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邹符波
（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510530）
随着电网建设的快速发展，500 kV变电站逐渐向户内多层变电站发展。户内多层变电站具有布置紧凑和对周围环境影响小的特点。研究500 kV户内多层变电站变压器连接方案，对户内多层变电站的可靠性、经济性、环境影响以及节约占地等具有积极影响[1]。
500 kV户内多层变电站中，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）与主变压器之间的连接方案，主要有油气套管连接、电缆直连以及空气套管连接3种。
1.1 变压器油气套管连接方案
变压器采用油气套管连接，气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Transmission Lines，GIL）管道出线方案，安装后套管下端和变压器连接，浸泡在变压器油中，上端与GIS连接，处于全封闭的六氟化氢（SF6）气体内[2]。室内安装变压器时，由于高度受限，常采用这种连接方案，如图1所示。此连接方案变压器室占地面积较小，一组主变压器室占地面积约为540 m2。
图1 主变油气套管连接
1.2 变压器电缆直连方案
主变压器采用电缆直连方案，即“变压器-交联聚乙烯（Cross-Linked PolyEthyline，XLPE）电缆-GIS”连接方案，如图2所示。变压器绕组通过电容式套管引出变压器，电容式套管浸泡在电缆仓的变压器油中，通过导线棒引至电缆环氧套管终端的接线板上。电缆终端的环氧套管与电缆仓是一个密封整体，充入变压器油，可作为独立的绝缘系统，与变压器本体和外部空气完全隔离。电力电缆通过制作成套的插拔头，与环氧套管对接，通过硅橡胶应力锥密封[3]。这种方案需将变压器、电缆线路以及GIS开关一并考虑，多方提前协商，以确定试验方案和试验电压。此连接方案变压器室占地面积较小，一组主变压器室占地面积约为540 m2。
图2 主变电缆连接
1.3 变压器空气套管连接方案
主变压器架空连接方案即空气套管连接方案，是变电站中最常用的连接方案。主变压器架空连接方案有“主变空气套管-连接导体-GIS空气套管”和“主变空气套管-连接导体-户外电缆终端-电缆-GIS电缆终端”2种[4]。
主变压器架空导线连接方案中，主变空气套管和GIS或电缆终端之间采用导体过渡，过渡导体可以根据需要断开，断开后可以独立开展主变、GIS或电缆试验，如图3所示。此连接方案变压器室占地面积较大，一组主变压器室占地面积约为720 m2。
图3 主变架空连接
2.1 技术分析
（1）油气套管连接方案和电缆直连方案均没有外部裸露的带电体，布置时不需要考虑带电距离的要求，仅需考虑防火距离和碰撞距离，实现小型化布置。空气套管连接由于受到空气电气距离的影响，空间难以压缩，占地面积较大。
（2）油气套管连接方案的GIL管道采用SF6气体绝缘，可以穿越变电站内多种功能性房间，可直角转弯，在任意方向延伸，适用于布置复杂的户内多层变电站。当场地布置受限，主变压器与GIS距离较远时，可以采用电缆直连方案。空气套管连接方案主要用于布置尺寸不受限制的场地。
（3）为避免危及油气两侧的绝缘，油气套管连接方案对气密和油密性要求很高。电缆直连方案中的电缆终端置于变压器油中，因此需要很好的油密性能。空气套管连接方案采用成熟的电缆终端，利用软导线连接，安装工艺非常成熟，且不存在对接密封等问题，施工简单方便。
（4）油气套管连接方案和电缆直连方案设备整体密封，仅对设备进行监测，运行维护工作量较小。空气套管连接有裸露导体，易受外部环境的影响，需要定期检测及维护。
2.2 经济分析
以500 kV户内多层变电站单台主变压器为例，变压器3种连接方案的经济分析如表1所示。
表1 变压器3种连接方案经济分析结果 单位：万元
通过对表1数据进行分析，油气套管连接方案投资最低。从经济角度考虑，油气套管连接投资最合理。
主变压器连接套管主要有空气套管、变压器终端套管以及油气套管3类。
3.1 变压器空气套管分析
变压器套管是变压器箱外的主要绝缘装置。因电压等级不同，绝缘套管有纯瓷套管、充油套管和电容套管等形式。纯瓷套管是在瓷套管中穿一根导电铜杆，瓷套内为空气绝缘。充油套管是在瓷套管充油，并在其内穿一根导电铜杆，而铜杆外用绝缘纸包裹。电容式套管由主绝缘电容芯子、外绝缘上下瓷件、连接套筒、油枕、弹簧装配、底座、均压球、测量端子、接线端子、橡皮垫圈以及绝缘油等组成[5]。
变压器套管根据材质可分为瓷套管和复合套管。瓷套管刚性好，机械强度高，长期运行可靠。但是，根据长期现场运行工况分析可知，瓷套管存在重量大、不易运输、易爆炸以及危害面积较大等缺点。复合套管具有重量轻、阻尼系数大、抗震性能好、防爆性能好、憎水性强、防污和防闪络性能好以及运行可靠性高等优点，但抗老化性有待提高。对于地震烈度高的地区，可优先选用复合套管。
3.2 变压器终端套管分析
变压器油浸终端套管可分为湿式和干式。湿式终端套管是向套管内充绝缘浇注剂，安装和试验需厂家配合完成，工序烦琐，运维工作量大。干式终端套管的结构型式有插拔式和装配式2种，区别主要体现在顶部密封处理和尾管结构方面。
3.3 油气套管分析
油气套管主要分为油浸式油气套管和干式油气套管2种。油浸式油气套管的整体设计包括结构设计、电气性能设计、机械性能设计以及分析验算等方面。干式油气套管主要在于材料的选取、电场分析、绝缘设计以及工艺制造水平等方面。2种套管对主绝缘电容芯子设计至关重要，需要尽量减小套管中的最大电场强度。
油浸式油气套管和干式油气套管均为成熟产品，在工程中均有应用。目前，国内厂家主要采用干式油气套管结构。
《电气设备交接试验标准》和《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》规定：电压等级220 kV及以上时必须进行现场局部放电试验，GIS设备现场需做主回路的交流耐压试验。《电力设备预防性试验规程》规定：电压等级220 kV及以上的油浸式电力变压器在大修更换绝缘部件时需做局部放电试验，GIS设备大修后需做耐压试验。
油气套管连接方案、电缆直连方案以及空气套管连接方案的现场试验差别较大。空气套管连接方案的设备相互独立，现场试验与常规设备相同，简单易行。油气套管连接方案的现场试验复杂，试验时非被试相接地，被试相需加装临时试验套管。试验前先将套管连接部分抽真空，保持数小时后再充一定压力的SF6气体进行变压器局放试验。电缆直连方案试验也较为困难，需要安装电缆终端的环氧套管才能进行常规试验，也需要加装临时试验套管，且设计时还需考虑试验套管的安装要求和试验电气的空间要求。
分析500 kV户内多层变电站变压器连接方案，与普通套管连接方式相比，变压器和GIS采用油气套管连接在可靠性、占地面积以及环境等技术指标上具有很大优势。今后不同电压等级的GIS应用会越来越广泛，油气套管的应用范围也会不断扩大。
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