑，整个组合电器的纵向尺寸更小。它是利用户外出线套管与外部常规敞开式母线相连接，因此适用于中型、软母线或铝管母线超高压户外配电装置。
    4.5 二次控制及保护
    MITS型组合电器采用数字式光电电流、电压互感器，其中光电电流互感器由Rogowski 线圈及相应的微机过程处理单元组成，光电电压互感器由电容分压装置及相应的微机过程处理单元构成。它们所采集的数字式电流和电压量分别通过光纤传递到就地控制测量柜内部。组合电器采用微机型保护测量装置，可以安装在就地继电保护小室内，实现二次控制保护完全下放，数字、智能化的方案，如图8所示。

图8 MITS型550kV组合电器二次控制保护示意图

    4.6 主要优缺点
    (1)MITS型组合电器采用钢外壳，除了金属封闭式组合电器所共有的比敞开式组合电器更节省占地等优点外，它还采用了相控制技术，从而取消合闸电阻，降低断路器触头的烧伤程度，提高了组合电器的电气寿命和运行可靠性。
    (2)制造厂能够成套提供组合电器一次、二次设备，二次控制保护、测量微机化、数字化、智能化。它是国际上应用此技术最早的超高压组合电器。
    (3)MITS型组合电器的缺点是：SF6断路器仍然采用三菱公司的液压操动机构，这种操动机构在我国一些超高压电网实际运行中，出现过液压机构渗漏，电动机频繁启动打压的故障，不受运行部门的欢迎。

5 阿尔斯通GIM型245～550kV组合电器
    5.1 基本结构及特点
    GIM型组合电器属于金属封闭式组合电器。其基本模块采用阿尔斯通公司有成熟生产和运行经验的GIS各种元件(SF6断路器、隔离开关及接地开关、电流互感器、电压互感器)组合而成。采用户外SF6出线套管与敞开式母线相连接，其外形如图9所示。

图9 GIM型245kV组合电器

    5.2 主要技术参数

额定电压245kV420kV550kV额定电流4000A4000A4000A额定断路开断电流50kA63kA63kA额定短时耐受电流及时间50kA63kA63kA 1s1s1s额定峰值耐受电流160kA160kA160kA

    5.3 适用电气主接线形式
    适用于各种形式的电气主接线。
    5.4 超高压配电装置的布置
    由于它的元件均采用SF6气体绝缘，因此设备体积更小，它比阿尔斯通生产的AIM－S型敞开式组合电器更节省占地(为敞开式组合电器占地的60%左右)。
    5.5 二次控制及保护
    GIM型组合电器采用GIS的电流、电压互感器元件，它们都是常规的带铁心的感应式电流互感器和电压互感器，模拟量输出。组合电器也采用常规有接点的控制方式，与常规的GIS相同。
    5.6 主要优缺点
    (1)它是在常规GIS基础上开发的金属封闭式组合电器，与阿尔斯通公司AIM－S型敞开式组合电器相比，技术参数高一级(例如，前者550kV额定开断短路电流为63kA，后者只有50kA等)，节省占地的效果更明显，但是其价格比敞开式贵。可以根据不同的使用条件、价格性能比的要求选择这2种不同形式的组合电器。
    (2)组合电器采用常规感应式互感器，二次控制测量采用常规有接点的控制方式。在控制保护、测量数字化和智能化方面比上述属于同一种金属封闭式类型的西门子HIS型组合电器和三菱MITS型组合电器均有较大差别。

6 ABB瑞士工厂PASS型245～550kV组合电器
    PASS型组合电器是ABB公司近几年开发的一种采用固定元件组合的超高压户外插接式组合电器，主要元件包括：①1台SF6断路器；②1个组合式光电电流、电压互感器；③1个或2个母线隔离开关及接地开关(它没有出线隔离开关及接地开关)。由这些固定的元件组合成单相电气设备，每相组合电器通过户外复合绝缘套管，采用软导线接入敞开式母线。
    组合电器控制保护、测量完全数字化、智能化，采用光纤传输数字信号。制造厂能够提供包括一次、二次设备及插接式复合光纤电缆等完整的超高压开关系统。详细内容参见文献[1]。

7 结论
    (1)数字式光电电流、电压互感器具有体积小、重量轻、数字化输出、光纤传输等一系列优点。在超高压户外组合电器中采用这种新型的互感器元件，可以使组合电器结构紧凑、二次控制智能化，因此在本文论述的6种组合电器中，有4种采用了这种新型互感器。
    (2)本文论述了6种户外245～550kV新型组合电器，其中：ABB瑞典工厂HPL型组合电器，阿尔斯通AIM－S型组合电器属于敞开式组合电器系列；西门子HIS型组合电器，三菱MITS型组合电器，阿尔斯通GIM型组合电器，ABB瑞士工厂PASS型组合电器均属于金属封闭组合电器系列。
    这2种系列超高压组合电器相比较，敞开式组合电器的外形尺寸相对较大，节省占地的效果相对较小(敞开式比常规方案节省占地约40%，金属封闭式组合电器比常规方案节省占地约70%)。但是敞开式组合电器是以瓷柱式SF6断路器为核心开发的新型电气设备，有较多的生产和运行经验，在超高压户外配电装置中使用，技术上相对比较成熟。
    (3)本文论述的2种敞开式超高压组合电器各有特点：ABB瑞典工厂HPL型组合电器由于母线侧采用剪刀式隔离开关元件，它可以再与另一组常规瓷柱式剪刀式隔离开关并联，接入双母线，因此它适用于各种形式的电气主接线。而阿尔期通AIM－S型组合电器由于结构上的限制，不能用于双母线接线，但是它的设计原理十分先进，利用旋转式SF6断路器，同时起到断路器和双断口隔离开关2种作用。因此在户外超高压配电装置中可以根据不同的电气主接线选择上述2种不同的组合电器。
    (4)本文论述的4种金属封闭式超高压组合电器中，ABB瑞士工厂PASS型组合电器一次设备和二次设备的供货成套性最完整，而且还提供从设备本体至就地保护、测控柜的复合光纤电缆，但是从总体上看，它是一种节省元件的组合电元器，没有出线侧隔离开关元件，缺少出线隔离开关的功能，此外，它的所有元件共用一个SF6气室，SF6断路器灭弧室在开断短路电流时，电弧产生的分解物可能会影响处于同一气室内隔离开关及接地开关的绝缘强度，需要在实际运行中进一步考验。
    另外，3种金属封闭式超高压组合电器中，西门子HIS型组合电器的二次控制保护、测量数字化、智能化程度最高，状态监测及故障诊断功能最完整，三菱MITS型组合电器次之，阿尔斯通GIM型组合电器相对较差，仍采用常规有节点的控制方式。用户可以按照对二次控制保护、测量的不同要求进行选择。
    (5)本文论述的超高压组合电器中有4种组合电器制造厂都能成套提供组合电器数字化、智能化的二次控制保护、测量设备。当在我国超高压户外配电装置中使用时需要注意以下主要问题：
    1)协调与变电站微机监控系统的通信规约。
    2)如果采用国产微机型线路继电保护装置，还需要考虑与继电保护的通信规约进行协调。
    3)必须充分重视组合电器的二次微机型无接点控制系统的抗干扰问题，应在超高压户外配电装置实际运行中进一步考验。

8 参考文献
1 孙岗，顾霓鸿，袁大陆．新型高压插接式开关系统．电力设备，2000，1(3－4)