发电厂电力系统哈尔滨第十章

发电厂及变电站电气部分,三峡大学电气与新能源学院CollegeofElectricalEngineering&NewEnergy,第10章GIS原理与设计,第1章GIS原理与设计,第一节SF6的绝缘与灭弧性能,SF6应用设备,1SF6的绝缘性能,(1)电场的均匀性对SF6绝缘性能的影响,SF6优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得到充分展现。,圆筒间的气隙。稍不均匀电场下的绝缘性能和均匀电场中情况相差不多。,电场中SF6气体电子的增长速度比空气快，在不均匀电场下，SF6气体为了满足自持放电所需电压，不仅比均匀电场要低很多，而且其降低的程度远比空气大。,(2)气体的压力对击穿电压的影响,击穿电压与气体压力有关，气体压力越高，其击穿电压增加得越快，因此，提高SF6气体的压力，可以显著提高击穿场强。,这是因为当气体的压力增高时，电子的平均自由行程随之减小，使得电子在二次碰撞时所积累的动能减少，从而减少了碰撞游离。增加气体的压力，间隙中的击穿电压也随之增高，但当压力增高到一定程度后则出现击穿电压的饱和现象。当气压增加到2000kPa时，击穿电压已达到完全饱和，此时，增加压力不会使击穿电压增高，所以GIS设备的压力应限制在一定范围之内。,(3)影响击穿场强的其它因素,气体绝缘电气设备的设计场强值远低于理论击穿场强，这是因为许多影响因素会使击穿场强下降。此处仅介绍其中两种主要影响因素，即电极表面缺陷和导电微粒。,1）电极表面缺陷,电极表面越粗糙,间隙的击穿电压越低,“面积效应”,电极表面积越大，SF6气体的击穿场强越低，出现降低击穿电压的概率就越多，这一现象被称为“面积效应”。,2）导电微粒,导电微粒,固定微粒,自由微粒,与电极表面缺陷相似,会在极间跳动而对SF6气体的绝缘性能产生更严重的不利影响,在GIS设备里，导电微粒的存在，会明显地降低击穿电压。这是因为电极表面的导电粒子，使电极表面粗糙度增大，从而降低击穿电压。同时，由于导电粒子受到电极间的电场力作用，使导电粒子发生移动，其方向由低电场向强电场移动，即从外壳向母线或其他导体移动，从而导致击穿电压下降。在雷电冲击电压下，导电微粒与电压的波形有关，导电粒子作用的时间很短，还来不及移动，冲击电压就降低了，因此对击穿电压的影响较小，而对工频击穿电压的影响就很大。因此，在制造和安装GIS设备时，不允许内部有任何金属微粒、粉末侵入，保持设备内部的清洁尤为重要。,2SF6的灭弧性质,(1)有优良的热特性,气体温度在40006000K以上时就开始出现热游离导电现象在4000K以下没有明显的游离但在电弧的电极金属蒸气参与下，实际的热游离起始温度降低到3000K左右因此开关电弧的导电下限温度一般在3000K附近。,SF6气体电弧,SF6的导热能力随温度的变化特性是它具有优异熄弧能力特性的重要原因,低温区却有很高的导热率。,弧芯区，温度高，具有高电导率和低导热率,(2)SF6气体的绝缘性能恢复快,随着电流瞬时值的减小，SF6电弧的弧芯直径也逐渐减小，这种纤细型的弧芯结构可以维持到很小的电流值（1A以下）,T电弧,U电弧,P电弧,灭弧能量,由于SF6气体中电弧的电压梯度比空气小两倍，所以SF6气体中电弧的输入功率少，在与空气同样的散热条件下，在SF6气体中的电弧容易熄灭，绝缘恢复得快，且不易重燃。,电流过零时电弧不会造成电流折断，还能维持高温结构使得弧柱能保持其截面小的状态，在开断感性小电流时，不会产生高的截流过电压，使得电流过零后，介质绝缘强度恢复快。,(3)有电负性,为此可以降低电弧的导电率，使得SF6气体的灭弧性能比空气好。,V负离子,P自由电子,在弧焰区和弧后恢复阶段，电负性起很重要作用，它使弧隙自由电子减少，电导率下降，介质温度提高。因此在灭弧室中应提供新鲜的气体，尽可能增加SF6气体与弧柱的接触，以增强吸附的过程。,(4)SF6气体的电弧时间常数小,电弧的熄灭过程弧隙游离产物（离子、电子）的去游离，使间隙恢复到绝缘状态的过程，这主要通过冷却降温，使电导率降低、消失。,表示电导减小的速度常用电弧的时间常数来说明,电弧时间常数,弧柱温度或热量变化,灭弧能力,GIS设备的优良开断性能，与SF6气体电弧的时间常数是分不开的,常数,因此，在电流零点附近，电弧时间常数很小，或者说，残余弧柱截面很小，这对于弧后介质强度的恢复是十分有利的。,开断相同的电流,小电流断开的结果,SF6电弧的时间常数只是空气的百分之一，,灭弧能力则为空气的100倍,开断大电流的试验,开断能力大约为空气的23倍。,电流过零后，介质恢复过程的时间常数，在热恢复阶段，SF6气体比空气快一倍。,SF6气体吹弧所需要的压力只有空气的1/21/3,3SF6理化特性方面的问题,SF6气体是唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因即在于,高电气强度,良好的理化特性,3.1液化问题,一般不存在液化问题，只有在高寒地区才需要对断路器采用加热措施。,现代SF6高压断路器的气压在0.7MPa左右，而GIS中除断路器外其余部分的充气压力一般不超过0.45MPa。,如果20时的充气压力为0.75MPa(相当于断路器中常用的工作气压），则对应的液化温度约为-25；如果20时的充气压力为0.45MPa，则对应的液化温度为-40,由于SF6气体价格较高，液化温度不够低，对电场不均匀度太敏感，因此国内外都在研究SF6混合气体，期望在某些场合用SF6混合气体来代替SF6气体，目前已获工业应用的是SF6-N2混合气体，主要用作高寒地区断路器的绝缘介质和灭弧材料，采用的混合比通常为50%：50%或60%：40%。,3.2杂质和水分,SF6气体中的杂质和水分的含量是很微小的，但其危害性却很大，它足以改变SF6气体的性能。水分是SF6气体中危害最大的杂质，水分可引起设备化学腐蚀。,在常温下，SF6气体的化学性能很稳定，当温度在500以下时，一般不会自行分解。但是SF6气体含有较多的水分时，温度在200以上就开始水解，其反应式为,从上面的反应式看到其生成物HF，叫做氢氟酸，是所有酸中腐蚀性最强的。另一种生成物SO2遇水化合变为亚硫酸H2SO3，也有较强的腐蚀性，他们会引起材料的腐蚀和导致机械故障。,除水分外，还有5种杂质对SF6气体的影响很大，它们分别是空气（氧、氮）、四氟化碳、游离酸（用HF表示）、可水解氟化物（用HF表示）、矿物油。国家规定上述六种杂质在新SF6气体中必须对其进行检测。,3.3毒性分解物,它的分解物遇到水分后会变成腐蚀性电解质尤其是有些高毒性分解物:如SF4、S2F2、S2F10、SOF2、HF和SO2，它们会刺激皮肤、眼睛、粘膜，如果吸入量大，还会引起头晕和肺水肿，甚至致人死亡。,纯净的SF6气体是无毒惰性气体，180以下时它与电气设备材料的相容性和氮气相似。,但SF6的分解物有毒，并对材料有腐蚀作用,因此必须采取措施以保证人身和设备的安全,SF6的分解原因：,而在断路器和GIS操作过程中，由于电弧、电晕、火花放电和局部放电、高温等因素影响下，SF6气体会进行分解,分解物:,4SF6气体绝缘电气设备,4.1气体绝缘开关设备（GIS）,由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等七种电器元件组合而成，因此经常又称为全封闭组合电器,因为它的外壳通常是金属材料且接地，有时也称为气体绝缘金属封闭开关设备,4.2气体绝缘管道输电线（GIC),气体绝缘管道输电线亦可称为气体绝缘电缆，它与充油电缆相比具有下列优点：,1)电容量小：GIC的电容量大约只有充油电缆的1/4左右，因此其充电电流小、临界传输距离长。,2)损耗小：常规充油电缆常因电介质损耗较大而难以用于特高压，而GIC的绝缘主要是气体介质，其介质损耗可忽略不计，已研制成特高压等级的产品。,3)传输容量大：常规电缆由于制造工艺等方面的原因，其缆芯截面一般不超过2000mm2而GIC则无此限制，所以GIC的传输容量要比充油电缆大，而且电压等级越高，这一优点越明显。,4)能用于大落差场合。,4.3气体绝缘变压器(GIT),气体绝缘变压器（GIT）与传统的油浸式变压器相比有以下优点：,1）GIT是防火防爆型变压器，特别适用于城市高层建筑的供电和用于地下矿井等有防火防爆要求的场合。,2）气体传递振动的能力比液体小，所以GIT的噪声小于油浸变压器。,3）气体介质不会老化，简化了维护工作。,除了以上所介绍的气体绝缘电气设备外，SF6气体还日益广泛应用到一些其他电气设备中，诸如：气体绝缘开关柜、环网供电单元、中性点接地电阻器、中性点接地电容器、移相电容器、标准电容等。,第二节GIS的构成原理,GIS是将高压变电站中除变压器以外的所有一次设备组装在金属壳体内，用环氧树脂绝缘子支撑导体，内充SF6气体作为绝缘和灭弧介质的一种设备。,1概述,图82GIS的外形和内部结构,包括断路器隔离开关接地开关电流互感器电压互感器氧化锌避雷器三极共箱母线出线套管电缆连接装置电气控制柜等基本元件，伸缩节等其它附件，这些元件经优化设计有机地组合成一个整体，全部封闭在SF6金属外壳中。,GIS设备的所有带电部分都被金属外壳所包围，外壳是用铝合金、不锈钢、无磁铸钢的材料做成，并且内部充有一定压力的SF6气体。母线多由铝合金管制成，母线两端插入到触头座里。母线的表面要求光洁度高，没有毛刺和凹凸不平之处，它由环氧树脂浇铸的支撑绝缘子支撑着，此外，盘形绝缘子把GIS设备分成若干个气室。,GIS设备的绝缘子的作用有三：第一、用来支撑GIS的导体；第二、使GIS的导体对外壳和其他元件保持一定距离；第三、可以将GIS设备分成若干个气室，互不相通。万一发生故障，可以抽出故障气室里的SF6气体，解体维修，而不影响其他气室的正常运行。,常见绝缘子的类型如下：,1）隔板,隔板又叫隔离绝缘子，它除了支撑GIS的导体之外，还可以将GIS设备分隔成若干个气室。该类绝缘子的形状像个盘样，它是用优质的环氧树脂浇铸而成，导电座浇铸在中央、边缘与金属法兰盘浇铸在一起。隔板的爬电距离不长，因此要求其表面绝对不能受到污染，否则将降低其绝缘水平。,2）支撑绝缘子,又称为母线绝缘子，支撑单独的导电体之用。在三相共同的母线管中，每相母线管用支撑绝缘子夹紧，根部固定在绝缘板上，每隔一定距离安装一个，其强度较高。,支撑绝缘子有两种形式：,另一种是中间有孔洞的盘形,一种是棒形,GIS设备的绝缘水平，断路器的开断能力，完全决定于GIS设备的电场结构、SF6气体的性能及其压力。电场结构一般是不均匀电场，电压增高时，可以增大导体之间或导体对地之间的距离来提高电气设备的绝缘水平。,2GIS分类,安装地点,户外式,户内式,防雨、防尘的装置,+,GIS形式,单相单筒式,三相共筒式,一个母线管里安装一相母线,三相母线安装在一个母线管里面,110kV电压等级及以下母线可以做成三相共筒式，220kV及以上采用单相单筒式。,3GIS的结构原理,3.1断路器,GIS产品涵盖了从52kV直到1100kV的全部电压等级范围,所有模块的法兰连接都采用了标准化设计，使得各种模块能够任意组合，以及满足各种变电站的设计和布置要求，独特的积木式结构可以满足高压领域内的所有需求。,断路器是GIS设备中最重要的模块，它的灵活与否对整个电厂的紧凑性有很重要的影响。,断路器的布置方式,立式,卧式,在220kV以下,220kV以上,由于电压超过220kV的断路器其高度增加，为了减低GIS设备的厂房高度，多用卧式断路器。两种布置虽然不同，但断路器的结构则一样。,由GIS的电压而定,GIS的断路器每相一个灭弧断口，一般采用双气室自能式灭弧原理，有一热膨胀室和一压气室，在两室之间有一单向阀片，在压气室的下部外侧设有减压弹簧和一减压阀片。,开断大电流时，主触头分开后，动、静触头间随后产生电弧，电弧能量加热热膨胀室建立灭弧所需的压力，热膨胀室中的高压气体经绝缘喷口吹向电弧，使电弧在电流过零时熄灭。随后阀门打开，排出多余气体。因此，开断短路电流所需要的工作压力并非来自断路器的操作机构，而是来自短路电流本身的电弧能量，只需要极少的维护和极低的操作功。这样操作机构可以做得特别简单和可靠即采用弹簧储能的液压操作机构。,开断小电流（电抗、电容电流和空载线路）时，由于电弧能量小，依靠电弧能量难以建立灭弧所需的压力，因此必须设法提供附加气吹作用。附加气吹作用是动触头向下运动带动固定活塞的压气作用使辅助气室（压气室）中的压力升高，打开阀门，让气体通过压气室经绝缘喷口吹向电弧。,3.2隔离开关和接地开关,功能,普通隔离开关,快速隔离开关,用于在线路无电流时切合和隔离电路，配电动操作机构，通过三相传动，实现三相联动操作,母线型隔离开关,馈线型隔离开关,普通隔离开关,快速隔离开关,除具有普通隔离开关的特性外，还具有切合感应电流、小电磁电流及切合双母线环流的能力，配弹簧操作机构。,接地开关也是GIS的标准元件之一,按功能分,工作接地开关,快速接地开关,用于工作维护接地，合闸后使不带电的主回路可靠接地，确保检修主回路的人身安全，配电动操作机构，三相实现联动操作。,除具有工作接地开关的特性外，主要用于变电站的进线端，具有关合线路短路电流和切合线路感应电流的能力，保护GIS免受烧损，配弹簧操作机构，三相实现联动操作。,隔离开关常常和接地开关组合在一起，形成三工位的隔离/接地开关组。,1）母线型隔离/接地开关,包含母线导体和三工位开关，断路器可以被安全地隔离或接地，是隔离/接地组合开关，一般情况下，使用三法兰壳体。为了各个间隔之间的安全可靠连接，每个母线型隔离/接地开关都会装配一个伸缩节，伸缩节上的插接式触头与母线导体连接，以补偿因温度变化而引起的轴向长度变化，还能完全避免绝缘子因导体和外壳间温差而产生的机械应力。,2）馈线型隔离/接地开关,除可连接馈线之外，还可以连接电压互感器，连接快速接地开关和出线管道，一般情况下，使用四法兰壳体。电压互感器可以选择接在隔离开关断口的前面或后面，用于指示开关侧或馈线侧的电压。用于连接电压互感器的法兰还可以用作变电站或电缆的高压试验。,3）快速隔离/接地开关,除具有普通隔离开关的特性外，还具有切合感应电流、小电磁电流及切合双母线环流的能力，能合上接地短路电流。这是因为当GIS设备内部发生接地短路时，在母线管里会产生强烈的电弧，它可以在很短的时间里将外壳烧穿，或者发生母线管爆炸。为了能及时切断电弧电源，人为地使电路直接接地，通过继电保护装置将断路器跳闸，从而切断故障电流保护设备不致损伤过大。快速接地隔离开关通常都是安装在进线侧。,当需要进行继电保护的调试和试验、电缆检查和电缆故障定位等工作时，可以通过快速隔离接地开关的动触头(通过绝缘片与外壳隔开)，从外面与GIS主回路的导体进行电气连接极大的方便了试验工作。快速隔离/接地开关也可与工作接地的外壳隔离断开。此模块既可安装在馈线侧，也可安装在母线侧。,3.3电流互感器,电流互感器通过不同的变比、输出功率、精确度等参数来满足保护和测量的要求。,另外，也可以选用独立式电流互感器。按照不同的保护原则电流互感器可以放在断路器灭弧室之前或者之后。,电流互感器的一次侧均采用SF6气体作为绝缘介质，二次侧则是通过一个包含有插接式绝缘接线盘和端子的二次端子盒与二次绕组相连。一般放置在断路器连接法兰内。,3.4电压互感器,电压互感器的一次侧采用SF6气体作为绝缘介质，二次侧通常可以有两个测量绕组和一个探测接地故障的开口三角形绕组，多个并排的绕组间用聚醋薄膜间进行匝间绝缘。通常情况下电压互感器被放置在一个单独的壳体内，并且通过隔离绝缘子与间隔内其它设备分隔开。,3.5电缆终端筒和套管,插拔式电缆终端筒的主要元件是由环氧树脂做成的插入式套管和由硅橡胶做成的预制电缆终端应力锥。,优点：,GIS安装可与电缆系统安装完全分开,SF6/空气套管用于架空线或变压器的连接。,有传统瓷和复合绝缘套管两种形式，复合绝缘套管，由玻璃纤维加强的环氧树脂做成的支持管壁和硫化硅橡胶做成的伞裙所组成，具有防爆防裂、抗拉力强、便于安装和运输、防污性能好(硅橡胶伞裙具有良好的憎水性)等很多优点。,3.6就地控制柜,每套GIS设备都有一套就地控制系统，它装在GIS设备附近的控制柜中，有时也称汇控柜。,在柜内装有断路器、隔离开关的启动、停止按钮、运行方式选择按钮、开关的闭锁方式按钮、运行情况的各种信号指示器以及电气计量表计等。,安装和检修GIS设备时，可以在就地柜通过操作手柄进行手动操作，运行时则由运行人员在控制室进行远方操作。,断路器、隔离开关和接地开关通常配备单独的控制单元，以保证开关的快速关合及电气联锁。所有用于控制、信号、联锁等用途的辅助电气设备都装在间隔就地控制柜内，,传统就地控制柜的主要功能包括:,就地操作和开关状态显示(通过控制按钮和位置指示器)通过联锁功能实现对操作人员和设备的保护获取和显示电流、电压值报警、操作次数的显示和处理,一次设备通过两端均带多芯插头的多芯电缆与就地控制柜相连,电站控制中心所需要的所有信号都可以从控制柜内的端子排上接取，控制柜上可以配置数字化的控制和保护,数字化控制可以提供与传统控制相同的功能。根据需要也可以提供检同期、自动重合闸、操作频率监测、故障录波、后备保护等附加功能。,原则上每个GIS间隔配置1台控制柜。就地控制柜可以设在GIS底座上与GIS一起运输供货，也可以分开独立设置。,4模块连接,灵活的模块化设计,标准化的积木式设计,4.1GIS设备间的连接,GIS系统提供补充模块，以实现完整的模块化系统，根据变电站的布置，需要不同的补充模块把设备联接在一起，以构成主导电回路。这些模块主要是:,转换模块母线管道和弯管伸缩节头直通型、T型、L型或十字型模块避雷器,以上这些模块均配有支撑或气体隔离绝缘子，而电气连接则采用插接式触头。补充模块保证了GIS设备最大的灵活性，使几乎任何布置都成为可能。,实现的连接可以是连接的导体，可以是某标准元件的动触头、出线套管或电缆的端头，也可以是实心或空心的导体，其目的是保证主回路能长期通过额定电流和承受额定动热稳定电流，又确保极对地或断口间的绝缘强度。,GIS设备是由断路器、隔离开关、互感器和母线互相连接起来的。这些元件的材料不同，膨胀系数不一样，当温度变化时若各个元件不能自由伸长和缩短，由于温度应力的原因，势必损坏元件，为此在GIS设备的母线管要配置伸缩节头。,伸缩节一般采用不锈钢波纹管结构，也可以是特殊的套筒结构(运行中可以整个间隔抽出来处理故障)。当温度变化时，节头可以伸长和缩短，弥补因温度的变化产生应力而破坏元件。伸缩节主要用于装配调整、吸收基础间的相对位移或热胀冷缩的伸缩量等。此外，伸缩节头还能补偿GIS设备加工而造成的误差，因为GIS设备的各个元件都是刚性结构，加工时有一些误差，就安装不上。,其配置原则如下：1)土建结构有伸缩缝的地方；2)会产生震动的地方，如GIS设备与主变压器相连接的地方；3)母线过长的地方。,4.2GIS与架空线的连接,由于GIS设备是密封式的，电源的引入和电能的输出，都只能通过SF6/空气套管。GIS安装完毕，进行高压耐压试验时，其试验电源也要通过套管引入。套管的内部分成两个气室，它们之间用盘型绝缘子分隔。套管的下部与GIS设备的元件相连通，并充以高压SF6气体，其压力与运行压力相同。在瓷套管的上部充以略比大气压力高一点的SF6气体。,4.3GIS与高压电缆的连接,GIS设备用电缆终端与高压电缆相连接，GIS母线与高压充油电缆相连接时，密封垫的一侧为SF6气体，一侧为电缆油，密封垫所承受的压力，是高位电缆头与低位电缆头之间的油柱压力差。在水电厂电缆头的密封垫所受的油压较高，因为高位电缆头多半在山上，而低位电缆头在水坝的下面，高差较大。因此设计者应尽量减少两个电缆头的高差，有条件的情况下用干式电缆。,4.4GIS设备与主变压器的连接,GIS设备与主变压器之间的连接用SF6油套管相连接，主变压器的套管外侧是SF6气体，内侧是变压器油。外面用金属罩保护，分上、下两节，分别由变压器厂和GIS厂制造，为此两个厂要密切配合。,5GIS的气室,GIS设备根据各个元件不同作用，分成若干个气室。各个气室由气体隔离绝缘子分隔开来。每个气室里，都装有测量压力的压力表，测量气室是否漏气的密度计，防止气体压力过高的防爆膜，以及进行充气和排气的气嘴。,5.1气室的划分,GIS设备与常规设备不同，除了考虑一次接线的电气性能外，还要考虑SF6气体的气路是否与一次接线的电路相配合。,GIS应分为若干气室。其划分方法既要满足正常运行条件，又要使气室内部的电弧效应得到限制。当相邻气室因漏气或维修作业而使压力下降时，隔板应能确保本气室的绝缘性能不发生显著变化。,隔板一般由绝缘材料制成，但不用来对人身提供电气安全性；对相邻气室中存在正常气体压力，隔板提供机械安全性。充有绝缘气体的气室和充有液体的相邻气室（例如电缆终端或电压互感器）间的隔板，不应出现任何影响两种介质的绝缘性能的泄漏。,GIS的间隔一次模拟图上应标明气室的具体部位，在设备上应有色标表示，如图84所示。对于GIS的母线较长时，应有适当的气室分隔，以利于设备的运行维护和检修。,划分气室的原则如下：,（1）根据SF6气体的压力不同，分为若干个气室。,对于断路器，SF6气体既充当绝缘介质又充当灭弧介质，对于其它设备则只作为绝缘介质。断路器在开断电流时，要求电弧迅速熄灭，因此要求SF6气体的压力要高。隔离开关切断的仅是电容电流，所以压力要低些。例如断路器室的SF6气体压力为700kPa，而母线管里的SF6气体压力只要540kPa。故根据不同的设备所需的SF6气体压力不同，分成若干个气室。,（2）根据绝缘介质的不同分为若干个气室,如GIS设备必须与架空线、电缆、主变压器相连接，而不同的元件所用的绝缘介质不同，例如电缆终端的电缆头要用电缆油，与GIS母线连接的要用SF6气体，故此要把电缆油和SF6气体分隔开来，所以要分成多个气室。变压器套管也是如此。,（3）GIS设备检修时，要分成若干个气室。,由于所有的元件都要与母线连接起来，母线管里充以SF6气体。但当某一元件发生故障时，要将该元件的SF6气体抽出来才能进行检修。若母线管里不分成若干个气室，一旦某一元件故障，连接在母线管里的所有元件都要停电，扩大了故障范围。因此必须将母线管中不同性能的元件分成若干个气室，当某一元件故障时，只停下故障元件，并将其气室的SF6气体抽出来，使非故障元件仍能正常运行。,5.2充气和排气,为了对气室充气和排气，每一个气室都配置两个阀门或气嘴，以方便对气室的维护、取样、充气和排气。阀门要便于操作，气嘴可以自动开、闭气道，它有一个阀片，施压到某一压力值，阀片打开，当充气停止，气室内的压力使阀片自动关闭。正常时，各气室的阀门除充气阀门之外，其余的阀门均处于关闭位置。,在运行时，各个制造厂根据设备电压不同规定了断路器室、母线室、避雷器室、互感器室、充气高压套管的SF6气体额定运行压力值，如表81所示。,表81SF6气体的额定运行压力值表,第三节GIS的主接线及设计,与传统的敞开式配电装置相比，GIS具有下列突出优势：,1）小型化。,2）运行安全可靠。,3）元件全部密封不受环境干扰，损耗少、噪音低。,4）安装工作量小、检修周期长。,1GIS主接线的基本形式,1.1桥型主接线,桥型主接线所用的设备最省，整个接线只有三台断路器，但其灵活性和可靠性差。小型发电厂和变电站选用这种主接线。,1.2单母线分段的主接线,单母线分段的主接线简单、经济、方便，比桥型主接线可靠。使用单母线分段的主接线时，各种电压的出现数目供选择如下：,（1）6-10kV馈线在6回路以上；（2）35kV馈线在4-6回路；（3）110-220kV馈线4回路。,1.3双母线分段的主接线,为了避免单母线分段时，在母线或母线隔离开关故障或检修时，所有馈线都要停电，而发展成为双母线。正常时，两条母线并列运行，当母线或母联断路器等有故障时，一条母线运行，一条母线检修，从而保证了供电可靠性。,双母线的主接线常用于下面回路：,（1）母线电压在6-10kV的发电厂和变电站用10回出线；（2）母线电压在10-35kV的发电厂和变电站用8-10回馈线；（3）母线电压在35-110kV的发电厂和变电站用5-8回馈线；（4）母线电压在110-220kV的发电厂和变电站用5回馈线。,一般不推荐双母线不分段的主接线,原因:,当GIS设备局部发生故障后，要检修故障元件时，须两条母线全停电才能检修。若使用双母线不分段接线时，全厂都需停电，扩大了故障范围。虽然故障点不在母线上，而在其他元件，并已经跳闸，但也不能消除故障。因为GIS设备检修时，必须要把故障气室里的SF6气体全部抽出来，这是气室里的绝缘介质已不是SF6气体，而是空气。GIS设备导电触头之间的距离，是按有SF6气体，并充以一定压力的SF6设计的，距离比空气绝缘时要小得多，不足以承受原来的电压。故此，要迫使两条母线都停电后，才能进行检修工作。,1.43/2断路器的主接线,3/2断路器的主接线用于大容量、高电压的系统中。,该接线有下列特点：,（1）运行调度灵活。（2）操作检修方便。（3）有高度的可靠性。（4）继电保护。（5）母线故障。,缺点:,（1）不便于分段运行，系统构成的运行方式自由度小；（2）串联接入的断路器、隔离开关、电流互感器、导线等的负荷电流要按两倍考虑；（3）由于存在着电流互感器的电流误差，以及电流互感器有电压消失等问题，使得二次保护复杂化；（4）当母线故障时，由于潮流分配所产生的问题，使系统稳定有一定的困难。,1.5多角型接线,我国于上世纪60年代起，在水电厂的110-220kV升压站中使用多角型接线。各断路器互相连接而成闭合环路，每一个回路都经过两个断路器连接，就形成了多角型接线，在多角数不太多的情况下，具有较高的可靠性和灵活性。所需要的断路器、隔离开关都较少，故造价便宜。,优点：,（1）设备少，投资省；（2）运行的可靠性高，灵活性较好（3）占地面积少。,缺点:,（1）多角型接线的缺点在于进出线受到限制，扩建相当困难（2）一台断路器检修时，则要开环运行，这样就降低了运行的安全可靠性，若再有一台断路器故障，则要造成两回路停电，从而扩大了故障范围。,2GIS主接线设计,2.1设计原则,在工程实践中按下列各条具体内容执行:,（1）任何一台断路器检修时，不得影响用户的供电。（2）任何一台断路器检修和另一台断路器故障、重合闸拒动时，不宜切除两回以上的超高压线路。（3）一段母线故障，宜将故障范围限制在全部母线的1/4内。当分段断路器或母联断路器故障时，其故障范围宜限制在全部母线的1/2内。,根据GIS具有故障少、检修周期长、运行可靠性高的特点，主接线可以简化。,2.2GIS的主要技术参数及选择,GIS应设计成能安全地进行下述各项工作：正常运行、检查和维修、引出电缆的接地、电缆故障的定位、引出电缆或其他设备的绝缘试验、消除危险的静电电荷、安装或扩建后的相序校核和操作联锁等。GIS的设计，应使协议允许的基础位移或热胀冷缩的热效应不致影响其保证的性能。额定值及结构相同的所有可能要更换的元件应具有互换性。,GIS的额定值由下述参数组成:额定电压（Ur）,额定绝缘水平,表82额定电压范围I的额定绝缘水平,表83额定电压范围的额定绝缘水平,额定频率（fr）额定频率的标准值为50Hz。额定电流和温升,额定短时耐受电流（Ik）,额定峰值耐受电流（Ip）,额定短路持续时间（tk）,GIS设备可以安装在钢支架上面，也可以直接装在地面。,GIS设备其安全净距远比常规设备为小。这是因为GIS设备的绝缘介质采用SF6气体，它的绝缘性能和灭弧性能都比空气高许多，故此安全净距可以减少。,GIS设备的布置方式有很多种，图85示出带整合型就地控制柜的双母线的气室分割及布置实例。,3GIS配电装置的布置,在不同的电压下，GIS设备的间隔尺寸、同相间的距离和不同相间的距离、元件组合尺寸都由GIS制造厂决定，不同额定参数要求下的典型间隔尺寸都由制造厂给定，设计者根据制造厂的说明书选用。,但配电室里的走道尺寸、维修走道尺寸、厂房的几何尺寸、吊车钩至地面的高度等则由设计者决定。,表84配电室的走道距离、吊钩对地面尺寸,在变电站每一回馈线的出口，除了有SF6/空气瓷套管之外，还有避雷器、电抗器、耦合式电容器等高压设备。这些设备都是以空气作为绝缘介质，处于不均匀电场下的常规设备，它们与SF6/空气瓷套管的绝缘距离按常规设备考虑。,另外，SF6会产生毒性分解物，规程规定配电室里的SF6气体含量不得高于1000ppm，空气中的含氧量不得低于18%。为了监视GIS设备中SF6气体有没有泄漏，每个单独的气室都应装上真空压力表或密度计。另外在GIS配电室中必须装设通风设备，其通风量为配电室空间体积的3-5倍，以及时将室内的空气排出，补充新鲜空气。,4GIS设备的保护与接地,4.1GIS设备的过电压保护,GIS设备的内部电场都是稍不均匀电场，伏秒特性比较平坦，冲击系数小。因此限制雷电过电压和操作过电压就显得比常规式设备更为重要。GIS设备的结构紧凑，设备之间的电气距离小，防雷措施与常规设备相比，较容易满足要求。但GIS设备没有自恢复能力，所以不允许GIS设备内部产生电晕，所有的导电触头都要加屏蔽罩，设计过电压保护应有较大的绝缘裕度。,GIS设备具有较小的波阻抗。波阻抗Z2一般为60120，而架空线的波阻抗Z1一般为300-400，所以侵入波从架空线传到GIS设备，其折射电压也小。与常规变电站的避雷器保护范围相比，GIS变电站的防雷保护范围比常规式的范围大。但是考虑到GIS设备母线的传播速度低于光速，故也有常规变电站的防雷保护范围大于GIS变电站的。,4.2主回路的接地,1）如果连接的回路有带电的可能性，采用关合能力等于额定峰值耐受电流的接地开关；2)如果能够肯定连接的回路不带电，采用没有关合能力或关合能力小于额定峰值耐受电流的接地开关；3)当GIS露天布置或装设在室内与土壤直接接触的地面上时其接地开关、金属氧化物避雷器的专用接地端子与GIS接地母线的连接处，宜装设集中接地装置。此外，外壳打开后，在对回路元件维修期间，事先通过接地开关接地之处外，还应有可能与可移开的接地装置连接。,4.3GIS外壳接地,外壳与上述零件接触不良的地方，还会产生火花，使管道、电缆外皮产生电腐蚀。,方法:,第二种方法是将GIS外壳分段绝缘，每一段只有一个接地点，这样GIS外壳不产生环流，但有感应电压。,不属于主回路和辅助回路的金属部件都应接地,GIS设备的母线和外壳是一对同轴的两个电极，构成稍不均匀电场。当电流通过母线时，在外壳感应电压，使外壳产生涡流而发热，使GIS设备容量减小，当运行人员接触时会触电危及人身安全。,一种是在GIS设备外壳用全链多点接地的方法，其优点在于GIS外壳的感应电压为零，但此方法会引起环流，全属外壳仍然发热，输送容量还是要下降；,（1）三相共筒式母线的GIS外壳接地,三相母线共同安装在一个母线管里，正常运行情况下，三相电流在外壳的感应电压为零，外壳没有涡流，所以不会危及运行人员的安全，外壳也不会发热。但在故障时，三相电压失去平衡，在外壳将感应电压，产生环流，虽然时间不长，但也会危及运行人员的安全。,所以GIS外壳及其金属结构都要多点接地。三相共筒式或分相式的GIS，其基座上的每一接地母线，应采用分设其两端的接地线与发电厂或变电站的接地网连接。,（2）单相单筒式母线的GIS外壳接地,1）安装接地线，其截面按GIS设备的热稳定要求进行计算,2）由于单相母线管的三相感应电流相位相差120电度，因此在接地前，用一块短金属板，将三相母线管的接地线连在一起然后接地。此时，通过接地线的接地电流只是三相不平衡电流，其值较小；,3）其外壳均应多点接地，以防止GIS设备外壳的感应电流通过设备支架、运行平台、楼梯、扶手和金属管道。在外壳与金属结构之间应绝缘，以防产生环流；,4）为了防止感应电流通过控制电缆和电力电缆的外皮，只允许电缆外皮一点接地，以不致使电缆外皮产生环流，而影响电缆的传输容量。GIS室内的所有金属管道也只允许一点接地；,6）三相联动的隔离开关、接地隔离开关的连杆之间应绝缘，接地开关与快速接地开关的接地端子应与外壳绝缘。,5）GIS设备与主变压器连接时，GIS设备的外壳与SF6油套管之间应绝缘；,4.4GIS设备的外壳保护,电弧的外部效应,GIS设备的外壳用铝合金或钢材制成。当母线管或元件内部故障时，电弧使SF6气体的压力升高，则可造成外壳烧穿或爆炸的现象。,当内部发生故障而不能及时切断故障点时，电弧能将外壳烧穿。,烧穿的时间与外壳的材料、厚度和故障电流的大小有关，烧穿时间与故障电流成反比，而与外壳的厚度成正比。,当SF6气体压力增高，超出正常压力，要配置以开启压力和关闭压力表示其特征的压力释放阀。为了不致使故障扩大，造成外壳烧穿或爆炸，要配置防爆装置以保护GIS设备的外壳。,快速接地隔离开关，使开关直接接地，通过保护装置切断电源。,防爆装置包括：,防爆膜，当SF6气体压力过高，防爆膜被冲破，使气室里压力下降；,保护方式的选择与气室大小有关。切断同一短路电流时，气室越小，压力的升高幅度越大，气室越大，压力升高的幅度并不很大。因此小气室对防爆膜敏感，可靠性高。在大气室，即使故障电流很大也难以达到防爆膜的破坏值，而快速接地隔离开关是由故障电流作为启动电流的，只要故障电流达到动作值，快速接地隔离开关必然动作，因此，对于大气室用快速接地隔离开关时的可靠性高。,第四节GIS的运行,1气体泄漏检测及处理,1.1气体泄漏的危害,由于设备密封不严，造成SF6气体泄漏，则GIS设备的绝缘水平下降，断路器开断能力减低，严重时影响GIS设备的正常运行。,GIS室内空间较封闭，一旦发生SF6气体泄漏，流通极其缓慢，毒性分解物在室内沉积，不易排出，从而对进入GIS室的工作人员产生极大的危险。,国家标准GB-7674-2008额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备规定，封闭压力系统允许的相对年漏气率应不超过0.5。,1.2SF6气体泄漏的检测及闭锁,运行中的GIS中SF6气体是否泄漏，可以用两种方法监测：,一种是用高精度的压力表,另一种就是用密度计,SF6气体泄漏，其密度必然有变化，从气体状态方程式中得知，气体的体积不变，压力与温度成正比，即气体温度增高，压力增大。由于压力计因温度的变化而不能正确的反映GIS设备气室的压力变化，所以用密度计。密度计设计了一个温度补偿装置，使得气体的密度不因温度的变化而影响密度的变化。密度计能因SF6气体是否泄漏，正确反映密度的变化。,压力计或密度计均有信号触点，当SF6气体泄漏到一定压力时，信号触点接通，发出信号，并同时进行闭锁。例如当气室里的压力太低时，可将断路器的操作回路切断，使断路器不能动作。,SF6泄漏后，配电室内的SF6气体并不均匀，有的地方多，有的地方少，而且不知道SF6气体集中于何处，因为SF6气体重于空气，一般是在室内的低处，但不知除了室内的沟道之外其他地方是否还有存留，因此需开通风机数次以利安全。工作人员进入配电室时，必须用含氧计测量室内的含氧量不得低于18%，才允许进入。,2水分控制和处理,SF6气