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隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電器制造技術(shù)的進(jìn)步，要求進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,因此高壓開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行可靠性受到了特別關(guān)注。在常規(guī)空氣絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備GIS)取得進(jìn)步的基礎(chǔ)上,從20世紀(jì)80年代開始推出了柜式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備簡稱C-GS或充氣柜，也有稱為SF充氣柜)。典型的充氣柜是以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)而采用真空滅弧的方式，是一種新型組合式配電電器。其接線原理和功能與常規(guī)空氣絕緣開關(guān)柜基本相同，主要區(qū)別在于采用了SF,氣體封閉氣室，通常有母線室包括隔離開關(guān))、斷路器室包括電纜終端)等,每個氣室均為一個完整內(nèi)部元件的模塊,各模塊間以錐形接頭連接，SF6氣體充氣壓力約為0.05MPa表壓)。此外,設(shè)有不充氣的電纜出線隔室和控制室,并布置有斷路器和隔離開關(guān)的操動機(jī)構(gòu)。柜之間母線連接一般采用插接式固體絕緣連接頭,沒有暴露在空氣中的一次帶電體。
1高壓充氣柜特點(diǎn)及應(yīng)用
1.1特點(diǎn)
①)體積小。開關(guān)柜內(nèi)母線和各分支回路導(dǎo)體均采用SF6氣體絕緣,與普通開關(guān)柜的空氣或固體絕緣相比,大大壓縮了尺寸。以35KV開關(guān)柜為例,普通空氣絕緣柜寬間隔寬度)在1818mm以上,采用固體復(fù)合絕緣如導(dǎo)體包裹固體材料絕緣可將柜寬壓縮至1200~1400mm,而采用SE氣體絕緣的充氣柜柜寬壓縮至600mm左右。因此,在柜深基本相同的情況下,可節(jié)省占地12以上。
②可靠性高。由于主要電氣元件是在類似GS結(jié)構(gòu)的氣室中,因此基本不受灰塵、潮濕.腐蝕、小動物等環(huán)境因素的影響,設(shè)備運(yùn)行可靠性顯著提高。
③安裝維護(hù)簡便。由于開關(guān)柜除柜體框架外，主體部分均為模塊化設(shè)計(jì),所以現(xiàn)場安裝快捷簡便，運(yùn)行維護(hù)工作量也較常規(guī)配電裝置大為減少。
④性價比較高。盡管采用了SF6氣體絕緣全密封結(jié)構(gòu),相對空氣絕緣和固體復(fù)合絕緣開關(guān)柜,成本相對較高。但如與GS設(shè)備比較，充氣柜采用真空斷路器為開斷元件,而沒有采用GIS中那種獨(dú)立的SE滅弧室和復(fù)雜的操作機(jī)構(gòu),故其成本低于相應(yīng)的GIS設(shè)備。
1.2應(yīng)用及分析
高壓充氣柜雖然是一種設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)先進(jìn)的開關(guān)設(shè)備，但目前國內(nèi)應(yīng)用還不普遍，其主要原因有:(1)技術(shù)較新,工藝要求較高,生產(chǎn)此類產(chǎn)品的主要是幾家國際知名企業(yè),且價格昂貴，以35kV單間隔為例,報(bào)價在50萬~70萬元,而國產(chǎn)或合資企業(yè)生產(chǎn)的固體復(fù)合絕緣開關(guān)柜單間隔報(bào)價不超過30萬元;②目前國產(chǎn)35kV電壓等級固體復(fù)合絕緣開關(guān)柜的技術(shù)較成熟,對常規(guī)變電所其可靠性、占地面積等技術(shù)指標(biāo)均能滿足要求,而高壓充氣柜的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)歷史較短,還不能替代固體復(fù)合絕緣開關(guān)柜。隨著我國城市化程度的不斷提高,特別在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),因城市和周邊開發(fā)區(qū)土地價格的快速增長,使變電所征地費(fèi)用直線上升,征地拆遷工作成為變電所建設(shè)新難點(diǎn)。因此，高壓充氣柜設(shè)備占地少可靠性高、少維護(hù)的優(yōu)勢將逐漸體現(xiàn)出來。江蘇省近年來高壓充氣柜的應(yīng)用也越來越廣泛,除電力系統(tǒng)內(nèi)城市戶內(nèi)站外,一些工作環(huán)境特殊的大型企業(yè)如地鐵、石化、冶金等也在逐步推廣使用。
2設(shè)計(jì)方案及主要問題的解決
2.1接線選擇
在220kV變電所中，10~35kV配電裝置作為變電所低壓側(cè)主要對變電所附近負(fù)荷供電。SF充氣柜在接線方面的考慮與普通開關(guān)柜基本相同,但通常采用單母線分段接線,而不是采用獨(dú)立電氣元件組裝式配電裝置慣用的雙母線帶旁路母線。這是因?yàn)樵O(shè)備集成化程度高,母線為全封閉狀態(tài),而不像敞開式布置時雙母線可輪流停電檢修,而且充氣柜設(shè)備可靠性高,故可簡化接線。
220kV變電所中,35kV電壓等級通常用于城郊或開發(fā)區(qū)等供電范圍較大或有大用戶的地區(qū)供電，由于進(jìn)出線回路往往不超過12回,一般采用單母線單分段兩段母線),典型接線如圖1。
而10kV電壓等級通常用于城市中心等供電范圍較小、但負(fù)荷密度較大地區(qū)，可以選擇多分段接線方式,例如出線回路較多時可接成單母線四分段。
2.2進(jìn)出線方式選擇。
受結(jié)構(gòu)限制，SE充氣柜進(jìn)出線僅能采取柜下進(jìn)出線方式,具體有電纜和絕緣硬母線2種。2種方案比較:絕緣硬母線通流容量較大,但成本較高,且對安裝要求嚴(yán)格，所有制成段都必須在工廠加工成形,現(xiàn)場安裝時不允許有偏差，所以很少采用;電纜本體成本較低、安裝較簡便,現(xiàn)場可根據(jù)需要彎曲，調(diào)整鋪設(shè)路線方便,但大載流量時由于并聯(lián)電纜較多,敷設(shè)比較困難。綜合考慮成本及工期等因素，高壓充氣柜通常采用電纜進(jìn)出線。
2.3平面布置
與普通開關(guān)柜布置方式相似，SF充氣柜可采用單列或雙列布置,由于充氣柜的斷路器系固定封裝,所以不需像手車柜或中置柜那樣考慮斷路器抽出距離,對部件拼裝、操作空間要求較小。以某廠家產(chǎn)品為例，要求柜前最小操作通道1000mm、柜后通道50mm、柜上空間300mm.對照高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)程要求,充氣柜對空間要求遠(yuǎn)低于規(guī)程對常規(guī)開關(guān)柜要求,特別是在220kV城市變電所中10~35kV充氣柜所占空間較小，可與110kV中壓側(cè)配電裝置統(tǒng)一考慮，在同一建筑中分層布置,安裝空間不會有問題，圖2是典型的布置方案。
2.4柜體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
由于SF充氣柜進(jìn)出線全部在下部進(jìn)行,而柜寬寬度僅600mm,故其基礎(chǔ)進(jìn)出線密集,對設(shè)計(jì)要求較高。圖3是某廠家提供的充氣柜基礎(chǔ)布置。圖3中點(diǎn)狀陰影部分為充氣柜底部在地面上的投影,其中疊加斜線部分為充氣柜底部與地面接觸部分,其余部分與地面不接觸。充氣柜每一間隔寬度為600mm,質(zhì)量約700kg柜體質(zhì)量實(shí)際分布在斜線部分。由圖3可見,一次電纜孔與二次電纜孔距離很近，兩孔邊距僅80mm，兩孔中均有大量電纜穿過，尤其是主變進(jìn)線間隔一次電纜孔。
以電壓等級為220kV/110kV/35kV的三相電力變壓器為例，如其各電壓側(cè)容量為180/180/90MV.A,則低壓側(cè)工作電流估算為:
按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)體，設(shè)j=1.2Afmm,則主變35kV回路電纜經(jīng)濟(jì)的截面為S=π/j=15591.213006m),參照現(xiàn)有電纜規(guī)格系列，每相可以選取3x(YJV-35-400)電力電纜，總截面3x400=1200nm)較符合經(jīng)濟(jì)性。由此可見，在1145mmx510mm孔中需穿過9根YJV-35-400電纜，并要在電纜孔下方考慮插接式電纜留有一定的操作空間。另外,一次電纜孔與二次電纜孔之間只有80mm寬的基礎(chǔ)卻必須承受柜體近一半的荷重，這也是充氣柜安裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。歸納起來,設(shè)計(jì)充氣柜基礎(chǔ)應(yīng)確保:①)保證一次、二次電纜合理的進(jìn)出路徑;②保證一次電纜插接操作必要的空間;③一期工程安裝完畢后應(yīng)保證今后擴(kuò)建、維護(hù)工作尤其是對充氣柜底部進(jìn)出線電纜的維護(hù)、擴(kuò)建)的可行性;④為達(dá)到上述要求,相應(yīng)土建結(jié)構(gòu)必須緊湊有效。
3典型設(shè)計(jì)方案
以金橋變電所為例,介紹高壓充氣柜及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)中主要采取了如下措施。
一次、二次電纜進(jìn)出路徑規(guī)劃方面,考慮到進(jìn)出線工藝的順暢性,總平面布置將35kV戶內(nèi)配電裝置布置在主變和35kV主要出線方向之間，見圖4.這樣35kV電壓等級的主變進(jìn)線與出線電纜分別引向相反方向,走線清晰、不易造成局部電纜過分密集。各柜二次電纜匯聚后引至主控樓方向，在開關(guān)柜屏前設(shè)計(jì)布置一條二次電纜溝，各柜的二次電纜均通過電纜管引至二次電纜溝,將來在擴(kuò)建時二次電纜放線不會影響已有運(yùn)行間隔。
(2)在充氣柜下方設(shè)計(jì)了一個電纜半層，一次電纜支架設(shè)于充氣柜開孔正下方，這主要是考慮35kV電纜本體較重,應(yīng)該盡量減少電纜盤曲，同時便于電纜頭向上插接。電纜層高度為2.2m,加上充氣柜電纜終端距底面距離為0.6m,可以保證一次電纜最上層彎曲半徑達(dá)到60(YJV-35-400外徑)X20=1200mm,同時也能保證插接電纜操作空間。
③電纜層平面如圖4共設(shè)置了4個檢修人孔，主要考慮電纜排架對空間分割,避免出現(xiàn)檢修維護(hù)無法進(jìn)入的死角。
④電纜排管的應(yīng)用。在充氣柜下面設(shè)計(jì)一個類似加寬電纜溝局部電纜層。這一方式可減少土建工程量,不必將充氣柜室地坪抬高另做一層電纜層。但下挖局部電纜層存在防水問題，特別是與室外電纜溝連接處，由于電纜層地勢較低，容易積水倒灌。設(shè)計(jì)采用了一段電纜排管連接室內(nèi)電纜層與室外電纜溝，相對而言，電纜排管較易采取防水措施，且設(shè)計(jì)有一定坡度,便于施工放電纜。
5充氣柜基礎(chǔ)一、二次電纜孔間承重基礎(chǔ)的處理。設(shè)計(jì)的一、二次電纜孔間一段土建梁跨度較大,梁寬不易做小,開始做成鋼筋混凝土梁后因過寬影響一次電纜施工，現(xiàn)場采取局部用工字鋼代替的臨時措施。
4結(jié)束語
(1)高壓充氣柜具有占地小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在土地資源緊張地區(qū),正在得到日益廣泛的運(yùn)用。
②高壓充氣柜的應(yīng)用設(shè)計(jì)在接線、總布置方面與常規(guī)開關(guān)柜基本相似,但由于結(jié)構(gòu)尺寸非常緊湊，對安裝基礎(chǔ)要求較高,給設(shè)計(jì)帶來一定困難。經(jīng)總結(jié)已投運(yùn)的幾個變電所的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時應(yīng)注意:①充氣柜進(jìn)出線通常采用電纜方式,設(shè)計(jì)應(yīng)按遠(yuǎn)景規(guī)模做好電纜溝管的預(yù)留,做好一、二次電纜路徑的規(guī)劃。
②充氣柜下方電纜層應(yīng)保證足夠的高度和空間，要求充分與廠家溝通。條件允許宜首先考慮采用地上電纜層,如采用地下電纜層則應(yīng)充分考慮防水、通風(fēng)等問題。
③充氣柜對基礎(chǔ)承重結(jié)構(gòu)要求較高,建議有條件局部可采用鋼結(jié)構(gòu)支撐，以免對后期電氣安裝產(chǎn)生障礙。
