1000kV特高压户外交流隔离开关选型及其技术条件.docx

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1000kV特高压户外交流隔离开关选型及其技术条件

1000kV特高压户外交流隔离开关选型及技术条件

1　引言 

　　国家电网公司在2005年工作会议上明确提出：

在今后几年内，我国需要建设全国特高压电网，它是我国当前电网建设工作的重中之重。

电力规划设计总院为了贯彻国家电网公司关于在全国建设特高压网的决议，准备在全国规划建设7个特高压输变电示范工程，即3个1000kV交流特高压输变电工程，4个±800kV直流工程。

其中，陕北煤电基地－山西晋东南煤电基地－南阳－荆门－武汉的单回1000kV交输变电示范工程预计在2008年建成。

这意味着我国对1000kV交流输变电技术科研工作将从前几年的科研前期准备工作阶段进入工程建设实质性阶段。

　　本文在总结我国近25年来300多个500kV配电装置中550kV隔离开关工程应用实践的基础上，参照近期国内750kV隔离开关的选型，通过分析国外一些隔离开关著名制造厂商，如西门子、ALSTOM，ABB，SSL（美国）、EGIC（原法国MG）、HAPAM（荷兰）等所生产的800kV隔离开关工业产品以及1000kV隔离开关试制产品的有关情况，提出了1000kV特高压隔离开关（以下简称UHV隔离开关）的选型原则，并且按线路型和母线型2种不同型式提出了选型意见和技术条件。

   2 UHV隔离开关的作用 

　　1000kV配电装置有常规GIS，复合式组合电器（HGIS）和敞开瓷柱式电气设备（AIS）3种可供进择的方案。

按照我国500kV和西北地区750kV电网建设经验，无论哪一种方案UHV隔离开关的作用都需要安装户外隔离开关，因此开展1000kV空气绝缘UHV开关隔离开关的作用是十分必要的。

l000kV配电装置的布置型式和电气主接线决定了其中UHV隔离开关的配置方案和功能，在电气主接线中不同位置的UHV隔离开关有不同的作用。

　　由于1000kV断路器的价格十分昂贵，因此1000kV配电装置电气主接线应在保证可靠性的前提下尽量少用断路器，宜采用一个进（出）线回路配置1台断路器的原则。

如采用运行方式灵活的双母线双段接线，而不采用目前我国500kV配电装置通常采用的一个进（出）线回路配置l台半断路器（2个回路组成1串、配置3台断路器）的1个半断路器接线方式。

　　因此，应按双母线双分段接线方式来研究1000kV UHV隔离开关的作用。

通常，1个典型的双母线进（出）回路中有2种隔离开关：

线路型和母线型隔离开关。

2.1  线路型隔离开关 

　　线路型隔离开关布置在断路器旁靠线路侧。

当断路器停电检修时，将隔离开关打开，接地开关接地，以便在断路器靠线路侧形成一个明显的断点，并可靠接地，线路型隔离开关仅起检修隔离的作用。

2.2  母线型隔离开关 

　　母线型隔离开关布置在断路器旁靠母线侧，它主要有3个作用：

①与线路型隔离开关相同，起检修隔离作用；②开合空载母线充电电容电流；③在改变双母线运行方式（如当出线回路从母线Ⅰ改为Ⅱ母线）时需要进行倒闸操作，母线隔离开关与母联回路形成环路，母线隔离开关需要开合母线转换电流。

　　显然，对母线型隔离开关的技术要求比线路型的要高得多。

3  UHV隔离开关的选型原则 

（1）按照隔离开关在1000kV配电装置中的不同位置、起不同的作用，分别按线路型和母线型2种小同的技术条件进行选型。

1000kV线路的充电功率是500kV的5倍。

相应的1000kV母线充电电流也比500kV的大得多。

美国SSL公司生产的RDA型1000kV隔离开关相间距离为14m，也比500kV（通常为7m）大得多，此外1000kV隔离开关的制造难度较大。

因此对1000kV隔离开关的选型，不能沿用500kV隔离开关型式繁多而又不加区别的用同一技术标准的原则，而应对线路型和母线型这2种基本类型按不同的标准各选择一种相对稳定的1000kV隔离开关，以便于我国高压开关厂对UHV隔离开关的研制工作。

（2）隔离开关打开后带电的导电杆不能占用相间空间。

对于单断口的隔离开关，在分闸状态下导电杆是带电的。

由于1000kV配电装置的相问最小安全净距（空气间隙）很大，一般为8m左右。

如果采用单断口的隔离开关，则隔离开关打开过程中会由于导电打的水平转动而占用一定的相间空间（导电杆长度）。

导电杆长度再加上8m的最小安全净距，导致隔离开关的相间距离在20m以上，大大增加了配电装置的占地面积，不能满足UHV配电装置的设计要求。

（3）对隔离开关，力求结构简单、机械强度大、分闸时稳定性好和尽量少维护是结构选型的基本出发点。

1000kV隔离开关采用空气绝缘，单断口导电杆长约8m，支柱绝缘子高约7.5m。

如果产品外形高，纵向尺寸大、质量大，那么在制造上将会有较大的难度。

因此应选用断口少、折叠活动臂少和结构简单的结构型式，以保证产品的机械强度和稳定性。

　　（4）在1000kV电容式电压互感器（CVT）同路中不允许安装隔离开关。

避免CVT回路的隔离开关在投切数值很大的集中电容时出现电弧过长而很难熄灭的问题。

4 国外UHV隔离开关产品剖析

　　世界上投运750kV电网已有几十年的历史。

均采用800kV隔离开关，由一些著名制造厂商提供成熟的工业产品。

而1000kV电网只在日本、前苏联、美国等少数国家处于试运行阶段，有的国家目前还是降压运行。

因此国外1000kV隔离开关基本上都是试制产品，即在原有800kV隔离开关基础上增加外绝缘距离，解决好整体机械强度和电场分布的问题，以满足电压提升的要求。

国外1000kV隔离开关主要技术参数见表1。

　　分析国外1000kV隔离开关的试制产品，可以得到以下2点启示：

（1）从结构型式上看，采用双柱垂直开启式隔离开关的比例最大，占50%；采用三柱中间水平旋转式隔离开关的比例次之，占34%；至于单柱垂直伸缩式隔离开关，由于其结构较复杂，故所占比例最小，为16%。

这证实了本文前面提出的对1000kV隔离开关的选型应力求结构简单这一观点。

（2）国外产品的绝缘水平、额定电流等技术参数，可供我国在确定示范工程的绝缘配合时参考。

对1000kV隔离开关的雷电冲击耐受电压可取2250kV，额定电流可取4000A，额定短时耐受电流及时间可取50kA，2s和63kA，2s二档。

　　当前投入工业运行的1000kV隔离开关是美国SSL公司生产的RDA型额定电压为1100kV的户外三相隔离开关，安装在美国华台兹山试验站。

RDA型隔离开关每相有3个瓷柱，导电杆安装在中间瓷柱顶部，利用中间瓷柱带动导电杆水平旋转，形成2个空气绝缘的断口，断口尺寸为2×3650mm隔离开关高约6705mm，长8010mm，相间距离为14m。

5 UHV隔离开关选型

 　我国在500kV配电装置中主要选用3种型式的隔离开关：

①单柱水平伸缩式。

它的优点是相间距离小，纵向尺寸短。

主要问题是静触头和活动水平伸缩臂分别安装在2个设备支架上，支架基础的施工误差和不均匀沉降都会影响隔离开关的开合性能。

②三柱中间水平旋转式。

它的优点是相同距离小，缺点是纵向尺寸较大。

⑧单柱垂直伸缩式。

它的优点是不占用纵向尺寸，节省占地。

主要问题是活动臂较多、结构复杂。

特别是由于我国500kV配电装置一般采用悬吊式铝管母线或软母线，而母线都有一定的风偏位移，因此要求位于母线下方的单柱垂直伸缩式隔离开关的钳夹范围大：

我同运行规程规定垂直断口净距应满足停电检修B值的要求，对500kV单柱垂直伸缩式隔离开关，相-地最小空气间隙为3800mm+750mm（人体上半身高度），对垂直断口净距要求高。

这些特殊要求都加大了单柱垂直伸缩式隔离开关产品的高度。

　　按照本文第3节所提出的UHV隔离开关选型原则，结合我国500kV隔离开关工程应用的实践经验，对1000kV交流隔离开关的选型意见如下：

（1）线路型隔离开关。

由于1000kV电气设备外形尺寸高大．因此1000kV配电装置都采用户外中型布置型式，每个回路电气设备采用串联连接方式。

由于在线路型隔离开关的上层无带电的架空软导线，对隔离开关的垂直空间没有限制，因此推荐采用双柱垂直开启式结构型式。

它的主要优点是：

①每相隔离开关只有2个支柱绝缘子，1根向上垂直开启的导电杆，单断口，隔离开关结构最简单，制造相对比较容易，运行可靠性高。

②隔离开关相同距离最小，隔离开关打开后，带电导电杆位于隔离开关的上方，不占用相同空间。

③隔离开关纵向尺寸小，节省占地。

　　国产800kV双柱垂直开启式户外交流隔离开关的外形见图1。

（2）母线型隔离开关。

南于母线型隔离开关通常布置在配电装置带电母线的下方，因此不宜选用导电杆向上开启的双柱垂直开启式隔离开关。

对1000kV导线型隔离开关，推荐采用三柱中间水平旋转式结构型式。

它的主要优点是：

①相间距离最小。

每相隔离开关有3个支柱绝缘子，导电杆安装在中间绝缘子顶部，隔离开关打开时，中间支柱绝缘子带动导电杆水平旋转约65°，在隔离开关的两端形成2个断口（空气间隙）。

双断口隔离开关打开后，中间的导电杆不带电，因此不占用相间空间。

②采用双断口隔离开关。

从制造上讲，此种隔离开关解决开合1000kV空载母线充电电容电流和母线转换电流的问题相对比采用单断口隔离开关要容易。

　　此外，三柱式隔离开关由于瓷柱的增多，纵向尺寸较大，但是由于它用作母线型隔离开关，布置在母线下方，它的尺寸不是确定配电装置纵向尺寸的控制条件，因此这个缺点并不明显。

　　国外800kV三柱中间旋转式户外交流隔离开关外形见图2。

2003年以来，我国西安和平顶山两大高压开关厂分别与美国南州电力开关有限公司（SSL公司）签订了126～800kV隔离开关技术转让及合作生产协议。

SSL公司是美国最大的隔离开关生产厂商，已有100多年历史，拥有7.2～1100kV，600～6500A全系列的高压隔离开关产品。

西安高压开关厂采用从SSL公司引进的技术为750kV官亭变电站提供了800kV双柱垂直开启式的隔离开关产品。

由于官亭变电站地处海拔高度2000m的西北高原，对设备绝缘水平要求很高，因此对其隔离开关的试验值已经十分接近国外1000kV隔离开关试制产品的参数（海拔高度在1000m及以下）。

二者的绝缘水平的比较见表2。

　　对国产800kV隔离开关产品进行了4000次合分操作循环的机械寿命试验，操作正常。

此外，平顶山高压开关厂也自行研了800kV三柱中间水平旋转式隔离开关的样机。

因此，对1000kV隔离开关不需要进口。

可以在同产800kV隔离开关产品的基础上研制开发而成。

对国产1000kV隔离开关的主要技术条件建议如下。

6.1 使用环境条件

   海拔高度/m                                    ≤1000

   周围空气温度/C°                        -35～+40（户外）

   最大日温差/K                                25

   最大风速/m.s-1                              34（对应风压700Pa）

   相对湿度/%                                    90

   日照强度/W·cm-2                        0.1

   覆冰厚度/mm                                 10

   耐地震能力                                   地面水平加速度0.15g

                                                           安全系数1.67

   污秽等级/级                                  Ⅱ级、Ⅲ级

6.2 结构型式

   线路型：

双柱垂直开启式、单根导电杆、单断口

   母线型：

三柱中间水平旋转式、双断口

6.3 主要技术参数

   额定电压/kV                                                  1100

   额电电流/A                                                    4000

   额定短时耐受电流及时间/kA，s                 50，2；63，2

   额定峰值电流/kA                                          125；158

   雷电冲击耐受电压（对地/断口）/kV               2250/（2250+629）

   操作冲击耐受电压（对地/断口）/kV               1675/（1550+898）

   lmin工频耐受电压（对地/断口）/kV                 1100/1300

   开合母线转换电流能力/A，V                      2500，400

   开合小电容电流能力/A                                 3

7 结论

　　为了保证运行的灵活性，1000kV户外交流隔离开关是AIS，HGIS，GIS各种型式1000kV配电装置中必不可少的电气设备，目前它在世界上还处于研制阶段，也尚无IEC标准，是今后一段时间内世界各国重点研制的UHV电气设备之一。

当前，我国将要大力开展1000kV电网的建设工作，无疑将对其发展起到巨大的推动作用。

　　本文提出了应根据隔离开关在高压配电装置电气主接线中的不同位置、不同功能，对1000kV户外隔离开关按线路型、母线型2种不同的技术条件分别进行选型和制造的观点。

同时，在当前1000kV电网建设的初期阶段，为了简化产品系列，建议对2种类型的1000kV隔离开关中各选择出一种结构型式：

推荐线路型采用双柱垂直开启式（单断口），母线型采用三柱中间水平旋转式（双断口）进行优先开发研制，以利于UHV电气设备的国产化进程。