GISELA型氣體絕緣開關設備性能研究

許繼德理施爾電氣有限公司 馬儀成 徐慧強 閻 偉 宋曉生

GISELA型氣體絕緣開關設備性能研究

許繼德理施爾電氣有限公司 馬儀成 徐慧強 閻 偉 宋曉生

SF6氣體因其優(yōu)異的電氣性能在高壓GIS開關中得到了廣泛應用，目前，中壓領域的很多知名廠家也將SF6氣體應用到他們的產(chǎn)品中，包括ABB、施奈德、西門子、歐馬嘉寶、德國德理施爾等國際知名廠家，均在大力發(fā)展中壓C-GIS環(huán)網(wǎng)開關設備。其中，德國德理施爾公司生產(chǎn)的GISEA型氣體絕緣開關設備以其運行安全可靠、體積小、重量輕、占地面積小、環(huán)保節(jié)約等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)外電力市場和鐵路市場上得到了廣泛應用。本文，筆者對德國德理施爾公司生產(chǎn)的GISELA型氣體絕緣開關設備的性能進行了介紹，同時針對其特點對其技術優(yōu)勢及核心部件（內(nèi)部故障電弧限制裝置）進行了分析，并與國際同類知名產(chǎn)品進行了比較。

一、基本結構性能

GISELA型氣體絕緣開關設備采用了充氣隔室，使開關設備的主回路布置可以避開環(huán)境因素的影響，避免了所需絕緣距離過大的致命缺點，實現(xiàn)了體積小、可靠性高、適應環(huán)境多樣性和變化的發(fā)展目標，實現(xiàn)了真正意義上的免維護。

該產(chǎn)品將所有帶電部件及開關均封閉在充有SF6氣體的不銹鋼殼體內(nèi)，開關柜金屬外殼接地，起到了最大程度的防護作用。殼體采用壁厚不小于3 mm的優(yōu)質(zhì)不銹鋼由機器人焊接而成，具有足夠的機械強度和剛度，能夠起到支承和防護作用，保證了裝置的穩(wěn)固性。當設備內(nèi)產(chǎn)生故障時，不會出現(xiàn)變形、折斷等外部效應，可以滿足短時間的水下運行需求。

但是，C-GIS中壓環(huán)網(wǎng)開關設備在運行過程中，如若發(fā)生內(nèi)部故障電弧，在封閉小室的能量平衡中，大電弧電流及其周圍之間有幾種不同的能量轉移：電弧功率的一部分導致弧根加熱、弧根材料的熔化和蒸發(fā)；另一部分作為電弧的輻射功率散至外界，使氣體加熱，導致壓力上升。如設備內(nèi)壓力過高，打開壓力釋放裝置可避免殼體的破壞，但是灼熱氣體通過壓力釋放口進入配電室后，會使室內(nèi)壓力上升，墻壁也會受到相應應力。內(nèi)部電弧故障產(chǎn)生的影響和破壞程度與殼體大小、電弧電壓（電弧長度）、電弧持續(xù)時間以及短路電流大小有關。

針對上述情況，GISELA型氣體絕緣開關設備安裝了內(nèi)部故障電弧限制裝置。一般來說，開關設備中內(nèi)部電弧故障經(jīng)歷壓縮、膨脹、發(fā)射和熱效應等4個階段。該限制裝置通過安裝在電纜室內(nèi)的自動快速接地開關來完成。在內(nèi)部故障電弧膨脹階段，也就是在故障電弧產(chǎn)生的瞬間，接地開關可迅速熄弧，避免了高溫氣體從SF6氣體絕緣部分散逸，提供了良好的人身及設備保護。故障排除后，只需對開關設備進行檢查即可繼續(xù)投入運行。

二、結構特點及同類產(chǎn)品性能比較

1.結構緊湊精巧。由于GISELA型氣體絕緣開關設備使用性能優(yōu)異的SF6氣體絕緣，縮小了柜體尺寸，負荷開關單元寬度僅有315 mm，負荷開關與熔絲組合單元寬370 mm，斷路器單元寬370 mm。與同電壓等級的空氣絕緣開關設備相比，其安裝面積和體積大幅縮減。各類型開關設備具體尺寸和重量見表1。

表1 GIS ELA型氣體絕緣開關設備尺寸重量

2.更加環(huán)保和節(jié)約。在采用精巧設計后，C-GIS環(huán)網(wǎng)柜在減小體積的同時，也大大節(jié)省了材料的使用。GISELA型氣體絕緣開關設備最小的單元僅重90 kg，同時SF6用量也很低。由于采用了充氣隔室的設計理念，氣室容積僅為0.13 m3，而且氣箱壓力很低，僅為0.017 MPa，在環(huán)境溫度為20℃時，SF6氣體密度為4 kg/m3，所需要的SF6氣體重量僅為0.52 kg。

3.與國際同類產(chǎn)品的性能比較。與國際同類產(chǎn)品相比，GISELA型氣體絕緣開關設備也有諸多優(yōu)勢，見表2。

表2 中壓C-GIS氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜主要性能對比

本文，筆者以京滬高鐵常用柜型組合要求為例，將西門子的8DJ20型和德國德理施爾公司的GISELA型產(chǎn)品進行對比。對比分析如下。

（1）由圖1和圖2的接線方案中可以看到，GISELA型氣體絕緣開關設備可以直接從母線引出，而8DJ20型開關設備不能直接從母線引出PT。為滿足方案要求，8DJ20型只有從兩路進線同時引出PT，這樣存在的隱患有：一是開關套管電纜接頭連接過長，形成懸臂梁結構，易造成電纜連接不牢，引起過熱燒毀；二是標準電纜室內(nèi)只能滿足主回路進線、避雷器2節(jié)連接，要接入PT，必須重新改造、加厚電纜室門，這樣將降低接地開關與電纜室聯(lián)鎖可靠性，且易導致整體外觀凹凸不平。

圖 1 采用德國德理施爾G I S ELA氣體開關設備接線方案

圖 2 采用西門子8 D J 2 0高壓環(huán)網(wǎng)柜接線方案

（2）GISELA型氣體絕緣開關設備采用雙重氣室，滅弧與絕緣相分離；8DJ20型采用單一氣室。與單一氣室相比，雙重氣室的優(yōu)點有：一是降低了氣箱的充氣壓力，減少了SF6氣體的用量，箱體充氣后無變形；二是隔離了電弧分解物對氣箱內(nèi)SF6氣體的污染，確保了產(chǎn)品在壽命終結時SF6氣體能夠回收。

（3）GISELA型氣體絕緣開關設備整體體積比8DJ20型減小1/3，有效地縮小了整個箱體的體積。

三、應用展望

隨著我國電力負荷需求的逐年增加，保證輸電系統(tǒng)的安全可靠就顯得尤為重要。在輸電線路的終端用戶端，對于一次開關設備的快速投切能力也提出了更高的要求。一次設備作為電網(wǎng)的基本單元，其智能化程度關系到智能電網(wǎng)的整體水平。為了避免長時間大范圍停電，一次開關設備的遠程控制能力起到了重要作用。GISELA型氣體絕緣開關設備可以預留遙控、遙測、遙信等功能接口，安裝電動操作機構和開關輔助觸點，實現(xiàn)遙控功能；可以在電纜室內(nèi)安裝電流互感器，實現(xiàn)對饋線潮流的遠方測量；可以通過控制器設置電流限制，檢測到故障電流后上傳報警信號和低氣壓報警信號，通過開關輔助觸點上傳開關的位置信號等遙信功能；可以適應配網(wǎng)自動化未來的發(fā)展，方便升級改造。

由于GISELA型氣體絕緣開關設備采用全絕緣、全密封式結構，其帶電部件以及開關均封閉在不銹鋼的殼體內(nèi)，耐受短時間水下浸泡，能夠安全可靠地運行，故已廣泛應用于城市配網(wǎng)、鐵路建設、小區(qū)供電及各種大中型配網(wǎng)工程中。例如，在奧運場館、世博場館、北京城網(wǎng)等重大工程項目中，均有這種GIS系列的開關柜在運行；在京津城際高鐵、京滬客運專線、武廣高鐵、鄭西客運專線、哈大線、甬臺溫客運專線，也已經(jīng)得到了廣泛應用。