前言
2006年12月27日,国家电网公司举行晋东南~南阳~荆门1000kV特高压交流试验示范工程主设备合同签字仪式。在1100kV开关设备合同授予方面,河南平高电气股份有限公司获得为晋东南变电站提供两个间隔1100kVSF6气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的供货合同,同时新东北电气(沈阳)高压开关有限公司和西安西开电气股份有限公司分别获得为南阳开关站和荆门变电站各提供两个断路器间隔的1100kV复合式组合电器(HGIS)的供货合同。至此,我国第一个特高压交流输变电工程所用1100kV开关设备的型式最终确定,即三个站全部选用组合电器设备-GIS或HGIS。由于用于特高压交流试验示范工程的百万伏开关设备研发及制造难度很大,在特高压交流输电技术和设备的研究课题中,开关设备的选型也是其中一项较为重要的需要分析和论证的课题。遵循"安全可靠、经济合理、先进适用、国际一流"的指导思想,国家电网公司会同电力科学院、西安高压电器研究所和设备制造厂家,经过多次的交流、考察、分析、论证,最终确定在晋东南~南阳~荆门特高压交流试验示范工程中,选用以两个断口断路器为主要元件的SFK气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)和复合式组合电器设备(HGIS)。笔者曾几次参加国家电网公司组织的特高压技术交流会、设备技术条件审核会、开关设备型式方案技术论证会等,对百万伏开关设备的选型有较为深切的感受,特著本文对特高压交流开关设备的选型予以分析。
一、断路器型式的选择
   在我国500kV电力系统中,广泛采用的550kV断路器是SF6瓷柱式断路器(P-GCB)、SF6罐式断路器(T-GCB)以及近几年来逐渐多用的SF6气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)和复合式组合电器(HGIS)。当电网电压升级时,开关设备的绝缘水平要从原来的最高电压升级到新的电压等级,额定电流和额定短路开断电流也可能需要增大一个等级。按照断路器技术发展的历史经验,一般是将原电压等级的断路器进行灭弧室断口串联、增加瓷柱式断路器的瓷柱高度,以满足新电压等级下的绝缘水平,保持(或提高)原灭弧断口的开断能力。从研发和制造经验上,P-GCB采用断口串联而达到电压升级的要求较易实现,而T-GCB相对要难一些,因为需要对整个绝缘结构重新设计。当特高压交流输电技术及第一条百万伏试验示范线路提出后,对开关设备的自主研制,首先考虑的是用550kV两断口断路器的断口串联方式研制1100kV断路器。
  方案1用550kV两断口P-GCB,经断口串联,形成1100kV四断口P-GCB。
  方案2用550kV两断口T-GCB,经两个T-GCB灭弧室串联,形成1100kV四断口T-GCB。
  方案3鉴于国外已有1100kV两断口T-GCB和GIS,以自主开发或引进技术,研制550kV单断口T-GCB,进而形成1100kV两断口T-GCB。
   对方案1,1100kVP-GCB能较快研制出来,但一是相对T-GCB和GIS/HGIS,P-GCB技术略显落后;二是断口串联、增加瓷柱高度使整个断路器高度增加、体积增大,不利于设备的稳定性;三是需要研制其它的敞开式电器设备与之配套,如隔离/接地开关(DUES)、电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、避雷器(SA)等;四是敞开式设备占地面积庞大,在土地资源紧俏、输电走廊紧张的条件下,特高压交流变电站采用敞开式设备不甚合适。因此,1100kV瓷柱式断路器方案被否定。

   对方案2和方案3,元论从技术角度还是实施的可能性都是可行的,无论采用四断口还是两断口的T-GCB,技术上都是较先进的,而且可以扩展成为GIS或HGIS,使百万伏变电站成为封闭式变电站成为可能。采用四断口,由于有550kVT-GCB和GIS/HGIS的制造及运行经验,研制出的四断口T-GCB可靠性预期要高些。而采用两断口,要先研制出550kV单断口T-GCB,然后进行断口串联,形成1100kV两断口T-GCB(或GIS/HGIS),缺乏制造和运行经验,在可靠性上风险要大些。但对于特高压交流试验示范工程,其百万伏断路器选择确定是罐式断路器或以罐式断路器为核心元件的GIS和HGIS。
二、变电站型式的选择
   1982年,我国电网的最高电压由220kV升级至500kV,由于当时我国的高压开关刚从油断路器到SF6断路器,且封闭式组合电器技术只在欧洲、日本等少数国家应用,直到二十世纪末,我国的500kV变电站使用的都是SF6瓷柱式断路器(或少量的罐式断路器),变电站都是敞开式型式。到本世纪初,国外的超高压封闭式组合电器产品进入中国,而我国通过引进技术和自主研制,也能生产超高压的封闭式组合电器设备,采用SL气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)和复合式组合电器(HGIS)的500kV变电站越来越多,封闭式变电站(GIS)和复合式变电站(HGIS)得到广泛的应用。
   在百万伏电压等级,前苏联采用的是敞开式变电站型式,其断路器为8个空气断路器断口串联;而日本,采用的是封闭式变电站型式,其开关设备为两断口GIS。我国的首个特高压交流试验示范工程,如采用罐式断路器的敞开式变电站方案,除1100KVT-GCB外,其他电器设备如DUES、肝、SA等仍将采用敞开式设备,一是需要配套研制这些设备;二是占地面积还很庞大;特别是不能体现当今开关设备技术的先进性。所以经专家分析、论证,建议我国首个特高压交流试验示范工程的三个变电站和开关站全部选用组合电器,即1100kV的GIS或HGIS开关设备。
三、断路器两断口和四断口的选择
 在1100kVGIS/HGIS开关设备的研制和选用中,有两个方案是值得考虑和商榷的。一是自主研发或引进技术,研制550kV单断口罐式断路器,进而研制1100kV两断口罐式断路器,再扩展成为GIS和HGIS。
   在这方面,西安西开电气股份有限公司自主开发研制的550kV单断口罐式断路器,2制年在阻MA试验站通过断流容量试验和其他各项型式试验,细5年通过两部技术鉴定,并在2脱年首台在威宁500kV变电站投入试运行。西开股份在此基础上研制1100kVT-GCB和GIS/HGB,并成为西开参与特高压试验示范工程百万伏开关设备的投标方案。
   新东北电气(沈阳)高压开关有限公司通过引进韩国晓星800kVGIS制造技术,实际为原日本日立公司的1100kVGIS技术,经消化、吸收、再创新,自主研制1100kV两断口罐式断路器和GIS/HGIS,并以此参与百万伏开关设备的招投标。
   平高电气股份有限公司采用自主研发与引进技术并举的技术路线,一方面,与日本东芝公司达成引进其1100kV两断口GIS制造技术协议,自主制造1100kVGIS,并以此参与特高压交流试验示范工程的招投标;另一方面,自主开发研制550kV单断口罐式断路器,2006年已完成全部型式试验。同时,其自主研制的800kV两断口罐式断路器也在近期完成了各项型式试验,在此基础上研制1100kV两断口罐式断路器和GIS/HGIS。平高自主研制的1100kVGIS/HGIS是为其参与试验示范工程以后的特高压项目而准备的。
   以上国内三个特高压交流开关设备研制的厂家都是以1100kV两断口T-GCB和GIS/HGIS为主攻对象,进行自主或引进研制,并以此参与第一个特高压交流试验示范工程百万伏开关设备的招投标。但在我国第一个特高压交流试验示范工程采用尚未经过充分商业运行的两断口百万伏开关设备,确实在可靠性上存在较大的风险。所以,业内专家也提出了"在550kV两断口技术的基础上,研制1100kV四断口T-GCB,组成1100kV四断口GIS/HGIS"的方案,此举主要考虑的是技术和工程的可行性,运行的安全性和经济性。
   国内开关制造企业的西开和沈高,通过在三峡左岸发电机组及送出工程建设中引进ABBEIK3型550kVGIS制造技术,已实现国产化制造和形成批量生产能力,并在国内数个500kV变电站取得了运行经验。所以,自主研发1100kV四断口T-GCB和GIS/HGIS,技术是可行的。但对开关设备的绝缘结构则须按1100凹的绝缘水平重新设计,由于罐体尺寸增大,灭弧室的部分结构也要进行修改,也要进行全部的型式试验,研制需要一定的时间,研发成本仍较高。而且专家们预测,即使在特高压试验示范工程采用了四断口的1100kVGIS/HGS,在后续的特高压交流输变电工程中,还是要采用两断口的百万伏开关设备。关于1100kV采用两断口或四断口GIS/HGIS方案的技术论证,得出的结论是:1)四断口技术是可行的、可靠的,可采用500kV成熟的灭弧断口和液压机构,其他元件如DUES等也已有验证,研发难度小,机构可靠性水平较高。2)两断口技术先进,是发展方向,方案也是可行的,与特高压试验示范工程最初的开关选型定位是一致的。在做了综合性的比较之后,国家电网公司决定选择两断口GIS/HGIS作为我国第一个特高压交流试验示范工程百万伏开关设备的型式。
结语
   气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是将变电站内除变压器以外的其他电器设备集成为一体,封闭于充有一定压力SR气体的金属外壳之内而形成的组合电器。GIS的核心元件是罐式断路器(T-GCB),其余的组合元件:隔离/接地开关(DS/ES)、电流互感器(CT)、电压互感器(PT)、避雷器(SA)等根据变电站一次主接线和布置要求,集成在与T-GCB连接的金属外壳内,形成GIS。
   复合式组合电器(HqS)是单相SF6气体绝缘金属封闭式开关设备,相间采用空气绝缘,与GIS不同的是,不采用三相封闭式母线,而科目迸出线均采用套管。
GIS和HGIS都具有技术先进、运行可靠、少(免)维护、占地面积小等优点,特别是两断口1100kVGIS/HGIS,是当今世界上电压等级最高、断路器串联断口最少、整机技术最为先进的特高压开关设备。国家电网公司在我国第一个特高压交流试验示范工程中选用两断口1100kVGIS/HGIS开关设备,体现了"安全可靠、经济合理、先进适用、国际一流"的特高压试验示范工程建设的原则,也为国内高压开关制造业提供了以我为主、自主创新、为特高压输电工程提供国产化开关设备的机遇。目前,三个承接晋东南~南阳~荆门百万伏开关设备(1100kVGIS/HGIS)供货合同的国内高压开关制造厂家,正积极组织百万伏开关设备的研制和生产技术准备工作,确保在2008年向我国第一个特高压交流试验示范工程提交自主研发(或国外技术支持)、国内生产的百万伏开关设备。