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摘 要：目前变电站配置装置开关设备主要有三种类型：瓷柱式（AIS）、GIS和HGIS。这三种配电装置构成的智能变电站，在建设过程和运行等方面，都有不同的特点。为此选择合适的配电装置型式成为变电站设计的中心问题，通过经济技术论证，结合工程实际情况，研究开关设备的选型显得十分必要。
本文通过对变电站中常用的AIS、HGIS和GIS三种配电装置型式，从占地面积、建设维护、环境适应性、综合投资等方面进行了技术经济比较，结合国家电网公司通用设计中的配电装置比选原则及工程变电站实例，论证了HGIS设备在变电站220kV开关中应用的可行性与合理性。
关键词：配电装置；AIS；GIS；HGIS
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0037-03
1 引 言
变电站的主设备及配电装置选型是变电站的重要组成部分，对布置的合理性、可靠性、维护便利性、经济性、环境协调度的要求也越来越高。目前变电站配置装置开关设备主要有三种类型：传统的瓷柱式（AIS）、GIS和HGIS。三种配电装置构成的的智能变电站，在建设过程及运行时，都有其的独特处。为此合理的选择配电装置型式成为变电站设计的重要问题，通过经济技术比较分析，结合工程实际情况，研究开关设备的选型显得十分必要。
2 梁庄220kV变电站总平面布置方案比较
2.1 工程建设规模
根据可研审查意见及招标文件内容要求，本站建设规模如下：
该变电站主变压器：最终3×180MVA，本期1×180MVA，电压等220/110/10kV；220kV出线：最终6回，本期2回，预留4回；110kV出线：最终12回，本期4回，预留8回；10kV出线：最终20回，本期10回，预留10回。10kV无功补偿：最终3×3×10MVar容性无功，本期1×3×10MVar容性无功。可研阶段根据上述规模布置，怡德（梁庄）220kV变电站总平面布置参照国家电网公司220kV变电站通用设计220-B-2与220-B-3拼接设计方案，结合站址条件和建设规模进行站址总体规划设计。
2.2 AIS设备布置方案
根据本工程建设规模，220kV、110kV配电装置采用了AIS设备，管母线中型布置。参照国网通用设计方案220-C-1，得到电气总平面布置图如图1所示。
由图1可知，梁庄220kV变电站若采用AIS设备布置，整体占地面较大，纵向尺寸131m，横向尺寸160m，其占地面积为20960m2。这种布置有下列特点：
（1）占地面积小，布置比较紧凑。
（2）布置和接线相对应，接线清晰。
（3）构支架复杂，钢耗量高。
（4）采用硬管母线，施工便利，适用范围广。
（5）运行维护工作量较大。
（6）施工的周期较长，受周围环境的影响。
2.3 GIS布置方案
根据本工程建设规模，220kV配电装置采用了GIS设备，管母线中型布置。参照国网通用设计方案220-A1-1，得到电气总平面布置图如图2所示。
由图2可知，怡德（梁庄）220kV变电站若采用GIS设备布置，整体占地面将极大的减小，纵向尺寸86m，横向尺寸108m，其占地面积为9288m2。这种布置有下列特点：
（1）占地面积小，布置相对紧凑。
（2）施工周期短，维护工作量较小。
（3）整体布局合理。
（4）设备构支架较少，构架型式简单。
（5）GIS内部检修或事故时影响的范围较大。
2.4 HGIS设备布置方案
本工程可研及竞赛方案均采用HGIS设备布置，竞赛方案母线采用户外悬挂管母线布置，其他设备均集成在HGIS内，通过设备的整合和布置的优化，得到电气总平面布置图如图3所示。
由3图可知，怡德（梁庄）220kV变電站若采用HGIS设备布置，纵向尺寸92m，横向尺寸94m，其占地面积为8648m2。这种布置有下列特点：
（1）占地面积小，布置紧凑。
（2）间隔内设备少，检修方便，维护工作量小，土建支架大大减少。
（3）布局清晰合理。
（4）采用联合构架，简化了门型构架。
（5）线路双层出线，出线间隔需和线路配合。
（6）构架复杂，钢耗量高。
3 不同开关设备布置方案技术经济比较
3.1 占地面积比较
根据本工程建设规模，参照国网通用设计方案，得到布置方案占地指标如表1所示。
从表1可以看出在建设规模相同的情况下，配电装置的尺寸大小在变电站占地面积中起主要控制作用。AIS布置方案占地面积是HGIS和GIS布置方案的两倍多，都采用架空出线方式时，HGIS布置方案占地面积与GIS布置方案相当。
3.2 施工扩建便利性比较
（1）变电站新建阶段
AIS方案的设备布置清晰明朗，设备安装简单，土建施工工作量较大。GIS方案设备布置集成度高、设备尺寸小，对节省变电站的占地面积效果明显。
HGIS的高压电气部分是在工厂的净化车间完成的，二次接线采用航空插头，整体设备在工厂内进行调试。HGIS现场工作量非常少，单间隔的110kV、220kV的设备仅需1d即可完成安装。
（2）变电站扩建阶段
梁庄220kV变电站本期仅上4回出线及1台主变，后期设备扩建工作量较大，因此需考虑不同配电装置扩建的便利性。
AIS敞开式变电站内带电设备及导线裸露，在带电站内施工存在一定安全风险，由于设备较多，施工周期长。 GIS设备集成度过高，扩建需对已建部分放、充SF6气体，并进行整体耐压试验等，停电影响范围大。特别是双母线接线的GIS设备在对接母线时存在全站停电的风险，此外GIS设备对安装的环境和工艺要求较高，远期扩建不便。
HGIS配电装置以间隔为单位安装、扩建方便且停电时间短、影响范围小等优点，具有较高的技术经济性。HGIS适合应用于户外变电所的扩建、改造，而GIS设备的适应性较差用。
3.3 运行维护便利性比较
AIS设备以瓷套作为设备外壳及外绝缘，设备间通过软导线连接，可视性好，但因设备都暴露在空气中，易受外界环境的影响，变电站设备多，电气布置复杂，故障率高，需要检修维护的工作量较大。此外常规AIS容易误操作，不利于系統的安全及可靠运行。
GIS布置变电站，设备较少，全站布局简洁，运行维护工作量少，但若GIS母线气室划分不合理，一旦漏气可能造成大范围的停电，供电恢复时间长。
HGIS将断路器、隔离开关、接地开关、TA等集成为一个模块，与常规变电站相比减少了间隔内设备数量，从而使变电所设备对地发生污闪的概率减少了，检修维护需要的工作量减少了。HGIS的维护周期较长，厂家一般仅要求5～7年进行一次预防性实验。
通常HGIS在发生故障的时候，一般由厂家到现场处理。处理方式为更换部分元器件，一般不进行现场的拆装。对发生事故几率极低的母线，则采用敞开布置，因而使得现场布局清晰、简洁、紧凑、安装和维护方便、运行可靠性高，兼具AIS和GIS的优点。
3.4 经济指标比较
根据不同配电装置的设备选型和建设规模，参照国网公司通用造价（2014年版）中典型造价，不同方案的投资费用如表2所示。
从表2可以看出：①AIS及GIS布置方案建筑费用相当，竞赛方案通过HGIS配电装置型式优化，土建建筑费用可减少50%左右；②设备购置费AIS方案最少，GIS和HGIS相当，但AIS与GIS方案安装费用明显高于HGIS方案；③从总的投资来看AIS方案和GIS布置方案相差不大，HGIS方案投资费用少于前者，约为AIS方案的83%，GIS方案的81%。若考虑到后期运行维护费用及扩建成本，HGIS方案的经济效益将更加明显。
3.5 环境影响比较分析
常规AIS变电站占地面积较大，站内地面平整度要求较高，需要大范围的平场，对环境的影响较大，而采用GIS、HGIS的变电站占地面积较小，设备紧凑、可在满足电气设备布置的条件下，降低了对环境的影响。
常规AIS变电站日常维护工作量较多，周围环境容易造成污染；而采用紧凑型设备则日常维护量相对较少，施工扩建土建工作量少，可降低对环境的影响。
因此在环境影响方面，GIS、HGIS布置方案优于AIS布置方案。
3.6 小 结
通过上述不同方面对比分析可以看出，AIS方案占地面积最大，运行维护及扩建不便，环境适应性差，但可视性好，运行维护经验丰富；GIS方案占地面积最小，运行维护工作量少，环境适应性好，但故障时停电损失大，扩建不便；HGIS兼具AIS和GIS的优点，且投资费用最省。
4 结 论
本文对变电站开关设备技术特性进行分析，并结合工程建设的条件制定了不同配电装置的布置方案，从占地面积、施工扩建、运行维护、投资费用、环境适应性等方面进行了对比分析，得到以下结论：
（1）占地面积方面，AIS布置方案是HGIS和GIS布置方案的2倍多，通过优化布置HGIS方案占地面积与GIS布置方案相当。
（2）施工扩建方面，AIS方案由于设备较多，施工周期长；GIS设备集成度过高，停电影响范围大，存在全站停电的风险，远景扩建较为不便；HGIS配电装置以间隔为单位施工安装、扩建方便且停电时间短，较适合于户外变电站的扩建、间隔的改造。
（3）运行维护方面，AIS方案设备布置复杂，故障率高，维护的工作量较大，存在误操作的可能，不利于系统的安全及可靠运行。GIS方案运行维护工作量少，但故障时可能造成大面积停电，恢复供电时间长。HGIS方案结构清晰、简洁、紧凑、安装和维护方便、运行可靠性高，兼具AIS和GIS的优点。
（4）工程造价方面，AIS方案和GIS布置方案相差不大，HGIS方案投资费用少于前者，约为AIS方案的83%，GIS方案的81%。若考虑到后期运行维护费用及扩建成本，HGIS方案的经济效益将更加明显。
（5）综合考虑各类开关设备技术经济特性，梁庄220kV变电站的220kV、110kV配电装置选择HGIS设备作为最终推荐方案。
参考文献
[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会《高压配电装置设计技术规程》（DL/T5352-2006）[S].北京：中国电力出版社，2007.
[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）[M].北京：中国电力出版社，2011.
[3]庞 春，侯国柱，葛惠珠.HGIS在220kV变电站中的选型应用[J].内蒙古电力技术，2011，29（5）：87～90.
[4]薛 军，王 宏，包红旗.HGIS设备技术适用性分析[J].西北电力技术.2005，06：23～24.
收稿日期：2018-11-9
作者简介：周良才（1985-），男，工程师，硕士研究生，从事变电一次设计工作。
任 然（1986-），男，工程师，硕士研究生，从事变电一次设计工作。
本文通过对变电站中常用的AIS、HGIS和GIS三种配电装置型式，从占地面积、建设维护、环境适应性、综合投资等方面进行了技术经济比较，结合国家电网公司通用设计中的配电装置比选原则及工程变电站实例，论证了HGIS设备在变电站220kV开关中应用的可行性与合理性。
关键词：配电装置；AIS；GIS；HGIS
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0037-03
1 引 言
变电站的主设备及配电装置选型是变电站的重要组成部分，对布置的合理性、可靠性、维护便利性、经济性、环境协调度的要求也越来越高。目前变电站配置装置开关设备主要有三种类型：传统的瓷柱式（AIS）、GIS和HGIS。三种配电装置构成的的智能变电站，在建设过程及运行时，都有其的独特处。为此合理的选择配电装置型式成为变电站设计的重要问题，通过经济技术比较分析，结合工程实际情况，研究开关设备的选型显得十分必要。
2 梁庄220kV变电站总平面布置方案比较
2.1 工程建设规模
根据可研审查意见及招标文件内容要求，本站建设规模如下：
该变电站主变压器：最终3×180MVA，本期1×180MVA，电压等220/110/10kV；220kV出线：最终6回，本期2回，预留4回；110kV出线：最终12回，本期4回，预留8回；10kV出线：最终20回，本期10回，预留10回。10kV无功补偿：最终3×3×10MVar容性无功，本期1×3×10MVar容性无功。可研阶段根据上述规模布置，怡德（梁庄）220kV变电站总平面布置参照国家电网公司220kV变电站通用设计220-B-2与220-B-3拼接设计方案，结合站址条件和建设规模进行站址总体规划设计。
2.2 AIS设备布置方案
根据本工程建设规模，220kV、110kV配电装置采用了AIS设备，管母线中型布置。参照国网通用设计方案220-C-1，得到电气总平面布置图如图1所示。
由图1可知，梁庄220kV变电站若采用AIS设备布置，整体占地面较大，纵向尺寸131m，横向尺寸160m，其占地面积为20960m2。这种布置有下列特点：
（1）占地面积小，布置比较紧凑。
（2）布置和接线相对应，接线清晰。
（3）构支架复杂，钢耗量高。
（4）采用硬管母线，施工便利，适用范围广。
（5）运行维护工作量较大。
（6）施工的周期较长，受周围环境的影响。
2.3 GIS布置方案
根据本工程建设规模，220kV配电装置采用了GIS设备，管母线中型布置。参照国网通用设计方案220-A1-1，得到电气总平面布置图如图2所示。
由图2可知，怡德（梁庄）220kV变电站若采用GIS设备布置，整体占地面将极大的减小，纵向尺寸86m，横向尺寸108m，其占地面积为9288m2。这种布置有下列特点：
（1）占地面积小，布置相对紧凑。
（2）施工周期短，维护工作量较小。
（3）整体布局合理。
（4）设备构支架较少，构架型式简单。
（5）GIS内部检修或事故时影响的范围较大。
2.4 HGIS设备布置方案
本工程可研及竞赛方案均采用HGIS设备布置，竞赛方案母线采用户外悬挂管母线布置，其他设备均集成在HGIS内，通过设备的整合和布置的优化，得到电气总平面布置图如图3所示。
由3图可知，怡德（梁庄）220kV变電站若采用HGIS设备布置，纵向尺寸92m，横向尺寸94m，其占地面积为8648m2。这种布置有下列特点：
（1）占地面积小，布置紧凑。
（2）间隔内设备少，检修方便，维护工作量小，土建支架大大减少。
（3）布局清晰合理。
（4）采用联合构架，简化了门型构架。
（5）线路双层出线，出线间隔需和线路配合。
（6）构架复杂，钢耗量高。
3 不同开关设备布置方案技术经济比较
3.1 占地面积比较
根据本工程建设规模，参照国网通用设计方案，得到布置方案占地指标如表1所示。
从表1可以看出在建设规模相同的情况下，配电装置的尺寸大小在变电站占地面积中起主要控制作用。AIS布置方案占地面积是HGIS和GIS布置方案的两倍多，都采用架空出线方式时，HGIS布置方案占地面积与GIS布置方案相当。
3.2 施工扩建便利性比较
（1）变电站新建阶段
AIS方案的设备布置清晰明朗，设备安装简单，土建施工工作量较大。GIS方案设备布置集成度高、设备尺寸小，对节省变电站的占地面积效果明显。
HGIS的高压电气部分是在工厂的净化车间完成的，二次接线采用航空插头，整体设备在工厂内进行调试。HGIS现场工作量非常少，单间隔的110kV、220kV的设备仅需1d即可完成安装。
（2）变电站扩建阶段
梁庄220kV变电站本期仅上4回出线及1台主变，后期设备扩建工作量较大，因此需考虑不同配电装置扩建的便利性。
AIS敞开式变电站内带电设备及导线裸露，在带电站内施工存在一定安全风险，由于设备较多，施工周期长。 GIS设备集成度过高，扩建需对已建部分放、充SF6气体，并进行整体耐压试验等，停电影响范围大。特别是双母线接线的GIS设备在对接母线时存在全站停电的风险，此外GIS设备对安装的环境和工艺要求较高，远期扩建不便。
HGIS配电装置以间隔为单位安装、扩建方便且停电时间短、影响范围小等优点，具有较高的技术经济性。HGIS适合应用于户外变电所的扩建、改造，而GIS设备的适应性较差用。
3.3 运行维护便利性比较
AIS设备以瓷套作为设备外壳及外绝缘，设备间通过软导线连接，可视性好，但因设备都暴露在空气中，易受外界环境的影响，变电站设备多，电气布置复杂，故障率高，需要检修维护的工作量较大。此外常规AIS容易误操作，不利于系統的安全及可靠运行。
GIS布置变电站，设备较少，全站布局简洁，运行维护工作量少，但若GIS母线气室划分不合理，一旦漏气可能造成大范围的停电，供电恢复时间长。
HGIS将断路器、隔离开关、接地开关、TA等集成为一个模块，与常规变电站相比减少了间隔内设备数量，从而使变电所设备对地发生污闪的概率减少了，检修维护需要的工作量减少了。HGIS的维护周期较长，厂家一般仅要求5～7年进行一次预防性实验。
通常HGIS在发生故障的时候，一般由厂家到现场处理。处理方式为更换部分元器件，一般不进行现场的拆装。对发生事故几率极低的母线，则采用敞开布置，因而使得现场布局清晰、简洁、紧凑、安装和维护方便、运行可靠性高，兼具AIS和GIS的优点。
3.4 经济指标比较
根据不同配电装置的设备选型和建设规模，参照国网公司通用造价（2014年版）中典型造价，不同方案的投资费用如表2所示。
从表2可以看出：①AIS及GIS布置方案建筑费用相当，竞赛方案通过HGIS配电装置型式优化，土建建筑费用可减少50%左右；②设备购置费AIS方案最少，GIS和HGIS相当，但AIS与GIS方案安装费用明显高于HGIS方案；③从总的投资来看AIS方案和GIS布置方案相差不大，HGIS方案投资费用少于前者，约为AIS方案的83%，GIS方案的81%。若考虑到后期运行维护费用及扩建成本，HGIS方案的经济效益将更加明显。
3.5 环境影响比较分析
常规AIS变电站占地面积较大，站内地面平整度要求较高，需要大范围的平场，对环境的影响较大，而采用GIS、HGIS的变电站占地面积较小，设备紧凑、可在满足电气设备布置的条件下，降低了对环境的影响。
常规AIS变电站日常维护工作量较多，周围环境容易造成污染；而采用紧凑型设备则日常维护量相对较少，施工扩建土建工作量少，可降低对环境的影响。
因此在环境影响方面，GIS、HGIS布置方案优于AIS布置方案。
3.6 小 结
通过上述不同方面对比分析可以看出，AIS方案占地面积最大，运行维护及扩建不便，环境适应性差，但可视性好，运行维护经验丰富；GIS方案占地面积最小，运行维护工作量少，环境适应性好，但故障时停电损失大，扩建不便；HGIS兼具AIS和GIS的优点，且投资费用最省。
4 结 论
本文对变电站开关设备技术特性进行分析，并结合工程建设的条件制定了不同配电装置的布置方案，从占地面积、施工扩建、运行维护、投资费用、环境适应性等方面进行了对比分析，得到以下结论：
（1）占地面积方面，AIS布置方案是HGIS和GIS布置方案的2倍多，通过优化布置HGIS方案占地面积与GIS布置方案相当。
（2）施工扩建方面，AIS方案由于设备较多，施工周期长；GIS设备集成度过高，停电影响范围大，存在全站停电的风险，远景扩建较为不便；HGIS配电装置以间隔为单位施工安装、扩建方便且停电时间短，较适合于户外变电站的扩建、间隔的改造。
（3）运行维护方面，AIS方案设备布置复杂，故障率高，维护的工作量较大，存在误操作的可能，不利于系统的安全及可靠运行。GIS方案运行维护工作量少，但故障时可能造成大面积停电，恢复供电时间长。HGIS方案结构清晰、简洁、紧凑、安装和维护方便、运行可靠性高，兼具AIS和GIS的优点。
（4）工程造价方面，AIS方案和GIS布置方案相差不大，HGIS方案投资费用少于前者，约为AIS方案的83%，GIS方案的81%。若考虑到后期运行维护费用及扩建成本，HGIS方案的经济效益将更加明显。
（5）综合考虑各类开关设备技术经济特性，梁庄220kV变电站的220kV、110kV配电装置选择HGIS设备作为最终推荐方案。
参考文献
[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会《高压配电装置设计技术规程》（DL/T5352-2006）[S].北京：中国电力出版社，2007.
[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）[M].北京：中国电力出版社，2011.
[3]庞 春，侯国柱，葛惠珠.HGIS在220kV变电站中的选型应用[J].内蒙古电力技术，2011，29（5）：87～90.
[4]薛 军，王 宏，包红旗.HGIS设备技术适用性分析[J].西北电力技术.2005，06：23～24.
收稿日期：2018-11-9
作者简介：周良才（1985-），男，工程师，硕士研究生，从事变电一次设计工作。
任 然（1986-），男，工程师，硕士研究生，从事变电一次设计工作。