气体绝缘电力设备GIS

1、1气体绝缘电力设备2“GIS”“GIS”地理信息系统地理信息系统 (Geographic Information System)(Geographic Information System)气体绝缘金属封闭式组合电器气体绝缘金属封闭式组合电器 (Gas-insulated switchgear) (Gas-insulated switchgear) 气体绝缘变电站气体绝缘变电站 (Gas-insulated substation)(Gas-insulated substation)气体绝缘电力设备气体绝缘电力设备 (Gas insulation system)(Gas insulation s

2、ystem) SFSF6 6断路器断路器 (GCB)(GCB) 气体绝缘金属封闭式组合电器气体绝缘金属封闭式组合电器 (GIS) (GIS) 气体绝缘输电管道气体绝缘输电管道 (GIL/GIC)(GIL/GIC) 气体绝缘变压器气体绝缘变压器 (GIT)(GIT)“气体气体”六氟化硫六氟化硫 (SF(SF6 6) )、干燥压缩空气干燥压缩空气( (非非SFSF6 6 GIS) GIS)GIS的意思是3GIS设备的技术变迁1900法国 H. Moissan和P. Lebeau首次合成SF61937美国 GE公司的E. E. Charlton和F. S. Cooper发现了SF6的高绝缘耐力193

3、8F. S. Cooper 申请了SF6应用于电力设备的美国专利1939S. O. Greenlee 开发了制造环氧树脂的方法1953美国 WH公司的H. J. Lingal申请了GCB专利1955美国 WH公司制造第一台GCB1956美国 制造第一台GIT1967德国和瑞士 第一台GIS开始运行1975德国 第一条GIL/GIC国内60年代 开始研制六氟化硫绝缘电气设备80年代 大量的SF6电气设备引进和研制成功GIS技术的起源4高电压化GIS 72kV550kV 1100kVGIS技术的发展日本1968年投运的72 kV GIS超高压GIS试验场GIS设备的技术变迁5小型化、提高可靠性GI

4、S设备的技术变迁6IEEE Substations Committee体积：145 kV GIS 体积下降为原来的30%，使用SF6降为原来的25%。可靠性：平均无故障时间提高到400-1000年/间隔GIS设备的技术变迁7直流GIS的出现日本纪伊水道直流输电工程中的直流GIS(按照500kV设计、试验，目前运行于250kV )GIS设备的技术变迁8混合气体绝缘降低经济成本防止温室效应导致的全球变暖基于设备状况的维修管理技术定时维护 (TBM)基于设备状况的维护 (CBM)GIS设备的技术变迁9GIS设备的优点体积小0.1 MPa下，SF6的绝缘强度是空气的大约3倍高压导体全部封闭在金属外壳内

5、(500 kV的GIS只有敞开式电器的1/50左右大小)敞开式变电站(72 kV-1200 A, 215 MVA) 替代为金属封闭式组合电器之后 设置于公园地下的GIS和变压器10可靠性高 平均无故障时间：400-1000年/间隔 寿命：35-50年 不受恶劣环境因素(如台风、盐碱、地震等)的影响 无火灾隐患 不污染环境、对居民友好体积小、可靠性高适用于征地困难的地区维护工作量小寿命长，全寿命造价低GIS设备的优点11GIS设备的应用GIS设备使用量的增加GIS全球超过20000间隔(2005年)GIT第一台69kV、2MVA全球运行的GIT超过10000台，主要集中在亚太地区(2003年)G

6、IL第一条700m全球约300kmGCB国内的情况(1)至目前，高压断路器几乎全部使用SF6替代绝缘油和空气介质。新建或改造的220kV及以上电压等级变电站基本全部采用SF6开关设备。(2)截止到2000年前，全国电力系统220kV及以上电压等级断路器共12162台。其中，100%的500kV开关设备729台和接近100%的330kV开关设备359台为SF6断路器和GIS；而在220kV电压等级，SF6断路器和GIS已占装运开关设备的约50%60%。(3)国内SF6气体绝缘变压器的使用量总计已经达到数十台(分布于北京、上海、香港、深圳、重庆等地)。(4) GIL：南方电网天生桥水电站(500k

7、V)、广东奥岭核电站(500kV)、华东电网的瓶窑变(500kV母线分裂改造工程)以及青海省拉西瓦水电站(750kV出线)12气体绝缘金属封闭式组合电器气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)的优点：敞开式变电站(72 kV-1200 A, 215 MVA) 替代为金属封闭式组合电器之后 占地面积和空间占有体积小城市征地困难水电站的升压变电站nUk/10安全可靠人员安全不受气候影响无火灾、不破坏环境电磁兼容性好安装工作量小，检修周期长，寿命长1319561966200015001000delivered bays197619961986 300 kV2004 2006500 300 kVMiles

8、tones GISEarly researchFirst 500 kV GISClaireville (CA)First 170 kV GISSempersteig (CH)Largest 500 kV GISItaipu (BR)First 500 kV GIS in China, JiangmenFirst 800 kV GIS Alpha (ZA)500 kV GISThree Gorges (CN) GIS的应用：气体绝缘金属封闭式组合电器141: 母线2、8: 隔离开关3、7 : 工作接地开关4、6: 电流互感器5: 断路器9: 接地开关10: 电压互感器11: 套管避雷器电缆终端控

9、制柜气体绝缘金属封闭式组合电器15江苏无锡华润变电站气体绝缘金属封闭式组合电器16母线单相封闭式母线三相封闭式母线D/d = 2.7r0/rs = 0.55rc/rs = 0.167因为分支出线的缘故，三相封闭式母线的导体布置与气体绝缘输电管道不同，内导体位于半径r0的圆周上，位于底部的内导体与其它两相相差90GIL中的电极结构气体绝缘金属封闭式组合电器17断路器合闸灭弧触头分离分闸分闸开始单压式断路器的开断过程优点是无高压SF6系统，缺点是分闸时间较长，且需要较大的操动力气体绝缘金属封闭式组合电器18断路器的液压操动机构气体绝缘金属封闭式组合电器19隔离开关a)c)b)d)气体绝缘金属封闭式

10、组合电器20隔离开关一般为推拉式结构，操作系统可分电动机、电动机-弹簧机构和手动操作。对隔离开关的要求：应具有表示其分、合闸位置的可靠的指示装置断口在任何情况下都不能被击穿，故断口耐压要求比对地绝缘电压高必须能开断环流(电流大、恢复电压低)必须能分、合感性小电流以及容性小电流气体绝缘金属封闭式组合电器21接地开关工作用接地开关快速接地开关工作用接地开关是用于保证维修人员安全的，常安装与隔离开关的两端气体绝缘金属封闭式组合电器22快速接地开关快速接地开关应具有关合额定动稳定电流的能力。它仅仅在故障的时候工作。快速接地开关的操动机构应符合交流高压断路器标准中有关操动机构的要求。气体绝缘金属封闭式组

11、合电器23电压互感器电磁式电压互感器电容分压器气体绝缘金属封闭式组合电器24带电子放大器的电容分压器气体绝缘金属封闭式组合电器25电流互感器采用环状铁芯结构，互感器的初、次级之间的绝缘为气体绝缘气体绝缘金属封闭式组合电器26金属氧化物避雷器气体绝缘金属封闭式组合电器27GIS与其他设备的连接主要特点: 自清洁硅橡胶伞裙 长爬电距离 SF6气体绝缘 运行可靠性高 重量轻复合绝缘套管气体绝缘金属封闭式组合电器28主要特点: 长爬电距离 纸浸树脂 电容屏 免维护 抗震瓷绝缘套管气体绝缘金属封闭式组合电器29电缆终端插拔式电缆终端采用插拔式电缆终端，使得GIS的安装可以与电缆的安装完全分开，在电缆试验

12、、检修时可以直接将电缆终端头拔出，而不需要打开GIS的SF6气室。气体绝缘金属封闭式组合电器30与变压器连接套管气体绝缘金属封闭式组合电器31外壳GIS的外壳一般为钢或铝合金制。它必须能承受一定的压力，密闭性要好，当GIS内部万一发生电弧时，必须不被烧穿，而且高温造成的压力上升不至于引起爆炸。外壳一般采用焊接或法兰进行连接。具有绝缘子的法兰连接法兰气体绝缘金属封闭式组合电器32压力释放装置当压力释放装置动作时，不应危害工作人员的安全。电弧造成的压力升高，也可用来检测故障位置。气体绝缘金属封闭式组合电器33控制柜用于指令输入、报警和联锁等用途的辅助电气设备均安装在相应的就地控制柜内。用户控制保护

13、设备需要的电压、电流等信号也是从就地控制柜的端子排上接取ABB的GIS的控制柜气体绝缘金属封闭式组合电器34快速暂态过电压的问题 波前时间很陡(520 ns)耐电强度高，放电形成时延短 有频率很高的高频电压分量电压波在GIS中折反射造成0.1-10 MHz 幅值并不高，很少到达2.0 p.u.VFTO的幅值大小与隔离开关触头间电弧重燃电压大小有关，也与被开断的母线上的参与点和的电压值有关。危害：引起GIS或相邻设备的绝缘故障气体绝缘金属封闭式组合电器35气体绝缘输电管道气体绝缘输电管道(GIL)GIL(Gas-insulated Metal-enclosed Transmission Line

14、) 与气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)的母线结构相似，分单芯式GIL与三芯式GIL，单芯式GIL由同轴结构的外壳和中间导体构成；中间导体由导电率较高的铝合金管构成，管壁厚度约为10 mm-20mm，用绝缘子加以固定；外壳为铝合金或钢制，厚约为6mm-10mm，通常采用某种办法接地；管道中一般充以压缩SF6或SF6/N2混合气体作为绝缘介质；端部与GIS、变压器等直接连接或通过套管与其它设备连接；GIL两端可设置金属氧化物避雷器(MOA)以抑制过电压；当它被用于较长线路时，可在线路中间安装隔离开关，以方便将线路分成几段进行现场试验。单芯式GIL与三芯式GIL结构示意图36GIL的组成：直线单

15、元、转角单元、补偿单元、隔离单元以及套管气体绝缘输电管道37Siemens公司提供的GIL组件示意图 CGIT Westboro公司提供的GIL组件示意图 气体绝缘输电管道38GIL与GIS母线的主要区别： GIS母线通常较短，而GIL长度一般超过100 m。GIS母线段一般结构复杂，多系铸造而成，GIL结构则相对简单，比较多地采用挤制成型部件。 GIS母线通常使用盆式绝缘子或者带孔的盆式绝缘子，绝缘子之间距离一般为6 m，绝缘子安装在两个法兰之间，因此外壳上每隔6米设一个法兰。GIL的绝缘子完全处于外壳内部，除盆式绝缘子外，大量采用支柱绝缘子，因此外壳多采用焊接连接。 GIS母线的中间导体一

16、般使用螺纹与盆式绝缘子连接，而GIL的中间导体连接大量采用焊接。 需要改变走向时，GIS母线段的转弯角度一般为90 ，而GIL的转弯相对比较自由，转角单元的角度一般在85 178 之间。而且当走向只有微小改变时，可以取消转角单元，利用GIL自身的挠性实现转弯。GIS母线较短，存在导电微粒时容易检查，通常不专门设置微粒陷阱以捕获导电微粒，GIL比较长，安装地点的环境条件较不易控制，通常要设置微粒陷阱。气体绝缘输电管道39相对于架空线(OHL)和电缆，GIL的优缺点：与充油电缆相比，GIL的电容量较小1/4与电缆相比，GIL的传输容量大截面超过10000 mm2，电流达到8000 A，传输容量40

17、00 MVAGIL的电能损耗小每米100-200 W适用于高落差场合有垂直落差305 m的敷设实例 GIL的可靠性极高、无火灾风险(50年)与架空线路相比，GIL的主要优点是占地少 GIL无电磁干扰问题 不可能直接受到雷击一次设备投资大一次设备投资为架空线的5-7倍，电缆的2倍左右，只有在高电压大容量的情况下才有优势气体绝缘输电管道40GIL的使用场合 用于发电厂内连接高压变压器和高压开关设备 用于连接处于洞室之中的高压变压器和外部的架空输电线 用于连接GIS和架空输电线 用于连接两个GIS 用于两段架空输电线交叉时 用于对环境要求比较高的地区，如风景名胜区，或者征地比较困难的地区 在高电压、

18、大容量的场合，用作经济的长距离输电线路气体绝缘输电管道41全世界GIL的单相长度大约为200 km-300 km，电压等级为138 kV-1200 kV。GIL目前主要还是用在架空线受限制的场合，用以替代电缆，随着征地成本提高，人们对环境问题的日益重视以及GIL造价的降低，GIL将有可能成为长距离大容量的经济输电方式。气体绝缘输电管道42一些GIL的实例气体绝缘输电管道43GIL的一些特殊部件微粒陷阱支撑绝缘子滑动触头波纹管 气体绝缘输电管道44微粒陷阱和支撑绝缘子(a)三柱式支撑绝缘子(b)盆式绝缘子CGIT Westboro公司的GIL绝缘子气体绝缘输电管道45防导电微粒设计的滑动触头气体

19、绝缘输电管道46GIL的安装方式地上安装电缆沟安装隧道安装直埋安装气体绝缘输电管道47第二代GIL的特征采用SF6/N2混合气体绝缘(20%-80%)采用现场组装技术采用管道敷设技术气体绝缘输电管道48采用轨道焊接机焊接、采用超声检测控制焊接质量，返工率小于1%，可在狭小的空间内进行焊接气体绝缘输电管道49GIL的设计必须依据国标DL/T 978-2005气体绝缘金属封闭输电线路技术条件的规定进行，该标准参考了IEC61640-1998额定电压72.5 kV及以上气体绝缘高压刚性输电线路技术报告的内容。必须满足以下几个条件：绝缘设计：（1）最高场强的控制（2）导电微粒的起立（3）绝缘子内部场强

20、的控制（4）绝缘子表面场强热性能设计防地震设计气体绝缘输电管道50气体绝缘变压器与传统的油浸式变压器相比，气体绝缘变压器的优点：(1)不燃、不爆，安全性好，特别适用于城市人口稠密地区和高层建筑的供电。(2)噪声小于油浸式变压器(3)重量小于油浸式变压器(4)SF6气体不象油那样会老化，故运行维护工作大大简化(5)与GIS的连接非常方便与其它无油的防灾变压器相比，GIT的主要优点：(1)容量大(2)额定电压等级高(3)对安装环境的要求低GIT的主要缺点：(1)与油浸式变压器相比，过载能力较差(2)冲击系数较小，一般在1.25左右，远低于油浸式变压器的1.7(3)结构较为复杂，生产难度大于传统的油

21、浸式变压器，价格较高51气体绝缘变压器国内SF6气体绝缘变压器的使用量总计已经达到数十台(分布于北京、上海、香港、深圳、重庆等地)52气体绝缘变压器日本275 kV GIT53气体绝缘变压器GIT的绝缘结构匝间绝缘和筒式绕组的层间绝缘绝缘子：O级(90)聚酯薄膜(PET)：E级(120)，100kV/mm聚芳酰胺纸：H级(180)，20-30kV/mm601443/it.E局部放电起始场强与时间的关系：一般而言，匝间绝缘裕度比较大54气体绝缘变压器SF6气体压力升高对工频击穿场强影响不大，但可以有效提高局部放电的起始场强55气体绝缘变压器)1(/ )(1fffgggikdddUU层间绝缘的局部放电其实电压估计公式：筒式绕组层间边缘处电厂很不均匀，电极边缘的电晕起始电压可用下式表示：5