TGIS组合电器在风电场中应用的可行性分析.docx

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TGIS组合电器在风电场中应用的可行性分析

T-GIS组合电器在风电场应用的可行性分析

----一种减少风电场升压站用地的方法

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T-GIS组合电器在风电场应用的可行性分析

摘要

随着社会各界对新能源需求的日益提高，风力发电在新能源中所占的比重也在不断的加大，但是在风电场建设中存在各式各样的问题，风电场升压站选址就是其中的关键问题之一，特别是复杂地形的升压站选址问题。

风电场升压站的选址根据电力部门和风电场中长期规划、运输条件、地区自然条件、环境保护要求和建设计划等因素全面考虑，随着风电行业的快速发展,升压站建设的小型化、智能化是必然趋势,根据国家电网公司电网建设“两型一化”的要求,结合国内风电快速发展的实际需要，T-GIS（线路变压器组复合式组合电器,）既能使升压站一次设备高度集成化,满足升压站建设的需要,同时又能适应智能化电网发展要求，大大缩减风电场升压站建设用地。

T-GIS组合电器可采取水平或立体布置形式,使变压器、组合电器两种不同功能的设备成为一体,结构变得非常紧凑,特别适用于负荷开端、末端线路变压器组接线形式的变电站，既能降低变电站建设费用，又能降低升压站建设用地。

关键词

升压站;两型一化;T-GIS

一、前言

随着电网的发展,升压站建设小型化、智能化是发展的必然趋势,尤其是城区或城区边缘区域,建设升压站的土地资源越来越紧张,全国电力系统都面临相同的问题,就是升压站建设的征地难。

对此,国家电网公司提出升压站建设“两型一化”要求,即资源节约型、环境友好型、工业化⑴。

建设“两型一化”升压站,是按照升压站的功能要求,进一步明确其工业性设施的功能定位和配置要求,实现升压站全过程、全寿命周期内“资源节约、环境友好”,降低升压站建设和运行成本,推进标准化建设。

“资源节约”就是要在升压站建设、运行全过程实现节地、节材、节水、节能,从设备选型、平面布置、建筑设计和建筑材料、绿化等方面制定具体的节约资源措施。

结合国网公司建设“两型一化”升压站的实际需求,升压站一次设备高度集成的方针,积极采用各种技术手段,优化一次设备结构,减小升压站占地,节约土地资源,达到既满足升压站建设的需要,同时又适应智能化电网发展的要求。

根据升压站一次设备集成建设的需要,本论文以设计将升压站内主变压器与高组合电器进行连接,使两种不同功能的设备成为一体。

并进而可以采用智能化操作机构、电子式电流互感器以及变压器、开关设备在线监测装置等,以满足智能升压站的需要。

本论文的研究具有以下几方面的意义：

（1）抛砖引玉，引起公司领导和电气岗位相关专业人士对T-GIS设备的注意，希望能够在天润风电场内采用，尽量的降低风电场建设成本。

（2）由于升压站设备种类较多,而且各电器设备之间按设计规程规定要有足够的电气距离和运输通道,造成占地面积较大。

通过本论文的研究开展,使得升压站一次设备集成化,减少了占地面积,大大节约项目征地投资。

（3）常规户内升压站的建设,高设备全部在户内,开关、互感器、隔离开关等设备需要布置在二楼,因此楼房的建筑面积较大,而且还必须考虑房屋的承重问题。

本论文研究的设备一经使用,采用一层布置就已足够,大大减少了建筑面积,而且基本不用考虑一次设备的承重要求,大大降低建筑成本。

（4）常规升压站的设备运行维护工作量大由于本项目研究将一次设备的高度集成,要求一次设备必须做到免维护或少维护设备,减少了运行维护量和维护成本。

（5）可建成智能化升压站,实现智能化操作、数字化终端,实施在线监测。

目前国内外只有对GIS、HGIS组合电器的应用,对变压器与高组合电器相连接的研制尚未见报导,本论文为第一次提出将变压器与HGIS实行一体化布置的结构在风电场升压站内的应用。

二、T-GIS技术方案简介

（一）、T-GIS定义及设计原则简介

1、T-GIS的定义

T-GIS全称为线路变压器组复合式组合电器,是将电力变压器高出线端与HGIS设备的一个端子通过全封闭的导电体直接相连,并共用一个变压器基础,形成具有升压站进线间隔全部元件的一个组合设备。

该组合电器设备采取水平或立体布置形式,使两种不同功能的设备成为一体,结构变得非常紧凑,特别适用于负荷末端或发电起始端线路一变压器组接线形式的升压站。

2、T-GIS的设计原则简介

T-GIS的设计时遵循以下主要原则简介:

（1）T-GIS设备应保证较高的安全可靠性能。

（2）T-GIS设备应具备较高的标准化程度。

（3）T-GIS设备应具有防误操作功能。

（4）T-GIS设备日常维护工作量应较少。

（5）T-GIS设备要求紧凑合理,占地面积小。

（6）T-GIS设备建设成本应较低。

（二）、T-GIS出线方式的选择

1、水平测出线平面布置方式

即采用一台HGIS设备与一台变压器进行水平连接,取消了HGIS静侧的出线套管、三工位开关室及电流互感器等,变压器设备取消了常规高磁套管出线,而采用水平侧出线,通过油-气套管将断路器断口与变压器出线直接相连。

2、垂直上出线复合式立体布置

为进一步缩小占地面积,提高HGIS与变压器的组合程度,实际工作中可将HGIS与变压器采用立体复式结构,即将HGIS设备安装在变压器的上部,这样使得T-GIS设备的占地面积最小,最大程度地节约土地资源。

在设计过程中,已充分考虑到T-GIS设备的全寿命期内的运行维护成本,提出30年免检修的设计要求。

同时,对HGIS取消了静侧的出线套管、三工位开关室及电流互感器及支架等进行了技术改造,变压器采用屈服强度大于150kN/mm2的半硬铜电磁线,并按低局放、抗短路能力强进行设计,取消了常规高油纸电容型瓷套管出线,而采用垂直上出线,通过油-气套管与断路器断口直接相连。

改进后的T-GIS组合电器,结构更加合理紧凑,完全满足国网公司关于升压站“资源节约型"的建设要求。

（三）、技术难点及方案实施

1、设计技术难点

在设计实施中有以下主要的技术难点:

（1）变压器与复合式组合电器组合单元的设计。

（2）如何消除开关设备的操作中,对变压器震动冲击、对变压器与HGIS连接的油气套管的机械性能、密封性能的影响。

（3）如何消除变压器上部温度高对HGIS设备的运行环境温度高的影响。

（4）由于变压器和HGIS设备为两个企业分别生产,两者在装配上的误差将直接影响能否装配成功和装配后油、气密封效果。

（5）HGIS设备本体位置较高,如何解决操作过程中自身的稳固性。

2、可采取的主要技术方案

在设计实施中主要可采取以下技术方案和措施:

（1）由于变压器采用的是垂直上出线型式,而HGIS的进出线套管均为向上且不是垂直方向,为了使其与变压器有紧凑合理的连接,将HGIS的静侧套管进行了180度翻转,并且重新制造模具,将套管角度改为垂直方向,以保证与变压器通过油-气套管垂直连接。

（2）由于HGIS在进行分合阐操作时,在水平方向要产生一定的动能,为了消除开关分合闸瞬间动能对变压器的震动,将HGIS进行了独立固定支架,并且在变压器与HGIS连接的油-气套管部位,采用了波纹管软连接的方式,不仅缓冲了操作动能对变压器的影响,而且也保证了连接部位的密封效果不受影响。

（3）考虑到变压器在运行过程中,器身上部温度相对较高,会加速HGIS设备的密封材料、套管外绝缘（娃橡胶）的老化速度,因此,为了使变压器上部温度降低,在HGIS的套管根部加装了温度传感器,由温度传感器控制变压器风机的启动和停止。

在变压器风机的设计上,也改变了常见的从下向上吹风的安装方式,改为风机在散热片的侧面横向吹风,能有效地改善变压器的上部HGIS的运行环境温度。

（4）为了保证变压器和HGIS设备三相总装配公差不大于2mm,采取了HGIS预装的办法。

将HGIS的壳体运到变压器现场进行预装,对装配过程中的误差进行调整,然后在将完整的HGIS与变压器对装,结果最后的总装一次成功,经检查,没有发生渗漏油、气现象。

（5）对于GIS、HGIS等组合电器设备,三工位隔离开关均为密封在一个气室内,其工作位置只能靠外部指示进行观察。

为了能准确观察三工位开关的工作位置,在该气室侧面密封法兰上安装可视镜头,视频信号远传变电站或集控中心,运行人员操作后,可以准确监视到三工位隔离开关的位置[7-12]。

（四）、T-GIS的设计创新点

T-GIS复合式组合电器的设计有以下创新点:

（1）线路变压器组复合式组合电器（T-GIS）的研究与设计充分实现了变电站一次设备的集成化、小型化的要求。

实现布置方式多样化,适合户内、户外各种接线要求。

除以上设计方案外,另外还设计出针对变压器电缆进出线、户内布置通过穿墙户外接线等型式,如“图3-1”、“图3-2”所示。

图3-1电缆进线布置图

图3-2户外套管进线图

（2）HGIS设备和变压器均按免维护设计,HGIS出线套管、变压器中性点套管采用碎橡胶外绝缘套管。

（3）HGIS采用部分独立支撑金属构架,解决了开关操作对变压器的冲击震动影响,如“图3-3”所示。

图3-3独立支撑金属构架图

（4）变压器采用自然风冷却型式,风机采用侧装,由中部水平向外侧吹风,降低变压器上部温度高对HGIS设备的影响。

并在HGIS温度敏感部位加装温度传感器,由温度传感器控制启动风机的工作状态。

（5）考虑到智能变电站的需要,T-GIS充分考虑了产品功能的拓展性,经过配置的变化,可实现相关智能化要求。

三、T-GIS升压站与普通升压站比较

（一）、占地面积比较

1、普通升压站占地面积

普通110kV升压站占地面积约为5000平方米，整个升压站共可分为四个区域，分别为：

综合控制楼、附属建筑、35kV配电室、站外配电区。

2、T-GIS升压站占地面积

T-GIS110kV升压站采用立体式安装方式，将35kV配电室与站外配电区合并到一起，占地面积仅为综合控制楼、附属建筑、35kV配电室三个区，占地面积可减少1/4，约为3750平方米。

（二）、建安费用比较

由于T-GIS110kV升压站采用立体安装方式，将35kV配电室与站外配电区合并到一起，可以省去站外配电区基础，但设备安装费用二者费用大概相同，所以T-GIS升压站建安费用可比普通升压站节约约50万元。

（三）、设备费用比较

T-GIS升压站与普通升压站所采用设备大体相同，未省略主要设备，所以设备费用没有大的变化。

四、T-GIS设备应用情况

目前在辽宁电网共有4组66千伏T-GIS组合电器投入运行。

第一组水平式TGIS组合电器,于2008年9月在丹东振江66千伏变电站幵始安装,交接试验全部合格后,于2008年11月正式投入运行。

投运后平均负荷情况为10兆瓦,最高负荷情况为12兆瓦。

设备测温情况与其他运行设备温度比较无异常,温度最高为44℃,无过热现象。

各次定期的变压器绝缘油试验合格,开关微水试验。

运行操作情况:

良好,倒闸操作次数6次共82项,操作中和操作后各设备均无异常。

投入后10千伏侧线路发生短路7次,短路二次电流最大1586.4A,最小396.3A,设备承受短路能力无问题。

第一组立体式T-GIS组合电器,于2010年7月在丹东西丰66千伏变电站开始安装,2010年9月正式投运,投运后至今,月平均负荷13兆瓦,最高负荷16兆瓦,按要求每月进行不少于一次全部设备接点及主变油温进行红外线测温,截止目前主变最高油温45℃,总体无过热现象出现。

运行后例行试验情况,油色谱试验情况等各种试验结果无异常;按照检修计划停电要求、保护做传动试验等,合计倒闸操作6次,共84项,操作中和操作后设备无异常。

投入运行后10千伏线路开关发生跳闸15次,未发生越级跳闸事故,组合电器未发生事故跳闸,设备承受短路能力比较强,目前设备运行良好。

大连南山变2台立体式TGIS组合电器,开始安装时间为2011年4月2日,按照交接试验规程,试验结果正常,正式投运日期为2011年4月21日。

投运后#1主变压器平均负荷为17兆瓦,最高负荷为21兆瓦;#2主变压器投运后平均负荷为15兆瓦,最高负荷为19兆瓦。

每月进行一次红外线测温,最高温度为43℃,位置为主变压器本体油箱顶部,日期为2011年7月25日,没有过热情况发生。

运行后至今没有进行例行试验,油色谱通过两种方式监测,一种是色谱在线监测,每天监测一次,另外是定期取油样回试验室试验,两种监测均未出现异常。

自投运以来,还没有进行过倒闸操作。

投运后10千伏侧线路发生短路情况3次,短路电流分别为2100A、3215A和3550A,设备运行稳定,短路耐受能力达到设计标准。

目前,该设备在运行中未遇到问题。

五、结论

T-GIS设备已经在辽宁地区有了运行实例，通过在辽宁的运行实践证明,T-GIS组合电器设备,不仅减少了变电站征地面积或建筑面积,而且也使变电站建设的总投资大大降低。

由于变电站一次设备的数量的减少,使得安装、调试等时间大大缩短。

变压器和HGIS设备均按免维护要求设计,因此运行后的维护量也大大减少,降低了一次设备的运行成本,得出的结论为：

T-GIS组合电器设备可以在风电场升压站中应用。

由于个人能力与专业技术水平有限，希望本文能起到一个抛砖引玉的作用，引起各位领导对这方面的注意，如有可能，可以将此类设备早日引入我们公司的风电场，达到降低建设费用，减小事故发生率的目的。

六、注释

GIS：

（gasinsulatedsubstation）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。

GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。

HGIS：

是介于GIS（全封闭组合电器）和AIS（常规敞开式开关设备）之间的具有两者优点的组合高压电器（Hybridgasinsulatedswitchgear）

T-GIS：

全称为线路变压器组复合式组合电器,是将电力变压器高出线端与HGIS设备的一个端子通过全封闭的导电体直接相连,并共用一个变压器基础,形成具有升压站进线间隔全部元件的一个组合设备

七、参考文献

[1]国家电网公司“两型一化”变电站设计建设导则,2007

[2]电力行业标准DL/T603-2006,气体绝缘金属封闭开关设备运行及维护规程[S]

[3]傅旭华.组合式高压电器（HGIS）的特点浅析[J].浙江电力,2006,（3）,67-68

[4]包红旗,刘静.HGIS组合电器技术的应用[J].吉林电力,2005（6）,10-13

[5]黎明,黄维枢.SF6气体及SF6气体绝缘变电站的运行[M].北京:

水利电力出版社,1993

[6]邱毓昌.GIS绝缘故障诊断技术[J].高压电器,1986（3）

[7赫惠成.油的吸水度与绝缘受潮的探讨[J].东北电力技术,1992（7）

[8]罗学琛.SF6气体绝缘全封闭组合电器[M].北京:

电力工业出版社,1999

[9]朱尘林.SF6断路器技能考核培训教材[M].北京:

中国电力出版社,2003

[10]国家电网公司.高开关设备管理规范.中国电力出版社,2006

[11]罗学琛.SF6气体绝缘全封闭组合电器[M].北京:

电力工业出版社,1999

[12]朱尘林.SF6断路器技能考核培训教材[M].北京:

中国电力出版社,2003