220kV大型敞开式变电站主接线形式改造方案的研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
广州供电局有限公司的研究人员张娜、蒋健、李巨泽、周剑君，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，在不新征土地的情况下实现主接线超可研规模改造；在基本不停电的情况下，实现改造目标并确保施工安全，是220kV大型敞开式变电站主接线改造的难点，是也是本文论述的重点。
本文通过对某220kV枢纽站双母线改双母线双分段工程设计实例的分析，提出通过利用现有空间，结合线路、母线间隔改造，采用HGIS与GIS相结合的多间隔带母线组合电器，来突破改造难点，实现改造目标。为220kV大型敞开式变电站在不征地少停电的情况下，变更主接线形式，淘汰老旧设备的大规模改造提供技术指导。
征地费用高昂，拆迁难度巨大，扩容需求大，扩建难度高；设备老旧，安全风险高，修修补补，疲于奔命……这些都是城市老旧变电站面临的改造难题。城市寸土寸金，负荷集中，变电站异地新建基本不可能[1]；采用“农村包围城市”的策略，在非中心区域新建变电站，虽然可以在远期缓解负荷增长的压力，但由于线路路径、建设投产周期等问题，这些新站投产后往往只能用来供给新增负荷，替代老旧变电站的功能几乎是不可能的。
虽然老旧变电站的问题诸多，但由于这些变电站往往已经成为事实上的电压支撑点和负荷集中供应点，运行人员仍需要保证这些变电站能够运行的安全可靠，并且更加自动化智能化[2~3]，以满足“减员增效”的大势所需。
运行中变电站的主接线改造往往超出原有设计规模，站内无预留位置[4]，同时，改造涉及全站设备，施工工序复杂，安全风险巨大。在不扩建土地的情况下实现主接线超可研规模改造；在基本不停电的情况下，实现改造目标并确保施工安全，是改造的难点[5~6]，也是本文论述的重点。
本文通过对某220kV枢纽站主接线改造设计实例的研究和总结，提出通过利用现有空间，结合线路、母线间隔改造，参照行业标准的要求，采用HGIS与GIS组合成的带母线多间隔组合电器，来实现变电站由双母线到双母双分的主接线改造[7]。
1 某220kV大型变电站双母线接线形式改造分析
1.1 改造前情况
该站位于广州市海珠区西部，现有主变2×240+180MVA，220kV出线7回,主接线为双母线带旁路接线型式，一次设备为户外敞开式设备。110kV出线8回，主接线为双母线双分段接线型式，一次设备为户外GIS设备。
该站是广州市海珠区的3个主要220kV电源之一，供电负荷约占海珠区总负荷的40%，是广州中部电网的重要枢纽站，中部电网的6回220kV供电通道中有4回通过该站。
1.2 改造的必要性
220kV枢纽变电站户外AIS设备双母线接线方式存在全站失压风险[8]，当倒闸操作将双母线变为单母线运行时，若发生刀闸瓷瓶或母线支持瓷瓶断裂、跌落将会造成全站失压，构成安全事件，南网反措确定今后重要的220kV变电站应设母线分段开关。
根据系统计算，该枢纽站220kV侧双母线故障全站失压时，严重情况下最大损失负荷约790MW，占广州全网的6%，损失用户数约460000户，占广州全网比例10.5%，构成国务院599号令和南网事故事件调规的一级事件；同时，中部电网损失4回供电通道，严重削弱广州电网网架结构，需大面积错峰限电，并存在系统全黑和构成较大电网事故的风险。
因此，为避免该站双母线故障后全站失压将导致的负荷损失，实现500kV穗西站投运后分区运行要求，加之该站LW6-220W型断路器存在家族缺陷，因此需结合线路间隔改造工程，对该站的220kV主接线进行改造。
1.3 改造的可行性
该站220kV双母线带旁路改为双母双分段带旁路接线的改造工程，结合线路间隔LW6-220W型断路器更换工作一起开展。
（1）可行性分析
改造后需要新增6个间隔，设计中通过灵活采用HGIS设备或HGIS与GIS相结合的组合电器，在拆除两个相邻的敞开式线路间隔后，在原场地内，布置了5个HGIS和GIS间隔，使得原场地的新增间隔得以实施。改造前后间隔数量的对比见表1。
表1 改造前后间隔数量表
（2）安全性分析
改造设计遵循保证变电站双母线运行方式，避免全站停电以及避免线路长时间停电的原则，在施工策略上确保新的1M、2M、5M、6M母线设备间隔均投运后，才拆除原有母线设备间隔，改造为分段间隔；在至少完成一个新的220kV母联间隔后，才拆除原母联间隔进行改造；在施工工序上通过利用原有旁路代路的方式，合理安排改造工序，避免了线路长时间停电或两回线路同时停电的情况，从而避免了常规改造方案中的220kV单母运行时的安全风险，确保改造期间电网运行的供电安全可靠。
（3）经济性分析
变电站由双母线带旁路接线改造为双母双分带旁路后，可以有效避免双母线接线时的全站失压风险，保证广州6%的用电负荷安全可靠。
改造工程结合线路断路器退运同时进行，避免工程的反复性，更换后，线路间隔采用更加安全可靠免维护的组合电器设备，可以提高设备运行的安全性，减少维护成本。
改造工程新增了6个间隔但未征用一寸土地。节省了大量的征地费用，降低改造成本。
2 改造设计方案
改造工作涉及原有五个间隔设备的拆除和一、二次设备的改造、重建工作。具体如下：
（1）将原1M分拆成1M、5M，分段设备采用HGIS设备；
（2）将原2M分拆成2M、6M，分段设备采用HGIS设备；
（3）旁路、5M-6M母联、6M母线设备三个间隔的设备全部采用GIS设备并通过HGIS与敞开式母线驳接，布置在原旁路间隔，同时拆除原旁路间隔主要设备；
（4）瑞伍甲线、5M母线设备两个间隔的设备全部采用HGIS设备，布置在原瑞伍甲线间隔，同时拆除原瑞伍甲线间隔主要设备；
（5）厚瑞甲线、1M、2M母联、2M母线设备三个间隔的设备全部采用GIS设备并通过HGIS与敞开式母线驳接，布置在原厚瑞甲线间隔，同时拆除原厚瑞甲线间隔主要设备。
（6）厚瑞乙线、1M母线设备两个间隔的设备全部采用HGIS设备，布置在原厚瑞乙线间隔，同时拆除原厚瑞乙线间隔主要设备。
改造部分的主接线见图1。改造新增的多间隔GIS布置及其与敞开式母线的驳接情况见图2。
图1 改造前后的主接线
图2 HGIS与GIS相结合的组合电器
3 工程参考意义
3.1 改造原则
虽然各个变电站的运行情况、设备状况等千差万别，但是通过对改造实例的研究，可以发现变电站改造中的共性。本文结合该站的改造方案，总结列举变电站改造设计需要遵循的原则：
（1）设计方案应充分考虑运行中变电站的安全生产要求，减少停电时间，避免全站停电；
（2）设计方案应充分考虑安装及检修的便利，在满足设备安全净距的要求时，还必须满足巡视、检修、吊装、运输等要求。
（3）设计方案应因地制宜，巧用GIS和HGIS设备，利用变电站原有场地进行新增或设备升级改造；
（4）设计方案应充分考虑老旧变电站的设备设施使用情况，应在方案中充分结合老旧设备和设施的更新换代，避免改造工程修修补补重重复复；
（5）全站综合改造设计应充分考虑新建设备的集中布置，充分利用和节省站内土地资源，提高土地利用率。
3.2 220kV变电站220kV侧的接线型式
早期建设的220kV变电站的220kV侧接线一般采用双母带旁路接线[9~10]。这是因为在大型变电站建设早期时，由于开关设备操作可靠性不高，由开关误动或者拒动引起的故障次数较多，双母线带旁路的接线方式可以有效地做到不停电检修，提高了供电的可靠性。
但是，双母线带旁路的接线本身也存在着许多弊端，例如：占地面积大、占用设备间隔数较多、二次保护配置复杂、倒闸操作票步骤繁多，易发生误操作[1]。随着SF6断路器和GIS设备技术的成熟和价格的下降，开关设备操作的可靠性和准确性有了大幅度地提高，目前已经得到了较为广泛的应用。
因此，为满足负荷快速增长和电网快速发展的需要，淘汰老旧设备，避免全站失压风险，提高电网供电可靠性，大中城市新建或改造的变电站，其接线方式推荐采用双母线双分段接线。
3.3 采用HGIS或HGIS与GIS相结合的组合电器实现间隔新增和老旧配电装置的淘汰
广州地区八九十年代建设投产的220kV变电站基本采用户外敞开式设备，采用中型布置。由于变电站运行时间久远，一次设备接近寿命期，隐患缺陷多，高型构架老化程度严重[11]，威胁到电网的安全。受场地限制、征地困难和施工现场风险控制难度大，建议灵活采用HGIS设备或HGIS与GIS相结合的组合电器，以逐步实现改造目标。
采用HGIS改造单一间隔的工程较为常见，下面主要阐述采用HGIS与GIS相结合的组合电器对220kV配电装置改造的优点如下：
（1）减少停电时间，避免全站停运。改造涉及双母线改造为双母双分，还涉及线路间隔的改造，改造中通过合理安排施工工序，先利用旁路代路对线路间隔进行改造，同时安装新增母线设备及母联间隔，然后再进行母线分段改造，从而有效减少线路停电时间，避免了全站全停的情况发生。
（2）保留原有敞开式的旁路母线及出线构架，变电站内改造不影响原有线路走廊及线路运行。无论是改造为HGIS还是GIS的线路间隔，都通过支柱绝缘子与旁路母线驳接，施工中也通过旁路代路的方式保证线路运行，将改造控制在变电站范围内。
（3）改造前其中1回出线无独立配电装置，运行时需要由旁路间隔代路；改造后较改造前增加了6个电气间隔，需由旁路代路的出线间隔已经成为独立间隔。
（4）节约企业成本。改造新增了6个电气间隔，但未征用一寸土地，大大降低了工程成本。
（5）为日后220kV侧原场地GIS改造奠定基础。改造后，旁路、6M母线设备和5M-6M母联布置为一组GIS设备；厚瑞甲线、1M-2M母联、1M母线设备布置为一组GIS，GIS母线留有驳接位置，可以逐步实现全站GIS改造。
4 结论
随着大中城市负荷的快速增长，电网企业“减员增效”需求的不断增加，对老旧变电站的大规模就地改造将会大量涌现。本文通过实例分析，提出利用现有空间，采用HGIS分支母线与多间隔GIS相结合的组合电器，结合老旧设备的淘汰更换，实现双母线改造为双母双分的主接线型式。
本文分析了该方案的工程参考意义，为推进220kV大型变电站超规模不全停改造，实现老旧设备淘汰，避免全站失压风险，提高电网运行可靠性提供技术指导。