GIS组合电器简介

GISGIS 组合电器简介组合电器简介 GIS gas insulated substation 是气体绝缘全封 闭组合电器的英文简称 GIS 由断路器 隔离开关 接地开关 互感器 避雷器 母线 连接件和出线终 端等组成 这些设备或部件全部封闭在金属接地的外 壳中 在其内部充有一定压力的 SF6 绝缘气体 故也 称 SF6 全封闭组合电器 GIS 设备自 20 世纪 60 年代 实用化以来 已广泛运行于世界各地 GIS 不仅在高 压 超高压领域被广泛应用 而且在特高压领域也被 使用 与常规敞开式变电站相比 GIS 的优点在于结 构紧凑 占地面积小 可靠性高 配置灵活 安装方 便 安全性强 环境适应能力强 维护工作量很小 其主要部件的维修间隔不小于 20 年 目前 GIS 国外生产厂家主要有 ABB 东芝 三菱 日立 西门子 阿尔斯通等 国内生产厂家有西开 沈高 平高等 我国通过技术引进 消化吸收 目前 已掌握 500 千伏 GIS 的设计制造技术 自主研发的 1000 千伏 GIS 包括核心部件灭弧室和操动机构 将 完全自主设计制造 预计 2009 年 6 月可提供产品 GIS 制造技术在不断进步和发展 40 多年来 各 GIS 生产厂家围绕着提高经济性和可靠性这两个主要目标 在元件结构 组合形式 制造工艺以及使用和维护方 面进行了大量研究 开发 随着大容量单压式 SF6 断 路器的研制成功和氧化锌避雷器的应用 GIS 的技术 性能与参数已超过常规开关设备 并且使结构大大简 化 可靠性大大提高 为 GIS 进一步小型化创造了十 分有利的条件 关于 GIS 安装 试验及设 计的思考 1 GIS 概述 GIS 的定义为 全部或部分采用气体而不 采用处于大气压下的空气作为绝缘介质的金属封闭开 关设备 它是由短路器 母线 隔离开关 电压互感 器 电流互感器 避雷器 套管 7 种高压电器组合 而成的高压配电装置 全称为 gas insulated substation 2 GIS 的安装 为了保证 GIS 安装的顺利进行 在施工设计阶段 设 计人员需要认真考虑以下两个方面的问题 否则会给 GIS 的安装带来许多困难 首先是 GIS 的起吊方式 目前户内 GIS 的安装及起吊 的荷载条件大多采用电动单梁桥式起重机 起重机起 吊速度有两档 低速档主要用于设备就位时的调整 两档协调应用 如公伯峡 330kV GIS 工程 棉花滩 220kV GIS 工程及一些电压等级更高的电站均采用这 种起吊方式 实践证明是行之有效的 其次是 GIS 设备基础的预埋方式 通常 GIS 的载荷条 件 留孔及预埋要求均由制造商提供 但基础的预埋 方式是由设计方根据制造商提供的基本资料来确定的 目前较常用的基础预埋件有槽钢和螺栓两类 其中预 埋螺栓的施工较简单 但调节性差 若螺栓遇到楼板 钢筋 则需要调整螺栓位置 并在需要与之连接固定 的设备支架上重新开孔 然后对开孔进行防锈处理 而预埋槽钢则不存在上述问题 因此应用较多 上述两方面应在设计中注意 在 GIS 安装期间 往往 需要设计方代表在现场 此时设计人员应该了解 GIS 安装过程中的三大要素 即清洁度 密封性和真空度 因为 GIS 的结构特点决定了安装过程本身就是控制 GIS 运行后质量的最后一个关键阶段 大量的安装实践证明 保证清洁度是 GIS 总装和现场 安装中最首要的任务 国内 GIS 安装现场的场地情况 通常较差 为了防止起灰尘 安装前第一次清洁时应 在场地洒水并用水揩净 在空气静止 48h 后才开始安 装 作为电极的铝管在加工过程中难免会存在着表面 毛刺和铝屑 这些微粒都是耐压实验中放电的来源 因此要特别注意保证铝导体的清洁 这就要求一方面 强化对导体加工过程的清洁检查 防止出现死区 另 一方面在总装前制造商应增加导体振动清洁的新手段 尽量把空心体内部死角的残留物清理出来 或者对安 装前的导体做类似局部放电试验以检查出残留的铝屑 和金属丝 某些国产 GIS 产品由于管理不严 出厂时 GIS 内还残留有杂物 加之许多安装现场管理不严 灰尘漫天 更增加了确保清洁度的难度 所以必须严 格要求 精心施工 万家寨 GIS 就是因为 GIS 内杂物 引起试验时三次放电 不得不又拆开进行局部清理 既增加了工作量 又影响了工期 这个教训值得引以 为戒 密封性是 GIS 绝缘的关键 SF6 气体泄露会造成 GIS 致命的故障 因此密封性检查应贯穿于整个制造和安 装的始终 密封效果主要取决于罐体焊接质量 其次 是密封圈的制造 安装调整情况 除上述两个关键因素外 真空度的要求是总装和安装 过程中的第三个控制因素 是控制 SF 6 含水量的重 要保证措施 它不仅能减少 SF6 气体本身的水分 也 可减少罐内其它物体 绝缘体 密封体 内所含的水 分 一般要求在充入 SF6 气体之前真空度要达到 133Pa 再继续抽真空 30min 水分对 GIS 运行的影 响关键在于 如果没有将 SF6 气体控制在 0 以下 则在温度变化时绝缘体表面会形成凝露 所附着的水 珠和 SF6 电弧产物发生反应生成 HF 等低氟化物 从 而导致沿面的绝缘材料和金属表面劣化 如果将 SF6 露点的允许值控制在较低值 则在温度变化时绝缘体 表面凝结的不是水珠而是冰晶 它对绝缘性能几乎没 有影响 因此 在 IEC 及国际上均有规定 充入 GIS 的新气体在额定密度下其露点不应超过 5 3 GIS 的试验 GIS 的试验包括型式试验 出厂试验及现场试验 其 中型式试验是检验产品的正确性 验证 GIS 装置的各 项性能 出厂试验是在每一间隔上进行的 以检验加 工过程中是否存在缺陷 现场试验是检查 GIS 配电装 置在包装 运输 储存和安装过程中是否出现异常现 象行之有效的监测方法 是 GIS 在投运之前必须进行 的 也是前两种试验无法替代的 试验结果表明 1 现场绝缘试验中往往会发生零件 松动 脱落 导电表面刮伤 2 强烈的振动造成绝 缘子开裂 3 安装错位引起电极表面缺陷 4 安装 过程中造成导电微粒进入 5 由于疏忽将工具遗忘 在装置内 6 原来潜伏在装置内的导电微粒在工厂 试验时未能检测出来 后来在运输和安装过程中被振 荡出来或漂浮在装置内等 这些因素都会导致绝缘故 障 这些绝缘缺陷一般分为两大类 一是由自由微粒 和灰尘诱发的绝缘事故 称为活动绝缘缺陷 A 类 二是由于安装运输中的意外造成的固定绝缘缺陷 B 类 据统计 SF6 设备的绝缘事故有 2 3 都发生在未进行 现场耐压试验的设备上 加拿大安大略水电局的运行 经验表明 GIS 的事故不仅多发生在未做现场绝缘试 验的设备上 而且多发生在安装后投入运行的最初 4 个月内 这类事故约占总事故的 67 第一年事故率 为 0 53 次 年 间隔 之后为 0 06 次 年 间隔 北 美地区的调查报告认为 GIS 运行后头一年事故率为 4 次 所 年 一年以后为 0 1 次 所 年 因此 GIS 经工厂装配 运输和现场安装之后 在投运前进 行绝缘试验是十分必要的 4 GIS 外壳接地问题 GIS 的外壳接地方式有两种 一种是一点接地 方式 另一种是多点接地方式 一点接地方式是在 GIS 外壳的每个分段中一端绝缘 另一端用一点接地 的方式 在结构上 串联的壳体之间一般是在法兰盘 处绝缘 对地之间是在壳体支座处缘绝缘 这种接地 方式的优点是 因为长时间没有外壳电流通过 故即 使电流额定值大 外壳的温升也较低 损耗也较小 因为没有电流流入基础部位 故土建钢筋中没有温升 当然它的缺点也很突出 即事故时不接地端外壳感应 电压较高 外界的磁场也较强 当导体中流过的电流 较大时 往往会使外壳钢筋发热 由于只有一根接地 线 因此可靠性较差 目前国内 GIS 设计一般不采用 这种外壳接地方式 多点接地方式是在 GIS 的某个分段内 用导体连 接外壳和大地 并且采用两点以上的多点接地 一般 在结构上 串联的法兰盘之间不设绝缘 设备的支座 不绝缘 并用固定螺栓导通 接地线也装于壳体 多 点接地的优点很多 外部磁漏少 感应过电压低 由 于 GIS 外壳有两点以上的接地点 因而可大大提高其 可靠性及安全性 不需要使用绝缘法兰等绝缘层 施 工方便 外壳和导体电流几乎抵消 因此外部磁场较 小 使钢构发热和流过控制电缆外皮的感应电流都很 小 由于外壳中有感应电流流过 因此外壳中的温升 和损耗比一点接地方式大 但电站 GIS 工程中外壳损 耗本身不大 因此在工程中可以忽略补给 例如 广 州抽水蓄能电站 GIS 外壳的功率损耗为 2 43 3 79W m ph 可以略去不计 5 GIS 设计中有待完善的工作 根据近年来 GIS 工程的设计经验 笔者认为在设计标 准化中尚有一些空白点亟待解决 因为设计标准是整 个设计过程的依据 设备接口标准是制造商的制造依 据 首先是伸缩节的设置问题 尤其是在选用进口 GIS 设 备时对伸缩节的技术要求 伸缩节主要是用来吸收 GIS 母线热胀冷缩 基础伸缩缝的位移 设备间的安 装调整以及地震和操作引起的位移量 因此主要配置 在母线与各设备 变压器进线 线路出线的连接等位 置 而在水电站的厂房中 厂坝间的伸缩缝很多 每 条伸缩缝的伸缩量无法准确测出 因此在 GIS 的招标 设计中应对伸缩节提出较高的要求 如果采用进口 GIS 设备 国外厂家对伸缩节的看法不 一 某些厂家认为完全可以满足设计要求的水平位移 和垂直位移 而有的厂家认为土建伸缩缝与伸缩节关 系不大 我国国标规定 制造厂应根据使用的目的 允许的位 移量等来选定伸缩节的结构 在 GIS 分开的基 础间允许的相应位移 不均匀下沉 应由制造厂和用户 商定 为了确保在与外商的技术谈判中有据可依 更为了确保 GIS 设备运行的安全可靠性 在我国的标 准中应增加伸缩节方面的量化计算和要求 其次是 GIS 接地线的材料和尺寸 这往往是与 GIS 外 商谈判中讨论较多的问题 国外制造商都主张 GIS 室 采用铜接地网和铜接地引线 因为铜的导电性和耐腐 蚀性优于钢 但由于铜本身成本以及焊接成本都很高 因此我国电站大多采用钢接地网和钢接地线 目前国 内超高压 GIS 均采用铜接地引线 铜引线与钢接地 网之间的连接需采用特殊方式 以防止钢与铜直接接 触发生化学腐蚀现象 另外 国外厂家根据 GIS 的热稳定电流来计算接地线 截面 并有具体的计算公式和曲线 计算的参数包括 接地的短路电流 故障的持续时间 接地线相应的允 许温升值 其中接地线熔断相应的允许温升值起决定 作用 有些厂家采用的允许温升值为 100 这样选 出的接地线截面就小一些 而有些厂家采用的允许温 升值为 200 这样选出的接地线截面就大一些 我 国的规范要求