【iEicn.com編者按】本文在總結(jié)我國近25年來300多個500kV配電裝置中550kV隔離開關(guān)工程應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，參照近期國內(nèi)750kV隔離開關(guān)的選型，通過分析國外一些隔離開關(guān)有名制造廠商，如西門子、ALSTOM，ABB，SSL(美國)、EGIC(原法國MG)、HAPAM(荷蘭)等所生產(chǎn)的800kV隔離開關(guān)工業(yè)產(chǎn)品以及1000kV隔離開關(guān)試制產(chǎn)品的有關(guān)情況，提出了1000kV特高壓隔離開關(guān)(以下簡稱UHV隔離開關(guān))的選型原則，并且按線路型和母線型2種不同型式提出了選型意見和技術(shù)條件。
1 引言
國家電網(wǎng)公司在2005年工作會議上明確提出：在今后幾年內(nèi)，我國需要建設(shè)國內(nèi)特高壓電網(wǎng)，它是我國當(dāng)前電網(wǎng)建設(shè)工作的重中之重。電力規(guī)劃設(shè)計總院為了貫徹國家電網(wǎng)公司關(guān)于在國內(nèi)建設(shè)特高壓網(wǎng)的決議，準(zhǔn)備在國內(nèi)規(guī)劃建設(shè)7個特高壓輸變電示范工程，即3個1000kV交流特高壓輸變電工程，4個±800kV直流工程。其中，陜北煤電基地－山西晉東南煤電基地－南陽－荊門－武漢的單回1000kV交輸變電示范工程預(yù)計在2008年建成。這意味著我國對1000kV交流輸變電技術(shù)科研工作將從前幾年的科研前期準(zhǔn)備工作階段進(jìn)入工程建設(shè)實(shí)質(zhì)性階段。
2 UHV隔離開關(guān)的作用
1000kV配電裝置有常規(guī)GIS，復(fù)合式組合電器(HGIS)和敞開瓷柱式電氣設(shè)備(AIS)3種可供進(jìn)擇的方案。按照我國500kV和西北地區(qū)750kV電網(wǎng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，無論哪一種方案UHV隔離開關(guān)的作用都需要安裝戶外隔離開關(guān)，因此開展1000kV空氣絕緣UHV開關(guān)隔離開關(guān)的作用是十分必要的。l000kV配電裝置的布置型式和電氣主接線決定了其中UHV隔離開關(guān)的配置方案和功能，在電氣主接線中不同位置的UHV隔離開關(guān)有不同的作用。
由于1000kV斷路器的價格十分昂貴，因此1000kV配電裝置電氣主接線應(yīng)在保證可靠性的前提下盡量少用斷路器，宜采用一個進(jìn)(出)線回路配置1臺斷路器的原則。如采用運(yùn)行方式靈活的雙母線雙段接線，而不采用目前我國500kV配電裝置通常采用的一個進(jìn)(出)線回路配置l臺半斷路器(2個回路組成1串、配置3臺斷路器)的1個半斷路器接線方式。
因此，應(yīng)按雙母線雙分段接線方式來研究1000kV UHV隔離開關(guān)的作用。通常，1個典型的雙母線進(jìn)(出)回路中有2種隔離開關(guān)：線路型和母線型隔離開關(guān)。
2.1 線路型隔離開關(guān)
線路型隔離開關(guān)布置在斷路器旁靠線路側(cè)。當(dāng)斷路器停電檢修時，將隔離開關(guān)打開，接地開關(guān)接地，以便在斷路器靠線路側(cè)形成一個明顯的斷點(diǎn)，并可靠接地，線路型隔離開關(guān)僅起檢修隔離的作用。
2.2 母線型隔離開關(guān)
母線型隔離開關(guān)布置在斷路器旁靠母線側(cè)，它主要有3個作用：①與線路型隔離開關(guān)相同，起檢修隔離作用；②開合空載母線充電電容電流；③在改變雙母線運(yùn)行方式(如當(dāng)出線回路從母線Ⅰ改為Ⅱ母線)時需要進(jìn)行倒閘操作，母線隔離開關(guān)與母聯(lián)回路形成環(huán)路，母線隔離開關(guān)需要開合母線轉(zhuǎn)換電流。
顯然，對母線型隔離開關(guān)的技術(shù)要求比線路型的要高得多。
3 UHV隔離開關(guān)的選型原則
(1)按照隔離開關(guān)在1000kV配電裝置中的不同位置、起不同的作用，分別按線路型和母線型2種小同的技術(shù)條件進(jìn)行選型。1000kV線路的充電功率是500kV的5倍。相應(yīng)的1000kV母線充電電流也比500kV的大得多。美國SSL公司生產(chǎn)的RDA型1000kV隔離開關(guān)相間距離為14m，也比500kV(通常為7m)大得多，此外1000kV隔離開關(guān)的制造難度較大。因此對1000kV隔離開關(guān)的選型，不能沿用500kV隔離開關(guān)型式繁多而又不加區(qū)別的用同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的原則，而應(yīng)對線路型和母線型這2種基本類型按不同的標(biāo)準(zhǔn)各選擇一種相對穩(wěn)定的1000kV隔離開關(guān)，以便于我國高壓開關(guān)廠對UHV隔離開關(guān)的研制工作。
(2)隔離開關(guān)打開后帶電的導(dǎo)電桿不能占用相間空間。對于單斷口的隔離開關(guān)，在分閘狀態(tài)下導(dǎo)電桿是帶電的。由于1000kV配電裝置的相問*小**凈距(空氣間隙)很大，一般為8m左右。如果采用單斷口的隔離開關(guān)，則隔離開關(guān)打開過程中會由于導(dǎo)電打的水平轉(zhuǎn)動而占用一定的相間空間(導(dǎo)電桿長度)。導(dǎo)電桿長度再加上8m的*小**凈距，導(dǎo)致隔離開關(guān)的相間距離在20m以上，大大增加了配電裝置的占地面積，不能滿足UHV配電裝置的設(shè)計要求。
(3)對隔離開關(guān)，力求結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械強(qiáng)度大、分閘時穩(wěn)定性好和盡量少維護(hù)是結(jié)構(gòu)選型的基本出發(fā)點(diǎn)。1000kV隔離開關(guān)采用空氣絕緣，單斷口導(dǎo)電桿長約8m，支柱絕緣子高約7.5m。如果產(chǎn)品外形高，縱向尺寸大、質(zhì)量大，那么在制造上將會有較大的難度。因此應(yīng)選用斷口少、折疊活動臂少和結(jié)構(gòu)簡單的結(jié)構(gòu)型式，以保證產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
(4)在1000kV電容式電壓互感器(CVT)同路中不允許安裝隔離開關(guān)。避免CVT回路的隔離開關(guān)在投切數(shù)值很大的集中電容時出現(xiàn)電弧過長而很難熄滅的問題。
4 國外UHV隔離開關(guān)產(chǎn)品剖析
世界上投運(yùn)750kV電網(wǎng)已有幾十年的歷史。均采用800kV隔離開關(guān)，由一些有名制造廠商提供成熟的工業(yè)產(chǎn)品。而1000kV電網(wǎng)只在日本、前蘇聯(lián)、美國等少數(shù)國家處于試運(yùn)行階段，有的國家目前還是降壓運(yùn)行。因此國外1000kV隔離開關(guān)基本上都是試制產(chǎn)品，即在原有800kV隔離開關(guān)基礎(chǔ)上增加外絕緣距離，解決好整體機(jī)械強(qiáng)度和電場分布的問題，以滿足電壓提升的要求。國外1000kV隔離開關(guān)主要技術(shù)參數(shù)見表1。
分析國外1000kV隔離開關(guān)的試制產(chǎn)品，可以得到以下2點(diǎn)啟示：
(1)從結(jié)構(gòu)型式上看，采用雙柱垂直開啟式隔離開關(guān)的比例*大，占50%；采用三柱中間水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)的比例次之，占34%；至于單柱垂直伸縮式隔離開關(guān)，由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故所占比例*小，為16%。這證實(shí)了本文前面提出的對1000kV隔離開關(guān)的選型應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單這一觀點(diǎn)。
(2)國外產(chǎn)品的絕緣水平、額定電流等技術(shù)參數(shù)，可供我國在確定示范工程的絕緣配合時參考。對1000kV隔離開關(guān)的雷電沖擊耐受電壓可取2250kV，額定電流可取4000A，額定短時耐受電流及時間可取50kA，2s和63kA，2s二檔。
當(dāng)前投入工業(yè)運(yùn)行的1000kV隔離開關(guān)是美國SSL公司生產(chǎn)的RDA型額定電壓為1100kV的戶外三相隔離開關(guān)，安裝在美國華臺茲山試驗(yàn)站。RDA型隔離開關(guān)每相有3個瓷柱，導(dǎo)電桿安裝在中間瓷柱頂部，利用中間瓷柱帶動導(dǎo)電桿水平旋轉(zhuǎn)，形成2個空氣絕緣的斷口，斷口尺寸為2×3650mm隔離開關(guān)高約6705mm，長8010mm，相間距離為14m。
5 UHV隔離開關(guān)選型
我國在500kV配電裝置中主要選用3種型式的隔離開關(guān)：①單柱水平伸縮式。它的優(yōu)點(diǎn)是相間距離小，縱向尺寸短。主要問題是靜觸頭和活動水平伸縮臂分別安裝在2個設(shè)備支架上，支架基礎(chǔ)的施工誤差和不均勻沉降都會影響隔離開關(guān)的開合性能。②三柱中間水平旋轉(zhuǎn)式。它的優(yōu)點(diǎn)是相同距離小，缺點(diǎn)是縱向尺寸較大。⑧單柱垂直伸縮式。它的優(yōu)點(diǎn)是不占用縱向尺寸，節(jié)省占地。主要問題是活動臂較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。特別是由于我國500kV配電裝置一般采用懸吊式鋁管母線或軟母線，而母線都有一定的風(fēng)偏位移，因此要求位于母線下方的單柱垂直伸縮式隔離開關(guān)的鉗夾范圍大：我同運(yùn)行規(guī)程規(guī)定垂直斷口凈距應(yīng)滿足停電檢修B值的要求，對500kV單柱垂直伸縮式隔離開關(guān)，相-地*小空氣間隙為3800mm+750mm(人體上半身高度)，對垂直斷口凈距要求高。這些特殊要求都加大了單柱垂直伸縮式隔離開關(guān)產(chǎn)品的高度。
按照本文第3節(jié)所提出的UHV隔離開關(guān)選型原則，結(jié)合我國500kV隔離開關(guān)工程應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對1000kV交流隔離開關(guān)的選型意見如下：
(1)線路型隔離開關(guān)。由于1000kV電氣設(shè)備外形尺寸高大．因此1000kV配電裝置都采用戶外中型布置型式，每個回路電氣設(shè)備采用串聯(lián)連接方式。由于在線路型隔離開關(guān)的上層無帶電的架空軟導(dǎo)線，對隔離開關(guān)的垂直空間沒有限制，因此推薦采用雙柱垂直開啟式結(jié)構(gòu)型式。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：①每相隔離開關(guān)只有2個支柱絕緣子，1根向上垂直開啟的導(dǎo)電桿，單斷口，隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)*簡單，制造相對比較容易，運(yùn)行可靠性高。②隔離開關(guān)相同距離*小，隔離開關(guān)打開后，帶電導(dǎo)電桿位于隔離開關(guān)的上方，不占用相同空間。③隔離開關(guān)縱向尺寸小，節(jié)省占地。
國產(chǎn)800kV雙柱垂直開啟式戶外交流隔離開關(guān)的外形見圖1。
(2)母線型隔離開關(guān)。南于母線型隔離開關(guān)通常布置在配電裝置帶電母線的下方，因此不宜選用導(dǎo)電桿向上開啟的雙柱垂直開啟式隔離開關(guān)。對1000kV導(dǎo)線型隔離開關(guān)，推薦采用三柱中間水平旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)型式。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：①相間距離*小。每相隔離開關(guān)有3個支柱絕緣子，導(dǎo)電桿安裝在中間絕緣子頂部，隔離開關(guān)打開時，中間支柱絕緣子帶動導(dǎo)電桿水平旋轉(zhuǎn)約65°，在隔離開關(guān)的兩端形成2個斷口(空氣間隙)。雙斷口隔離開關(guān)打開后，中間的導(dǎo)電桿不帶電，因此不占用相間空間。②采用雙斷口隔離開關(guān)。從制造上講，此種隔離開關(guān)解決開合1000kV空載母線充電電容電流和母線轉(zhuǎn)換電流的問題相對比采用單斷口隔離開關(guān)要容易。
此外，三柱式隔離開關(guān)由于瓷柱的增多，縱向尺寸較大，但是由于它用作母線型隔離開關(guān)，布置在母線下方，它的尺寸不是確定配電裝置縱向尺寸的控制條件，因此這個缺點(diǎn)并不明顯。
國外800kV三柱中間旋轉(zhuǎn)式戶外交流隔離開關(guān)外形見圖2。
2003年以來，我國西安和平頂山兩大高壓開關(guān)廠分別與美國南州電力開關(guān)有限公司(SSL公司)簽訂了126～800kV隔離開關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)讓及合作生產(chǎn)協(xié)議。SSL公司是美國*大的隔離開關(guān)生產(chǎn)廠商，已有100多年歷史，擁有7.2～1100kV，600～6500A全系列的高壓隔離開關(guān)產(chǎn)品。西安高壓開關(guān)廠采用從SSL公司引進(jìn)的技術(shù)為750kV官亭變電站提供了800kV雙柱垂直開啟式的隔離開關(guān)產(chǎn)品。由于官亭變電站地處海拔高度2000m的西北高原，對設(shè)備絕緣水平要求很高，因此對其隔離開關(guān)的試驗(yàn)值已經(jīng)十分接近國外1000kV隔離開關(guān)試制產(chǎn)品的參數(shù)(海拔高度在1000m及以下)。二者的絕緣水平的比較見表2。
對國產(chǎn)800kV隔離開關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了4000次合分操作循環(huán)的機(jī)械壽命試驗(yàn)，操作正常。此外，平頂山高壓開關(guān)廠也自行研了800kV三柱中間水平旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)的樣機(jī)。因此，對1000kV隔離開關(guān)不需要進(jìn)口?？梢栽谕a(chǎn)800kV隔離開關(guān)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上研制開發(fā)而成。對國產(chǎn)1000kV隔離開關(guān)的主要技術(shù)條件建議如下。
6.1 使用環(huán)境條件
海拔高度/m ≤1000
周圍空氣溫度/C° -35～+40(戶外)
*大日溫差/K 25
*大風(fēng)速/m.s-1 34(對應(yīng)風(fēng)壓700Pa)
相對濕度/% 90
日照強(qiáng)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
**系數(shù)1.67
污穢等級/級 Ⅱ級、Ⅲ級
6.2 結(jié)構(gòu)型式
線路型：雙柱垂直開啟式、單根導(dǎo)電桿、單斷口
母線型：三柱中間水平旋轉(zhuǎn)式、雙斷口
6.3 主要技術(shù)參數(shù)
額定電壓/kV 1100
額電電流/A 4000
額定短時耐受電流及時間/kA，s 50，2；63，2
額定峰值電流/kA 125；158
雷電沖擊耐受電壓(對地/斷口)/kV 2250/(2250+629)
操作沖擊耐受電壓(對地/斷口)/kV 1675/(1550+898)
lmin工頻耐受電壓(對地/斷口)/kV 1100/1300
開合母線轉(zhuǎn)換電流能力/A，V 2500，400
開合小電容電流能力/A 3
7 結(jié)論
為了保證運(yùn)行的靈活性，1000kV戶外交流隔離開關(guān)是AIS，HGIS，GIS各種型式1000kV配電裝置中必不可少的電氣設(shè)備，目前它在世界上還處于研制階段，也尚無IEC標(biāo)準(zhǔn)，是今后一段時間內(nèi)世界各國重點(diǎn)研制的UHV電氣設(shè)備之一。當(dāng)前，我國將要大力開展1000kV電網(wǎng)的建設(shè)工作，無疑將對其發(fā)展起到巨大的推動作用。
本文提出了應(yīng)根據(jù)隔離開關(guān)在高壓配電裝置電氣主接線中的不同位置、不同功能，對1000kV戶外隔離開關(guān)按線路型、母線型2種不同的技術(shù)條件分別進(jìn)行選型和制造的觀點(diǎn)。同時，在當(dāng)前1000kV電網(wǎng)建設(shè)的初期階段，為了簡化產(chǎn)品系列，建議對2種類型的1000kV隔離開關(guān)中各選擇出一種結(jié)構(gòu)型式：推薦線路型采用雙柱垂直開啟式(單斷口)，母線型采用三柱中間水平旋轉(zhuǎn)式(雙斷口)進(jìn)行優(yōu)先開發(fā)研制，以利于UHV電氣設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程。