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GIS 组合电器简介 GISgas 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%;第一年事故率为次/年间隔,之后为次/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mph,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;我国的规范要求采用流经接地线的短路电流、导体的热稳定系数、故障持续时间进行接地导体的截面计算,因此,常常会出现接地截面不符合制造商要求的情况;对此我国规范中应就接地线的规格和尺寸 作出相关规定;上述问题是在 GIS 设计过程中不可避免的,也是亟待完善的,只有尽快制定出相应的标准,才可以保证设计质量和产品质量,并尽可能减少设计中的不完善环节及运行中的隐患;在标准制定之前,希望广大设计人员能了解这些问题,在设计过程中予以充分考虑,并借鉴其它电站的解决措施,尽可能保证设计质量;