73 66kV智能变电站66kV电气设备全寿命周期比择.docx
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7366kV智能变电站66kV电气设备全寿命周期比择
66kV智能变电站66kV电气设备全寿命周期比择
谢云秀1沈晔华2
(沈阳电力勘测设计院)
【摘要】本文以国家电网公司输变电工程通用设计、通用设备为基础,以《变电站全寿命周期设计建设技术导则》为导向,结合二牛66kV变电站新建工程的实际情况,对AIS和GIS两种形式的电气设备进行设备参数、土建接口、安装接口进行全面分析,通过全寿命成本最优比较,得出适宜本工程的66kV电气设备选择方案。
【关键词】66kV智能变电站全寿命设备选择
0概述
变电站主要电气设备的选型应以国家电网公司输变电工程通用设计、通用设备为基础,全面贯彻“两型一化”设计导则,根据变电站电气主接线形式、站址条件、系统接网方案、负荷性质等条件综合考虑。
主要电气设备的选型还关系变电站的供电可靠性以及后期的运行维护成本,本文旨在通过对66kVAIS和GIS两种型式的主要电气设备比选,结合二牛66kV变电站工程特点,选择出最优的电气设备型式,以达到变电站全寿命周期成本最优的要求。
1工程概况
二牛66kV变电站位于康平县二牛镇二牛村供电营业所东侧,待建场地地形平坦,站区南侧与303省道相邻,进线方向位于站区东侧。
远景规模:
安装2台40MVA主变压器,66kV出线2回,10kV出线24回,66kV侧安装1台1900kVA消弧线圈,每段10kV母线安装1组3600+3000kvar电力电容器组成套装置。
本期规模:
安装2台20MVA主变压器,66kV出线2回,10kV出线8回,66kV侧安装1台1900kVA消弧线圈,每段10kV母线安装1组3000kvar电力电容器组成套装置。
2专题研究内容
变电站66kV电气设备的选择全面贯彻资产全寿命周期成本管理要求,针对66kVAIS和GIS两种设备形式,在可靠性和安全性、可回收性、防灾和突发事件处理、资产全寿命周期成本最优五个方面进行全面的分析比较,得出全寿命周期最优结论。
针对二牛66kV变电站工程规模,根据《国家电网公司标准化建设成果(输变电工程通用设计、通用设备)应用目录(2013年版)》中通用设备,本文电气设备选取AIS设备与GIS设备两种形式相比较,各电气设备主要技术参数详见表2-1。
表2-1设备编号及主要技术参数
序号
设备形式
设备名称
通用设备编号
主要技术参数
1
AIS
72.5kV
断路器
CQF−2000/31.5
额定电压:
72.5kV
额定开断电流:
31.5kA
额定电流:
2000A
2
72.5kV
隔离开关
CQS-2D−1250/
31.5
额定电压:
72.5kV
额定开断电流:
31.5kA
额定电流:
1250A
3
66kV电流互感器
CTA-D-5-31.5
额定电压:
66kV
额定开断电流:
31.5kA
额定电流比:
2×600/5
4
GIS
72.5kV
组合电器
CGIS-2000/31.5
额定电压:
72.5kV
额定开断电流:
31.5kA
额定电流:
2000A
本工程设计中选用通用设备,统一设备参数、统一电气接口、统一二次接口、统一土建接口。
设备采购过程中,通过国网公司集中规模招标,设备价格更低,可有效控制初始投入成本。
3设计方案比选
3.1AIS设备选型分析
3.1.172.5kV断路器选型分析
(1)设备参数
72.5kV断路器采用瓷柱式SF6断路器,选择额定电流2000A,额定开断电流31.5kA/4s的产品。
同时,断路器采用“∏”形钢结构支架,支架由设备制造商提供。
(2)土建接口
1.断路器采用“∏”形钢结构支架,“∏”形支架间距取1600mm。
2.断路器本体上的机构箱高度满足如下要求:
运行人员站在操作平台上进行操作时能保证运行人员的安全净距要求。
3.断路器每个基础采用4个地脚螺栓固定,地脚螺栓由厂家随设备提供,并提供地脚螺栓尺寸及其埋深。
4.断路器高出地面的基础宽度不大于800mm。
5.断路器基础均高出地面200mm。
(3)安装接口示意图
图3.1-1瓷柱式SF6断路器正视图、侧视图
图3.1-2瓷柱式SF6断路器基础尺寸示意图
3.1.272.5kV隔离开关选型分析
(1)设备参数
72.5kV隔离开关采用双柱V型旋转式,选择额定电流1250A,额定开断电流31.5kA/4s的产品。
鉴于隔离开关的安装方式和特点,隔离开关的接口分界面为隔离开关底座,采用螺栓与设备支架固定。
(2)土建接口
1.隔离开关采用双柱支架安装,由业主自行采购。
双柱间距为2000mm,支架高度不低于2700mm。
2.双柱V型旋转式隔离开关底座与支架上的槽钢接口,隔离开关的底座安装槽钢和操作机构的安装方式宜由电气专业进行设计。
操作机构现场安装,其连杆由设备制造厂提供。
操作机构距离地面高度1000mm。
3.钢管支架可采用单杯口柱下独立基础,其它型式钢支架可采用预埋地脚螺栓的柱下独立基础。
(3)安装接口示意图
图3.1.2-1双柱V型旋转式隔离开关正视图、侧视图
图3.1.2-2双柱V型旋转式隔离开关基础槽钢开孔详图
3.1.366kV电流互感器选型分析
(1)设备参数
66kV电流互感器采用干式正立式电流互感器,选择额定电流比为2×600/5A,额定开断电流31.5kA/4s的产品。
鉴于电流互感器的安装方式和特点,电流互感器的接口分界面为电流互感器底座,采用螺栓与设备支架固定。
(2)土建接口
66kV电流互感器支架采用镀锌钢管杆或钢筋混凝土环形等径杆,顶封板螺孔中心距离及螺孔大小同电气安装要求,采用410mm×410mm4-20mm;钢管杆颜色为银灰色,每个支架应有两个接地点,接地点高度与其他设备接地点一致。
支架具体管径大小应根据规范要求及时确定。
(3)安装接口示意图
图3.1.366kV干式正立式电流互感器安装示意图
3.1.4AIS设备全寿命周期分析
(1)二牛变电站66kV电气设备的工作电流本期为350A,远期为700A。
以上设备参数选择均考虑到远期主变增容到40MVA的情况,满足可扩展性设计的要求。
(2)通过规定土建接口,AIS设备与基础之间均采用地脚螺栓连接,并且每种设备统一了螺栓规格和位置间距。
可保证不同厂家同类设备之间的通用性,紧急情况时,可方便现场更换,满足事故处置防灾设计的要求。
(3)AIS设备土建基础形式为独立基础,易于拆除。
设备构、支架采用拆卸方便、易于回收的钢材,钢柱与基础、钢柱与钢梁构件之间的连接全部采用螺栓连接,方便安装和拆卸,满足可回收性设计要求。
(4)AIS设备满足国网公司提出“统一设备参数、统一电气接口、统一二次接口、统一土建接口”的要求,解决了以往土建施工图设计受制于设备招标结果的问题。
在初步设计审核后即可全面开展土建施工图设计,节约设备招标阶段的2~3个月的时间,满足节约环保性设计要求。
(5)SF6断路器中所含SF6气体量较小,一旦发生泄漏,SF6气体的泄漏量小,对环境造成污染较小。
而隔离开关和电流互感器均不含SF6气体和绝缘油,满足节约环保性要求。
(6)AIS设备设备易于操作维修,可维护性强。
配电装置四周设置环形道路,内部设置检修道路和巡视小道,便于检修维护。
设备与构支架皆采用螺栓连接,当需要更换、检修时方便拆卸和安装。
(7)LCC成本计算
依据全寿命周期内功能匹配、寿命协调和费用平衡原则,提出寿命匹配方案。
本变电站位于辽宁省沈阳市康平县,属于温带季风气候,冬季平均气温在-12℃~-13℃。
一次设备整体寿命按30年考虑,全寿命设计周期LCC值按30年计算。
全寿命周期成本计算模型为:
LCC=CI+CO+CM+CF+CD
CI(初始投入成本)为89.2万元;
CO+CM(运维成本+检修成本)为58.78万元;
CF(故障成本)为151.5万元(注1);
CD(退役处置成本)为-4.46万元。
LCCAIS=CI+CO+CM+CF+CD=295.02万元
注1:
二牛变电站66kV侧为内桥接线,继电保护设置备自投装置。
当线路间隔AIS设备故障,备自投装置动作,基本上不影响供电;当主变间隔AIS设备故障,将会造成变电站停电,除了维修费用,还需要考虑故障停电费用。
二牛变电站的供电负荷有两种,分别为正常用电和农业灌溉用电。
本工程仅以设备复杂故障为例进行全寿命周期计算,72.5kV断路器故障,停电维修时间约5小时;72.5kV隔离开关故障,停电维修时间约4小时;66kV干式电流互感器故障,停电维修时间约1小时。
表3.1.4AIS设备故障成本计算表
设备名称
故障维修费用
正常用电损失
灌溉用电损失
故障成本
72.5kV
断路器
5.6万元×10次=56万元
5000kVA×10次×5小时×1.5元/kwh
=37.5万元
3000kVA×10次×5小时×1.5元/kwh=22.5万元
116万元
72.5kV
隔离开关
1万元×5次
=5万元
5000kVA×5次×4小时×1.5元/kwh
=15万元
3000kVA×5次×4小时×1.5元/kwh
=9万元
29万元
66kV电流互感器
0.1万元×5次=0.5万元
5000kVA×5次×1小时×1.5元/kwh=3.75万元
3000kVA×5次×1小时×1.5元/kwh=2.25万元
6.5万元
CF(故障成本)=116+29+6.5=151.5(万元)
表3.266kV电气设备常见故障情况分析
序号
设备名称
常见故障
故障维修费用
故障次数
停电时间(假设1台主变停电)
1
72.5kV
断路器
1、机械部分:
机械卡滞及转换开关不到位,烧分、合线圈及电机。
2、二次部分:
空开、接触器及二次端子接触不良及烧坏。
3、接头发热。
4、断路器漏气(六氟化硫报警、闭锁)。
0.3-0.5万
0.1万
5万
3年1次
5小时
2
72.5kV
隔离开关
接头发热;刀闸接头、接线板及软连接部分,弹簧生锈变形,弹力下降;机构操作困难引起的分合位置错位及插入不够;接线板螺丝年久锈死严重,压力下降。
0.1万-1万
6年1次
4小时
3
66kV电流互感器
1、接线板过热。
运行经验少,设备可靠性好,目前无其他故障。
0.1万
6年1次
1小时
4
72.5kV
组合电器
1、机械部分:
机械卡滞及转换开关不到位,烧分、合线圈及电机;
2、二次部分:
空开、接触器、带电显示器及二次端子接触不良及烧坏。
0.3-0.5万
0.1万
3年1次
5小时
3、漏气(六氟化硫报警、闭锁)。
4、户外盘式绝缘子裂纹。
6万
暂按15年1次
48小时
注:
上表参数由沈阳供电公司运维检修部提供。
3.2GIS设备选型分析
3.2.172.5kV组合电器设备选型分析
(1)设备参数
72.5kV组合电器采用三相共箱式设备,户外布置。
选择断路器和隔离开关额定电流2000A,额定开断电流31.5kA/4s,电流互感器额定电流比2×600/5A的产品。
布置方案间隔宽度为1.5m和0.8m两种。
(2)电气一次接口
72.5kV组合电器采用架空进出线方式。
根据间隔宽度及进出线方向确定基础平台宽度。
二次电缆沟布置靠近主变压器侧,尺寸根据具体工程确定。
(3)土建接口
72.5kV组合电器安装平台采用整体大板基础,在通用设备基础尺寸范围内预留上层基础插筋,待设备厂家确定基础尺寸后,二次浇注上部基础平台,并应高出地面150mm。
3.2.2常用GIS设备外形尺寸
根据各厂家资料,以标准的线路变压器组接线间隔(电缆出线)为例,各设备厂家72.5kV组合电器外形及安装尺寸如表3.2.2所示。
表3.2.2各设备厂家72.5kV组合电器外形及安装尺寸一览表
序号
厂家名称
间隔长度
(mm)
间隔高度(mm)
留孔尺寸(mm)
单间隔
总重(t)
间隔宽度(m)
1
河南平高
7408
3072
600×600
5t
1.0
2
山东泰开
7603
2956
650×650
5t
0.86
3
西安西电
7123
3112
600×600
不大于5t
1.2
4
泰安泰山
7040
3335
550×550
6.5t
1.0
5
江苏如高
6969
3003
800×600
2.8t
0.85
6
正泰电气
7276
3007
800×800
4.8t
1.2
由上表可见,各厂家的72.5kV组合电器设备宽度范围主要在0.85m~1.2m,设备长度范围主要在6.9m~7.6m,宽度和长度差异均较大。
3.2.3GIS设备全寿命周期分析
(1)GIS设备为免维护产品,安全可靠性比AIS设备更高。
(2)设备参数选择均考虑到远期主变增容到40MVA的情况,满足可扩展性设计的要求。
(3)通过对各设备厂家的72.5kV组合电器相比较,外形尺寸差异较大,而且结构布置不同,荷载点位置差异也很大,需要等待设备厂家确定后,才能二次浇注上部基础平台混凝土。
发生事故时,不同厂家设备无法实现互换,事故处置防灾设计的灵活性不足。
(4)72.5kV组合电器土建基础形式为大板基础,难于拆除,不利于回收,不满足可回收性设计要求。
(5)本方案中GIS为户外布置,GIS设备中所含SF6气体量较大,一旦发生泄漏,SF6气体的泄漏量大,且无法回收,对环境造成污染较严重。
根据运行经验,户外GIS的机构箱易于发生渗雨和锈蚀等故障,不满足节约环保性设计要求。
(6)GIS设备属于免维护产品,一旦设备内部元件故障需更换,则需要先回收气体,再解体GIS设备进行更换,并且对检修维护环境的整洁度要求极高。
(7)LCC成本计算
本工程72.5kV组合电器初次投资成本320万元,设备整体寿命按30年考虑,全寿命设计周期LCC值按30年计算。
全寿命周期成本计算模型为:
LCC=CI+CO+CM+CF+CD
CI(初始投入成本)为320万元;
CO+CM(运维成本+检修成本)为211.2万元;
CF(故障成本)为124.8万元(注2);
CD(退役处置成本)为-16万元。
LCCGIS=CI+CO+CM+CF+CD=640万元
注2:
本工程仅以设备复杂故障为例进行全寿命周期计算,72.5kV组合电器故障,停电维修时间约48小时。
表3.2.3GIS设备故障成本计算表
设备名称
故障维修费用
正常用电损失
灌溉用电损失
故障成本
72.5kVGIS
6万元×1次=7.2万元
5000kVA×(10次×5小时+1次×48小时)×1.5元/kwh
=73.5万元
3000kVA×(10次×5小时+1次×48小时)×1.5元/kwh
=44.1万元
124.8万元
3.3技术经济比较
表3.366kV电气设备技术经济比较表
序号
比较项目
AIS方案
GIS方案
1
进线方式
架空进线
同AIS方案
2
占地面积
横向尺寸为23.4m,占地面积为966m2。
横向尺寸为13.4m,占地面积为553m2,节省占地413m2。
节省建设场地征用费31.5万元。
3
安全可靠性
现场有裸露导体,安全可靠性低;
现场没有裸露导体,安全可靠性高;
4
运行和维护
设备易于操作维修,可维护性强。
设备与构支架皆采用螺栓连接,当需要更换、检修时方便拆卸和安装。
主要设备密封于SF6气体内,正常运行免维护,检修周期较长,一旦故障现场检修需进行充放气操作,检修困难。
5
施工安装
安装简单,安装调试简便,对接地电阻要求低,主接地网材料较少,工艺简单。
气室单元在工厂组装、调试和密封,现场安装工作量小;安装复杂,需厂家指导。
主接地网材料较多,工艺复杂
7
可扩展性
扩建方便,后期设备选型不受前期影响,停电时间短。
扩建困难,停电时间长,新建工程初期需考虑扩建方案,且在同一间隔扩建需采用同型号产品。
8
地基处理
独立基础,每个设备基础地基都要进行处理,混凝土量少。
大板基础,混凝土量大。
9
运行寿命
长
较长
10
经济性
初次投资省
初次投资大
11
可回收性
回收设备量较小
回收设备量较大
12
LCC
计算结果
295.02万元
640万元-31.5万元=608.5万元
结合二牛66kV变电站建设规模和技术特点,经过技术经济比较及全寿命周期成本计算,66kV配电装置使用AIS电气设备成本最优。
4结论与建议
经过对66kVAIS和GIS两种设备形式的对比分析,AIS方案的占地面积、建设场地征用费、安全可靠性等技术经济指标低于GIS方案,但在初始投资、施工安装、可扩展性、地基处理等各项技术指标均优于GIS方案。
结合二牛66kV变电站位于城乡结合部的站址位置,征占地相对容易,变电站污秽等级较低,以及其所带的负荷性质等条件,经过全寿命周期成本比较,确定本工程66kV电气设备选用AIS设备。
根据GIS设备供电可靠性较高,运行维护量较小,占地面积较小的自身特点,其配电装置形式更适用于负荷性质较重要、供电可靠性较高、征占地较困难的城市中心区变电站,或污秽等级较高污染较严重区域变电站。
参考文献
[1]刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计110(66)~500kV变电站部分(2011年版).北京:
中国电力出版社,2011.
[2]刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计110(66)~750kV智能变电站部分(2011年版).北京:
中国电力出版社,2011.
[3]刘振亚.智能电网技术.北京:
中国电力出版社,2011.
作者简介
谢云秀,工程师,主要从事变电设计电气一次设计。
沈晔华,工程师,主要从事变电设计电气一次设计。
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