一次变电站用超安全可靠性GIS

一次变电站用超安全可靠型中压GISJoseMaTorresORMAZABEL-Spainitn@1引言电网拥有一个复杂的系统，一次变电站（高压/中压、中压/中压）是其中最重要的组成部分之一。它们作为系统的重要组成部分，起电能的输送、分配作用，并保证系统运行的连续性。这些目的不仅适用于其配电网络，而且适用于一次电站（如风能电站、水电站等）以及中压用户，如工业（石化、冶金等）或大型基础产业（机场、铁道等）。一次变电站开关设备应完全满足所有电气要求，同时为操作人员提供最高安全保护、最高可靠性（运行的连续性）、最小的维护量（降低成本、避免停电）。它应综合利用SCADA系统中的每一个参数对开关柜进行诊断并在必要时动作。本文叙述了最先进的一次变电站中压气体绝缘开关设备（GIS）。GIS的结构与设计考虑了本领域最新技术的应用，其目的是开发现代化、安全型开关设备，保证运行连续性的最大化。2一次变电站中压开关设备的发展一次变电站中压开关设备最大的发展是铠装型移开式开关设备的出现，在主开关采用磁吹式断路器或油断路器并需定期维护的时期，这种结构极其实用。再加上开关设备可能出现的故障（漏油等）因素，开关柜的手车式（移开式）断路器方案变得倍受青睐，因为利用备用断路器手车可快速更换故障断路器。但该类开关柜毕竟是空气绝缘产品，因此对于暴露于大气介质（如凝露、潮湿、尘埃、盐雾）中的空气绝缘因素（如母线绝缘子的清洁、腐蚀分析等），必须进行定期维护。

LucianoAZPIAZUIBERDROLA-SpainLuciano.azpiazu@这些维护意味着运行连续性的丧失。目前，新型触头合金材料的应用与先进的工业加工技术降低甚至取消了真空灭弧是的截流[1]，使真空成为中压断路器的首选灭弧介质0。事实上，由于现代制造工艺的进步和真空绝缘技术的发展，新版IEC甚至报道，由于真空灭弧室整个寿命周期的零泄漏，真空灭弧室无需维护⑶。因此，由于带电部件的免维护，从而避免了电能损耗、提高了运行的连续性，这些也是一次变电站必不可少的要求。再加上GIS的小型化与安全型，GIS取代了移开式空气绝缘开关柜（AIS）在一次变电站中占据主导地位。但对于特殊领域诸如双回路F-C柜和大电流母线领域，AIS仍占有相当的份额。3可靠性与运行连续性新型GIS的主要特点是所有带电部件全绝缘，即环境条件诸如灰尘、凝露毫不影响GIS的内部带电部件。与需要计划性维护的AIS相比，GIS最大程度地提高了设备的运行的连续性，并避免了维护导致的电能损失。新型开关设备完全实现了模数化，并避免了粗放式大块设计（即一个公共气室中设置多个功能），因为在粗放设计中，内部电弧导致一个功能失效将意味着整个气室的失效，故障将会扩展并极大地降低设备运行的连续性。模数化设计的主要优点如下：1）现场扩展或更换整柜无需气体处理，这一度被认为是不改变出厂试验时绝缘气体所具有的特性（压力、潮湿污染危险等）和最大程度地缩短现场作业时间的基本条件。路器通过的型式试验比IEC标准要求的型式试验严4倍。图1路器通过的型式试验比IEC标准要求的型式试验严4倍。图1背对背电容器组试验的TRV操作背对背电容器组型式试验相序RST施加的相电压kV16.916.816.9涌流（相电流）kA12.914.79.10开断电流（相电流）A122123123TRV（峰值）kA54.548.3-46.1表1背对背电容器组型式试验中的试验参数3.1.2电寿命试验电流电流操作循环每个操作循环相当于1次额定短路电流开断试验的等效值IEC62271-10（规定的开断次数效等于额定短路开断电流试验的开断次数试验电流（额定开断电流的百分数）（%）对称性触头烧蚀是电流的反平方函数10(T10)对称O0.01840.84O0.3s-CO0.02140.28O-0.3s-CO-t-CO0.0360.1830(T30)对称O0.09847.56O0.3s-CO0.18142.52O-0.3s-CO-t-CO0.2761.6260(T60)对称O0.3620.72O-0.3s-CO-t-CO1.0822.16100(T100)对称O-0.3s-CO-t-CO3.0026.00等效于100%额定短路开断电流下的开断次数22图236kV背对背电容器组试验的涌流表2电寿命比较图3给出了100次短路开断试验中触头烧蚀的进展情况，试验证明本真空断路器电寿命比其它开断技术的断路器长。2）移动中间柜体无需移开相邻的开关柜，从而最大程度地缩短了更换与搬运时间，并避免了对相邻开关柜搬移。最后（但并非最不重要），由于带电部件全绝缘，最大程度地减小了尺寸，从而降低了电站的土建成本，减小了电站的占地面积，这条对于城市中心电站尤其重要，如36kV地下电站。3.1真空断路器GIS选用固定式真空断路器，该断路器选用的触头与带电部件在开关柜寿命周期内免维护。断路器在最严酷的工况下通过了型式试验。3.1.136kV背对背电容器组型式试验新型开关柜配装的真空断路器按最新IEC62271-100标准进行了试验，由于电网功率因数补偿的必要性，该开关柜按西班牙EDNESA最严格要求成功通过了36kV三相背对背电容器组型式试验。投切的2台背对背电容器组Vn=30kV，C=6Mvar，每台电容器组的极限电感分别为25mH和75mH，Scc=1300MVA。这表明按IEC62271-100规定的试验顺序进行的试验参数为：电容器组涌流（第二组电容器组）：7.98kA；连接的高频频率：4886Hz。背对背电容器组型式试验中的试验参数见表1。试验中TRV见图1，涌流见图2。为确保断路器具有较高的开断能力与电寿命，对断路器进行了100次额定短路电流下的满容量开断试验。表2给出了与IEC62271为每种试验方式（T10、T30、T60、T100（对称的））规定的所有操作顺序相等效的等效值，结果显示本断开断次数图325kA（有效值）断路电流下2.79"纵磁场触

头的烧蚀图3明显地显示了成功开断后真空断路器触头的老练过程，这正是本技术断路器的特性，与其它技术相比，增长了触头寿命。因为用气体作为灭弧介质的触头每开断一次，均会使触头性能退化。由图4可知，100次满容量开断后灭弧室主回路电阻几乎不变。要的是互感器故障不会影响开关柜整机的功能。3.2.1电压互感器（VT）VT一般布置于气室之外，这样如果任一VT发生故障或爆炸（过电压、铁磁共振）不会影响主气室，由于功能单元未损环，从而保证了开关柜整机运行的连续性。VT为插入式连接，支持开关柜的全绝缘设计。3.2.2电流互感器（CT）GIS选用的CT为环形电流互感器，设置于开关柜外锥式电缆接头外部。这种布置简化了电流互感器的安装（避免安装于电缆沟），并可避免安装错误（接地软连接）。3.3安全性一次变电站是配电系统的主要部分，它们最靠近输配电网络，一次开关设备要承受的短路电流一般高于安装于二次配电系统的开关设备，因为二次开关设备承受的短路电流已经因网络阻抗而降低。因此本开关柜的每一个隔室均按IEC62271-200进行了1秒钟最大短路电流下的内部故障电弧试验，本开关柜母线、气室与电缆室完全满足IEC62271-200的附录A所规定的5项要求。内部故障电弧试验后的开关柜见图5。开断次数图425kA（有效值）短路电流下2.79"纵磁场触

头的回电阻证明灭弧室具有很长的电寿命后，断路器操作机构成功通过了IEC62271-100规定的M2级机械寿命试验，获得10，000次机械寿命试验验证。3.2互感器本开关柜可安装传统的感应式电流/电压互感器，互感器安装于气室之外，便于更换，更重图536kV/25kA/1s内部故障电弧试验后的开关柜该新型开关柜的设计杜绝了发生任意三相内部故障电弧的可能性。为此，电缆室与母线室采用相间金属隔板实现超级铠装保护。新型开关柜中与操作人员及电网本身安全性相关的元件还包括配可靠位置指示器的电动操作隔离开关(IEC62271-102)、可靠的联锁装置、以及带电显示装置(IEC61234-5)。开关柜具有关合短路电流的能力，可确保操作人员和设备安全。4安装与操作4.1中低压连接中压电缆连接选用外锥式接头。这种接头要求选用广泛使用于二次配电开关柜的T型屏蔽式连接器。中压电缆制作简单，为操作人员所周知。另外，这种外锥形接头安装高度距地面650mm，便利了电缆安装，最大程度地缩小了电缆沟深度，减小了土建成本。本开关柜设有电缆槽，供设置二次线与控制电缆。电缆槽设置于低压室顶部与电缆室两侧。这样可以灵活地从柜顶或柜底引入控制电缆，为一次变电站二次工程设计提供了较大的灵活性。低压室还设有插入式连接器，方便了预留保护控制触点与开关柜低压室端子板之间的连接。缩短了与低压室有关的安装时间，消除了接线错误。4.2控制本开关柜的每个信号(包括有关断路器、隔离开关、接地开关、气体状况、电流/电压测量的状态与指令)都汇集于多功能保护与控制系统，以便进行完整的集中操作。开关柜允许远程操作，必要时可在短时间内调整变电站配置。本开关柜控制室见图6。图6新型开关柜控制室开关柜可安装多功能保护与控制系统，甚至可安装于正面面板，便于读取继电器与显示器的正面通信端口。4.3出厂试验市场发展的实际趋势是要求电网直接安装全部成套试验设备，这表明供应商必须保证整个开关柜完整的功能。因此，整个保护系统方案(包括电流测量、接线、分闸线圈等)均应在制造厂通过完整的出厂试验验证，避免与RTU(出厂试验单元)的附加接线，以减少现场手工操作与错误，降低现场成本。最后，为保证较长的绝缘寿命，本开关柜将局部放电试验纳入出厂试验检查项目进行验证。5小结西班牙某些地区发生的停电事故以及相关组织所面临的处罚迫使这些组织将设备运行的连续性作为其主要目标。用于一次配电网络的开关设备应通过可靠的设计、避免带电部件的周期性维护、同时提供最大程度的可靠性与安全性，以适应这一目标。本文介绍的中压气体绝缘开关设备应用插入式理念设计，适用于中压变电站，它能完全满足一次变电站可靠、安全、现代化操作的最高要求。参考文献[1]P.GSlade，1994，《大容量