高寒地區(qū)HGIS設(shè)備冬季低溫應(yīng)對(duì)措施

周萬駿，陳文濱，馬衛(wèi)華，江海濤，潘宏承，李盈盈

(1.國(guó)家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000)

0 引言

內(nèi)蒙地區(qū)煤炭資源比較豐富，但其熱值不高，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸后進(jìn)行火力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性非常低，就近轉(zhuǎn)化成清潔的電能是最好的選擇。某變電站位于內(nèi)蒙古錫林浩特市，海拔較高，冬季嚴(yán)寒，極端最低氣溫-42.4 ℃，極端最低氣溫累年平均值為-33.7 ℃。為了滿足極限溫度-42.4 ℃環(huán)境下正常運(yùn)行的要求，需對(duì)HGIS(hybrid gas insulated switchgear)設(shè)備采取低溫應(yīng)對(duì)措施，防止絕緣氣體液化造成HGIS閉鎖。

1 HGIS SF6低溫運(yùn)行問題

HGIS是一種組合電器，主要包含斷路器(GCB)、隔離開關(guān)(DS)、接地開關(guān)(ES)和電流互感器(CT)等元件。根據(jù)需要對(duì)各元件進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)組合，連接成一體后封閉于金屬殼體中。HGIS的金屬殼體內(nèi)常以SF6為絕緣氣體。SF6是惰性氣體，密度大，具有較高的電氣強(qiáng)度、滅弧性能和優(yōu)良的冷卻特性。

某變電站500 kV HGIS金屬殼體內(nèi)斷路器室絕緣氣體額定壓力為0.6 MPa，報(bào)警壓力為0.52 MPa，閉鎖壓力為0.5 MPa。在0.6 MPa的額定壓力下，SF6氣體的液化溫度為-25℃，所以該站的HGIS在冬季運(yùn)行時(shí)會(huì)面臨SF6氣體液化的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，在面臨高寒地區(qū)低溫環(huán)境下SF6氣體飽和及壓力降低的問題時(shí)，國(guó)內(nèi)常采取在SF6氣體中混入一定比例N2的方法。但將這種混合氣體作為絕緣、滅弧介質(zhì)時(shí)，HGIS斷路器的熱開斷能力及絕緣開斷能力均會(huì)下降一個(gè)等級(jí)。采用這種方法對(duì)于500 kV電壓等級(jí)的HGIS而言，得不償失；其次，該站冬季的環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于HGIS斷路器室額定壓力下SF6的液化溫度，因此采用這種方法可能消除不了SF6的液化風(fēng)險(xiǎn)。

2 HGIS低溫防護(hù)措施

由于該站冬季過于嚴(yán)寒，為防止SF6液化，需要對(duì)HGIS采用外部加熱的方式來保證設(shè)備溫度始終高于SF6液化溫度。

GCB的組裝姿態(tài)如圖1所示，該站的HGIS在斷路器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)及套管處都采取外置伴熱帶的方式，由溫控器控制交流接觸器，根據(jù)設(shè)備溫度自動(dòng)地補(bǔ)熱或切斷加熱電源。

3 HGIS罐體外置式伴熱帶

3.1 伴熱帶介紹

該站HGIS外置式伴熱帶為河南平芝高壓開關(guān)有限公司提供的HGIS罐體外置式伴熱帶。安裝完成后如圖2所示。

該外置式伴熱帶使用304不銹鋼外殼和進(jìn)口EPDM保溫棉作保溫層，發(fā)熱膜采用日本進(jìn)口304鎳鉻發(fā)熱膜和美國(guó)進(jìn)口硅橡膠制作而成，伴熱帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。伴熱帶的額定電壓為220 V，一組伴熱帶的額定功率為1.5 kW，通過匯控柜中溫控器控制的交流接觸器組與工頻交流電源連接，從而控制伴熱帶的上電加熱與失電待用狀態(tài)。其中，發(fā)熱膜厚度為0.05—0.08 mm，是一個(gè)扁平體；發(fā)熱面與硅膠有效接觸面大，占總體發(fā)熱面的80 %(普通電阻絲方式為40 %)。因?yàn)榘l(fā)熱膜是扁平體，加熱快且均勻，不存在拼絲、短路、引線脫離的現(xiàn)象。

圖1 GCB的組裝姿態(tài)

圖2 安裝完成的HGIS罐體外置式伴熱帶

圖3 外置式伴熱帶主要結(jié)構(gòu)

3.2 伴熱帶配置

HGIS金屬殼體內(nèi)的氣室壓力是不同的，各元件的外置伴熱帶配置方案也有所區(qū)別。HGIS的套管和斷路器對(duì)環(huán)境溫度要求更為苛刻，因此需配置2組伴熱帶，根據(jù)環(huán)境溫度變化情況分組投入。同時(shí)，還需配置1組備用伴熱帶，用于應(yīng)對(duì)特殊極寒情況或伴熱帶檢修更換。相對(duì)于斷路器，隔離開關(guān)和接地開關(guān)對(duì)環(huán)境溫度要求稍低，需配置1組常用及1組備用伴熱帶。

4 伴熱帶投切方案

HGIS伴熱帶的投切使用主要以其配置方案為基礎(chǔ)。HGIS斷路器和套管的2組外置式伴熱帶，在低溫環(huán)境下需根據(jù)環(huán)境溫度閾值分檔投入。進(jìn)入冬季，站內(nèi)環(huán)境溫度低于-20 ℃時(shí)，溫控器自動(dòng)投入1組伴熱帶進(jìn)行絕緣加熱；當(dāng)站內(nèi)溫度低于-30 ℃時(shí)，2組伴熱帶將同時(shí)投入運(yùn)行。出冬季時(shí)，環(huán)境溫度逐漸上升，當(dāng)站內(nèi)達(dá)到-25 ℃時(shí)，溫控器自動(dòng)斷開1組伴熱帶；當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)上升達(dá)到-15 ℃時(shí)，剩余1組運(yùn)行的伴熱帶也將被切除。此時(shí)斷路器和套管無外置式伴熱帶帶電，將有伴熱帶投切信號(hào)發(fā)送至主控。

HGIS隔離開關(guān)和接地開關(guān)的1組外置式伴熱帶運(yùn)行時(shí)間是斷路器和套管的2組外置式伴熱帶運(yùn)行時(shí)間的并集。當(dāng)站內(nèi)環(huán)境溫度低于-20 ℃時(shí)，投入運(yùn)行；當(dāng)環(huán)境溫度升高并達(dá)到-15 ℃時(shí)，這組伴熱帶即停止加熱，同時(shí)將會(huì)有伴熱帶投切信號(hào)發(fā)送至主控。

在操作較少的特高壓變電站，HGIS的備用伴熱帶是嚴(yán)寒時(shí)進(jìn)一步確保不會(huì)造成SF6液化閉鎖的關(guān)鍵。通過三相不平衡電流法，用電流繼電器監(jiān)視斷路器和套管第1組、第2組和備用組伴熱帶。當(dāng)電流繼電器監(jiān)測(cè)到第1組或第2組伴熱帶存在故障時(shí)，電流繼電器發(fā)出告警信號(hào)至主控，并在同一時(shí)刻自動(dòng)投入備用組伴熱帶，并切斷故障伴熱帶組電源。同樣，隔離開關(guān)和接地開關(guān)的常用組和備用組伴熱帶也是通過三相不平衡電流法，用電流繼電器進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)電流繼電器監(jiān)測(cè)到常用組伴熱帶故障時(shí)，電流繼電器發(fā)出告警信號(hào)至主控，備用組伴熱帶自動(dòng)投入，并切斷常用組伴熱帶電源。

該站地處風(fēng)口，冬季嚴(yán)寒，HGIS運(yùn)行于戶外，運(yùn)行環(huán)境惡劣。因此，HGIS的伴熱帶在突發(fā)情況下人工可強(qiáng)制投入運(yùn)行，并且具備最高優(yōu)先級(jí)。斷路器和套管的第1組、第2組、備用伴熱帶組均可通過小型斷路器強(qiáng)制帶電，可以單組強(qiáng)制運(yùn)行，也可以多組同時(shí)強(qiáng)制運(yùn)行。此時(shí)由于運(yùn)行狀態(tài)處于最高優(yōu)先級(jí)，伴熱帶不再受溫控器控制，并有伴熱帶強(qiáng)投信號(hào)發(fā)送至主控。

同樣，隔離開關(guān)和接地開關(guān)的常用組和備用組伴熱帶，均可單組強(qiáng)制投入運(yùn)行；也可2組同時(shí)強(qiáng)制帶電，并不再受溫控器控制，且有伴熱帶強(qiáng)投信號(hào)發(fā)送至主控。

5 GCB單元及套管低溫試驗(yàn)

在該站未投運(yùn)，HGIS的低溫應(yīng)對(duì)措施未經(jīng)嚴(yán)寒冬季考驗(yàn)時(shí)，已在實(shí)驗(yàn)室通過低溫試驗(yàn)。

2015年12月底，GCB單元及套管(BG)外置伴熱帶在某地完成了-40 ℃的低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：伴熱帶對(duì)HGIS氣室的升溫效果良好。

低溫試驗(yàn)流程按照GB 1985—2014《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表1，2所示。

表1 伴熱帶-40 ℃低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 伴熱帶斷電2 h試驗(yàn)數(shù)據(jù)(-40 ℃低溫) ℃

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)可知，該站HGIS的低溫應(yīng)對(duì)措施是可行的。該站的極端最低氣溫是-42.4 ℃，試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境溫度雖然是-40 ℃，但由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)留有裕度，伴熱帶加熱效果仍然滿足防止SF6液化的既定目標(biāo)。HGIS低溫應(yīng)對(duì)措施的試驗(yàn)是在HGIS空載的情況下進(jìn)行的，用于模擬該站HGIS設(shè)備冷過冬，因此相對(duì)于帶電運(yùn)行的HGIS設(shè)備，表1和表2中的裕度值更寬。

6 結(jié)束語

目前該站已于2017年年底正式投運(yùn)，HGIS設(shè)備運(yùn)行可靠，未出現(xiàn)閉鎖動(dòng)作，實(shí)際驗(yàn)證了GCB單元及套管低溫試驗(yàn)的有效性；同時(shí)也驗(yàn)證了該變電站HGIS設(shè)備冬季低溫應(yīng)對(duì)措施具有較高的可行性。