水电站高压开关站设计

水电站高压开关站设计阮全荣1，严晋青2，周海鹏3（1．国电公司西北勘测设计研究院，西安710065；2．青海水电勘测设计研究院，西宁810012；3．石咀山供电局，石咀山753000）

关键词：高压开关站；GIS；敞开式开关站；电气主接线

摘要：通过对已设计水电站高压开关站选型及布置的介绍，特别是对设计过程中所遇问题处理方法和应考虑事项的介绍，为水电站设计者提供参考。在高压开关站选型中，应注意设备的制造技术发展，同时要考虑运行费用、事故损失费用、施工停电损失费用，以达到经济合理、技术先进。高压开关站是水电站的主要组成部分，高压开关站的选型和布置对电站枢纽布置、电气主接线选择、施工工期、运行维护及设备和土建投资都有直接影响。因此，合理地设计高压开关站，在电站电气设计中尤为重要。

高压开关站目前主要采用的型式有敞开式设备、混合式、封闭开关柜及气体绝缘金属封闭开关设备。高压开关站布置型式主要为户内和户外两种。现结合李家峡、石泉扩机、八盘峡扩机、大峡、公伯峡、拉西瓦、西藏沃卡、小峡、宝兴、直岗拉卡、尼那、宝珠寺等水电站设计与施工，对高压配电装置设计中所遇见的问题和处理方法加以介绍，以供设计人员借鉴。

1开关站选型和布置

1．1选择基本原则

1．1．1提高开关站的可靠性

水电站开关站的规模大、交换容量大，一旦发生事故造成的后果较严重，不仅影响电站容量的输送，而且对电力系统的运行稳定性有直接影响。因此，保证开关站安全可靠运行，减少事故发生的机率是设计选型的主要依据。

1．1．2节约用地

由于水电站地处深山峡谷，开关站布置的地方选择比较困难，因此，为了便于开关站布置场地选择和节省土建开挖施工等费用，应尽量优化开关站设备选型以减少占地面积。如在敞开式设备选择时，可考虑选用

隔离开关与互感器组合方式、母线采用管型母线等。

1．1．3提高开关站的经济性

在设备选型中，应首先考虑设备的一次投资，使电站的电气设备投资合理，另外，要考虑电站的运行费用、事故损失费用（间接损失费和直接损失费，一般按30年考虑）、土建费用、安装费用等。

1．1．4适应环境条件的要求

水电站所在的地区和环境一般差异较大，开关站选型应因地制宜，满足污秽地区、地震地区和高海拔地区的特殊要求，以保证导体和电气设备安全运行。

1．1．5与电气主接线选择相结合

在开关站选型时，应充分考虑电气主接线的可靠性、灵活性和经济性，并利于主接线的简化。

1．1．6减少对环境的影响

由于开关站运行电压高，应充分考虑电晕、无线电干扰和静电感应场强的影响。

1．1．7适应水电站的布置特点

由于水电站受地形、地质影响较大，每个电站布置方式差异较大，因此，在开关站选型时，应结合电站枢纽布置，合理选型。

1．1．8结合高压设备制造发展和设备造价降低

由于水电站设计周期较长，而电气设备制造技术发展较快以及设备造价随技术进步在不断降低，因此，在高压设备选择中应引起重视。

1．2工程设计说明

1．2．1开关站型式选择比较中应注意的方面

（1）一次投资比较础、支构架和征地费用等。

对于10～35kV开关站设备比较，通过对石门、花坝等小水电站的设计比较，发现采用户内金属开关柜的型式与采用敞开式开关站的一次投资相当，有的还低于敞开式开关站的一次投资。

对于110～220kV开关站设备比较，特别是近几年GIS的造价降低，通过小峡（110kV）、宝兴（220kV）、直岗拉卡（110kV）、宝珠寺（220kV）、大峡（220kV）、尼那（110kV）等水电站设计，GIS与敞开式开关站一次投资差额在降低。原设计一般认为GIS的一次投资为敞开式开关站2～3倍，目前，在设计时建议按1．2～2倍考虑。如小峡电站，GIS的一次投资为1348万元，两个敞开式方案分别为1059万元和1187万元；宝兴水电站GIS的一次投资为1928万元，敞开式方案为1418万元。另外，对已运行的电站，如石泉、宝珠寺、大峡水电站的220kV敞开式开关站，经过投资计算，与GIS的估算投资相当。

对于330kV及以上开关站设备比较，通过对公伯峡和拉西瓦水电站开关站选型比较，超高压设备GIS一般与采用敞开式开关站的一次投资相当或低于敞开式开关站的一次投资。公伯峡330kVGIS的一次投资11317万元，敞开式开关站的一次投资10878万元；拉西瓦750kVGIS的一次投资128310万元，敞开式开关站的一次投资154490万元。

综上所述，从开关站一次投资来看，采用户内金属开关柜的型式和GIS与敞开式开关站的一次投资差距在缩小。

（2）30年运行费用

过去对开关站设计选型比较，都未考虑设备的运行费用，主要原因是运行费用定量化比较困难。在国外已做过相应统计和计算，但由于各个国家国情不同，对于国内采用相应的数据不太合理。目前，通过对运行单位调查，从理论上建议敞开式开关站30年运行费用取10％～20％设备投资，GIS为敞开式开关站的12％～18％较合理。

（3）事故损失费

事故损失费主要考虑直接损失费和间接损失费。在过去开关站设计选型比较，都未考虑设备的事故损失费用。目前，由于可靠性定量计算发展和成熟，为计算事故损失费提供了方便。对于主接线比较简单的接线方式，可通过简单估算来确定事故损失费，对于大型水电站应经过可靠性计算软件计算确定事故损失费。对于直接损失费一般可根据损失电量、电价计算，而间接损失费主要由各个地方的经济状况及每度电的经济效益来确定。由于地方差异，对于定量计算间接损失费比较困难，建议仅做定性分析。

（4）对电气主接线影响

由于开关站的可靠性直接影响电气主接线的可靠性，因此，在开关站选型时，应结合电气主接线方案比较。如公伯峡水电站，若330kV选用GIS开关站，电气主接线可选双母线接线，而选用敞开式开关站，电气主接线需选用双母线三分段带旁路接线。小峡水电站，若110kV选用GIS开关站，电气主接线可选单母线分段接线，而选用敞开式开关站，电气主接线需选用双母线接线。

（5）改建和扩建的影响

对于改建和扩建水电站开关站选型，应特别注意施工周期、施工影响以及原运行设备的停运损失。如石泉扩机设计中，在设计选型中未考虑施工停电因素，给后来施工及原电站运行带来较大的影响，虽然经过优化施工程序、施工方法等，但最终还导致电站弃水和停电约50d。另外，还应考虑新老设备的连接、过渡等问题。

（6）安装周期和施工影响

开关站施工周期应与土建相对应，水电站施工中由于土建施工进程的影响，使设备安装周期时间较短，因此在开关站设备选型时，应对设备安装周期作为比较依据之一。如李家峡水电站，由于土建施工进程的影响，在电站投运时，开关站设备无法一次形成。

1．2．2开关站布置选择比较中应注意的方面

（1）敞开式布置形式

敞开式布置形式不仅与设备选择密切相关，而且对电站枢纽布置、占地面积大小、安装维护是否方便起着重要作用。一般布置方式有：低式、中式、半高式和高式4个类型。通过对已运行电站调研，在布置场地许可的条件下，建议尽量采用中式布置形式。如大峡电站采用中式布置形式，具有运行维护方便、布置清晰、施工安装工期短等优点，而宝珠寺水电站，由于布置场地所限，采用高式布置形式，不仅设计复杂，安装施工难度高、施工周期长，而且运行维护工作量大。

（2）优化敞开式布置形式

对于敞开式开关站采用中式布置方式，还需进一步优化其设备布置的模式，使整个布置清晰、运行维护方便及占地面积小。如对大峡水电站开关站的优化，采用管型母线布置和E型布置，其优点如下：

1）采用管型母线的优点：①缩小母线间距。由于硬母线在风力和电动力作用下，弧垂摇摆现象很微小，因此，对于220kV母线相间距可由4m减至3m，从而使开关站纵向尺寸缩小，对大峡电站可缩小6m。②降低母线构架高度。管型母线采用棒式绝缘子支持，因而可降低母线的高度。对于软母线构架需要11m高，而大峡电站构架高度仅为6m。③有利于单柱式隔离开关可靠合闸。由于管型母线挠度小，不易发生上、下、左、右位移，因此有利于在大风时单柱式隔离开关可靠合闸。④布置清晰，直观性强，运行维护方便。⑤母线过流容量大，起晕电压高，无线电干扰小。⑥管形母线每隔30m设置伸缩节，不仅可避免硬母线热胀冷缩产生的内力，引起母线或支柱绝缘子的损坏，而且有利于施工安装。

通过总结大峡设计经验，在最近设计的尼那水电站也采用了管型母线布置形式。

2）E型布置特点：①缩小开关站占地面积。采用E型布置，可在同一间隔布置进出线，从而使开关站横向尺寸由155m减小为99m，而纵向仅增加19m。②布置清晰，运行维护方便。对于E型布置，进线回路的断路器，隔离开关（三柱式），电流互感器分别布置在母线的进线侧；出线回路的设备布置在母线的出线侧，使进出线设备布置清楚，可减少运行维护的误操作。另外，在开关站内设置宽为3m的环行搬运道，便于安装、运行巡视。③便于进出线连接。由于开关站位于主厂房下游右岸，进线段偏角较大，对于E型布置，开关站纵向方向较短，使最边的一回进线段偏角减小，便于进线段设计，同样，出线侧与系统终端塔杆的连接也比较方便。④减少土建开挖量。因开关站位于山坡上，采用E型布置不仅使开关站减小，而且大大减小了开关站纵向尺寸。根据开关站现场情况，开挖和回填方形平台，土建工作量最小，便于实施，而采用长形平台，不仅土建工作量大，而且影响开关站外的交通，难于实施。⑤便于防雷设计。根据避雷针保护特性，对于E型开关站，防雷设计的投资较小。即采用4支独立的避雷针（49m），就可保护整个开关站设备。

（3）采用敞开式组合电器

在石泉扩建开关站设计中，由于受到布置场地限制，采用了电流互感器与隔离开关的组合电器，相应地减小开关站的尺寸。因此，在设计中应结合电站布置要求，可考虑采用敞开式组合电器来缩小开关站尺寸。

（4）阻波器安装特点

通过已运行的电站设计分析，对于220kV及以下的开关站，建议安装线路阻波器，采用V型绝缘子串悬挂方式，可限制相间及相对地距离受风偏

摇摆影响，从而可减小出线门型构架尺寸。对于330kV及以上的开关站，建议安装线路阻波器，采用支撑结构。

（5）设备间距选择

电流互感器、断路器及隔离开关之间的距离主要取决于断路器搭检修架所需的距离。因此，在设计时应根据布置具体要求，适当调整设备间距。如在石泉扩机设计中，一般220kV断路器与隔离开关为6m，断路器与电流互感器为4m，为了满足布置要求，采用单断口SF6断路器和双柱式隔离开关，经过计算断路器与隔离开关为5m，断路器与电流互感器为3．8m。

（6）满足进出线要求

在开关站设计中应注意进出线的基本要求，如相序、相间距、拉力、线路排序。特别应便于进线段设计和施工。在已设计运行电站施工都出现相关的问题。如西藏沃卡、石泉扩机工程出现相序问题。

（7）满足分期建设和改扩建要求

在开关站布置设计时，要对分期建设和改扩建要求加以注意，以便减小工程投资，特别是原设备停运时间、新老设备之间的影响。如在石泉扩机工程中，不仅有停电时间问题，而且存在新老设备之间间距的问题。

2小结

通过近几年水电站高压开关站设计，特别是工程中所遇见问题处理，在设计中应注意以下几点：①在开关站选择比较中，应结合电气设备的发展和造价的变化，使选择的方案技术先进、经济合理。②在分期和改扩建高压开关站设计选择中，应考虑施工干扰和停电损失费用。③在开关站选型比较中，应考虑30年的运行费用和事故损失费用。④在设计中，应注意环境条件对施工影响，合理安排工期。⑤在开关站布置时，应考虑其对进出线回路影响。参考文献［1］阮全荣．小峡水电站110