110kVSF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）應(yīng)用

明宏博

（中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300252）

1.概況

1.1 GIS設(shè)備簡(jiǎn)介

1.2 GIS設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計(jì)110kV變電站》中，共有13個(gè)典型設(shè)計(jì)方案。其中戶(hù)外站3個(gè)方案，戶(hù)內(nèi)站5個(gè)方案，半地下站2個(gè)方案；戶(hù)內(nèi)站和半地下站所有方案的110kV配電裝置均采用GIS。根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設(shè)計(jì)110kV變電站》，使用GIS的場(chǎng)合有：（1）人口密度高，地價(jià)高的地區(qū)；（2）受到外界條件限制，站址選擇困難的地區(qū)；（3）特殊地形條件；（4）高地震烈度地區(qū)；（5）高原地區(qū)；（6）嚴(yán)重大氣污染地區(qū)；（7）電纜出線(xiàn)多的項(xiàng)目[2]。

煤礦附近一般工業(yè)項(xiàng)目較多，大氣污染較為嚴(yán)重；部分煤礦位于山區(qū)，站址選擇較為困難；且我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶上，大部分煤礦所在地抗震設(shè)防烈度等級(jí)較高。結(jié)合GIS具有運(yùn)行可靠性高、維護(hù)工作量小、檢修周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近幾年建設(shè)的大型礦井變電站的110kV配電裝置大部分采用GIS。同時(shí)，城市區(qū)域因?yàn)榈貎r(jià)昂貴，站址選擇困難，為了節(jié)約用地，110kV配電裝置一般也選擇GIS。

2.GIS設(shè)備的組成

GIS設(shè)備由各部分元件組成，包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、母線(xiàn)筒、避雷器、電流互感器、電壓互感器、進(jìn)出線(xiàn)套管、電纜連接裝置和匯控柜等。GIS設(shè)備間隔斷面圖如圖1。

圖1 GIS設(shè)備間隔斷面圖

3.GIS設(shè)備與敞開(kāi)式配電裝置的比較

3.1 技術(shù)方面

3.1.1 設(shè)備可靠，安全性高

敞開(kāi)式配電裝置的外絕緣容易受到外界天氣條件的影響，包括大風(fēng)、大霧、雷電、積雪等，均會(huì)對(duì)敞開(kāi)式配電裝置的供電安全性造成嚴(yán)重的威脅。GIS設(shè)備的導(dǎo)體和高壓元件均密封在金屬外殼中，其絕緣不受外界條件的影響，且老化速度慢，絕緣被擊穿的可能性低；SF6氣體為不燃燒氣體，設(shè)備不存在火災(zāi)危險(xiǎn)；因此設(shè)備的可靠性和安全性較好。

3.1.2 維護(hù)工作量小、檢修周期長(zhǎng)

敞開(kāi)式配電裝置需要定期對(duì)絕緣子進(jìn)行清理，維護(hù)工作量大。GIS設(shè)備氣體泄漏率低，設(shè)計(jì)補(bǔ)氣周期一般為5～10年。SF6氣體是惰性氣體，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中氣體不易分解。在SF6氣體中的電弧能量小，斷路器觸頭的燒損速度慢，斷路器壽命期長(zhǎng)。GIS設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的主要工作是監(jiān)測(cè)各個(gè)氣室的SF6壓力，因?yàn)樵O(shè)備制造工藝先進(jìn)，設(shè)備密封性較好，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的工作量遠(yuǎn)小于敞開(kāi)式配電裝置。

當(dāng)?shù)亓謽I(yè)主管部門(mén)要加強(qiáng)股份制合作社的組建指導(dǎo)，要借鑒股份制合作社組建經(jīng)營(yíng)成功經(jīng)驗(yàn)。縣農(nóng)業(yè)局要加強(qiáng)對(duì)合作社規(guī)范化管理的監(jiān)督，推進(jìn)合作社“五化”建設(shè)?？h政府要整合各相關(guān)部門(mén)資源，出臺(tái)專(zhuān)項(xiàng)扶持政策，持續(xù)支持股份制合作社發(fā)展，要加大對(duì)規(guī)范化、示范性合作社的項(xiàng)目?jī)A斜和資金獎(jiǎng)補(bǔ)，引導(dǎo)全縣毛竹股份制合作社規(guī)范健康發(fā)展。

3.1.3 結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小

GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，可采用室內(nèi)布置，且可以布置在配電樓二層，因此節(jié)省了變電站的占地面積，而敞開(kāi)式配電裝置只能設(shè)置在室外場(chǎng)地，且有安全間距的要求。因此GIS設(shè)備的占地面積遠(yuǎn)小于敞開(kāi)式配電裝置。

3.1.4 安裝周期短、施工方便

GIS設(shè)備主要在工廠(chǎng)內(nèi)完成裝配和調(diào)試，基本以間隔為單位包裝運(yùn)輸，省去了現(xiàn)場(chǎng)大量的安裝和調(diào)試工作量。

3.2 投資方面

3.2.1 設(shè)備投資

110kVGIS間隔的價(jià)格大概在50萬(wàn)元，而敞開(kāi)式110kV配電裝置單個(gè)間隔的設(shè)備總價(jià)約為35萬(wàn)元。110kV GIS間隔和110kV敞開(kāi)式配電裝置間隔之間的差價(jià)約為15萬(wàn)元，110kVGIS間隔投資比110kV敞開(kāi)式配電裝置間隔多30%左右。

3.2.2 占地面積

GIS設(shè)備間隔占地根據(jù)設(shè)備制造廠(chǎng)和工程實(shí)際略有不同，以斷路器間隔為例，單個(gè)間隔的尺寸約為：長(zhǎng)×寬=6000mm×1500mm。敞開(kāi)式110kV配電裝置單個(gè)間隔的尺寸約為：長(zhǎng)×寬=9000mm×8000mm。GIS設(shè)備的占地面積遠(yuǎn)小于110kV敞開(kāi)式配電裝置。GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省占地面，可減少土地征用、土建開(kāi)挖、地基處理等方面投資。

3.2.3 設(shè)備運(yùn)行維護(hù)

GIS設(shè)備的可靠性高、供電安全可靠，檢修維護(hù)周期長(zhǎng)，運(yùn)行維護(hù)工作量遠(yuǎn)小于敞開(kāi)式配電裝置，因此其年運(yùn)行費(fèi)用低于敞開(kāi)式配電裝置的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)。

雖然GIS設(shè)備初期投資高，但從工程全壽命周期內(nèi)綜合考慮投資，GIS設(shè)備投資要低于敞開(kāi)式配電裝置。

4.110kVGIS設(shè)備設(shè)計(jì)工作應(yīng)注意的事項(xiàng)

因?yàn)镚IS設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

4.1 對(duì)土建專(zhuān)業(yè)的要求

室內(nèi)地面宜采用耐磨、防滑、硬度高的地面，并保證基礎(chǔ)的不均勻沉降程度滿(mǎn)足GIS設(shè)備的要求[3]。為了防止因基礎(chǔ)不均勻沉降造成GIS設(shè)備變形，進(jìn)而引起漏氣和操作失靈等故障。如果GIS設(shè)備數(shù)量較少，為確保供電安全，設(shè)備布置避免跨越土建結(jié)構(gòu)縫。

4.2 采暖通風(fēng)專(zhuān)業(yè)的要求

GIS配電裝置室內(nèi)事故發(fā)生后，有害氣體外溢，將分解成各種成分的有害氣體，但大多比空氣重，聚集于房間的下部，只有一種HF氣體比空氣輕，會(huì)上升到室內(nèi)上部，但又會(huì)迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的SF6分子并下沉到室內(nèi)下部。所以事故排風(fēng)主要是排除位于房間下部的有害氣體，為了安全，也需要室內(nèi)的上部設(shè)置風(fēng)機(jī)。

4.3 起吊設(shè)備

GIS配電裝置室內(nèi)應(yīng)設(shè)置行車(chē)等起吊設(shè)備[4]，起吊設(shè)備的載重量應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)備安裝、調(diào)試和檢修的要求。設(shè)備廠(chǎng)家將GIS間隔組裝完成后將設(shè)備運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)需要將各設(shè)備間隔組裝到一起并充SF6氣體。110kVGIS單個(gè)間隔的重量約為5t，一般在GIS配電裝置室內(nèi)設(shè)置1臺(tái)行車(chē)，起吊重量應(yīng)滿(mǎn)足單個(gè)間隔的吊裝。

4.4 環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備性能的影響

GIS設(shè)備內(nèi)充有SF6高壓氣體，斷路器氣室壓力為0.6MPa，SF6液化溫度為-26℃，其他氣室壓力為0.4MPa，SF6液化溫度為-40℃。設(shè)備溫度如果超過(guò)允許最高溫度，會(huì)造成氣室壓力過(guò)高，增加了設(shè)備漏氣風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備溫度如果低于最低允許溫度，SF6高壓氣體會(huì)發(fā)生部分液化，造成GIS斷路器滅弧性能和絕緣性能下降，可能造成短路事故和斷路器失效，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全。因此訂貨時(shí)應(yīng)明確設(shè)備使用地點(diǎn)和該地區(qū)的氣象參數(shù)，作為設(shè)計(jì)依據(jù)，如果環(huán)境溫度不滿(mǎn)足要求，可以采取電加熱或者將設(shè)備放置在室內(nèi)等措施。

4.5 接地要求

應(yīng)為GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備區(qū)域設(shè)置專(zhuān)用接地網(wǎng)，并應(yīng)與變電站總接地網(wǎng)相連。

GIS設(shè)備外部近區(qū)故障時(shí)，人觸摸金屬外殼時(shí)的接觸電位差應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。GIS設(shè)備區(qū)域?qū)Ｓ媒拥鼐W(wǎng)與站內(nèi)主接地網(wǎng)的連接，應(yīng)采用不少于4根連接線(xiàn)。4根連接線(xiàn)的熱穩(wěn)定校驗(yàn)電流取值為單相接地故障時(shí)最大不對(duì)稱(chēng)電流有效值的35%。GIS設(shè)備與電力電纜直接連接時(shí)，電力電纜金屬護(hù)套及屏蔽層應(yīng)通過(guò)接地導(dǎo)體，以最短路徑接到接地母線(xiàn)或GIS設(shè)備區(qū)域?qū)Ｓ媒拥鼐W(wǎng)。GIS設(shè)備外殼和單芯電纜金屬護(hù)套之間，應(yīng)安裝護(hù)層電壓限制器等進(jìn)行保護(hù)。

根據(jù)以上分析，110kVGIS雖然設(shè)備價(jià)格比敞開(kāi)式配電裝置高一些，但是110kVGIS在占地面積、安全可靠性、運(yùn)行維護(hù)工作量等方面有諸多優(yōu)勢(shì)，在城市地區(qū)以及大型煤礦內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該針對(duì)GIS的特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)土建、采暖通風(fēng)、設(shè)備起吊、環(huán)境、接地等方面予以注意。

5.應(yīng)用實(shí)例

110kVGIS設(shè)備的用戶(hù)已涵蓋國(guó)家電網(wǎng)變電站，電力、冶金、化工及煤炭行業(yè)、風(fēng)電及光伏等行業(yè)。

實(shí)例一：長(zhǎng)平煤業(yè)蘆家峪110kV變電站于2015年底投運(yùn)，主變?nèi)萘繛?×63MVA，電壓等級(jí)110kV/35/10kV，110kV為單母線(xiàn)分段接線(xiàn)。110kV配電裝置為ZF33-126GIS設(shè)備，斷路器額定電流2000A，額定短時(shí)耐受電流40kA（4s）。110kV配電裝置由7個(gè)GIS間隔組成：電源進(jìn)線(xiàn)間隔2個(gè)，主變進(jìn)線(xiàn)間隔2個(gè)，母線(xiàn)PT間隔2個(gè)，母線(xiàn)分段間隔1個(gè)。GIS設(shè)備已連續(xù)運(yùn)行4年，做到了GIS設(shè)備的免維護(hù)。

實(shí)例二：劉莊礦西區(qū)110kV變電站于2013年投運(yùn)，主變?nèi)萘繛?×20MVA，110kV和10kV側(cè)均為單母線(xiàn)分段接線(xiàn)。110kV配電裝置為ZF33-126GIS設(shè)備，斷路器額定電流2000A，額定短時(shí)耐受電流40kA（4s）。110kV配電裝置由7個(gè)GIS間隔組成：電源進(jìn)線(xiàn)間隔2個(gè)，主變進(jìn)線(xiàn)間隔2個(gè)，母線(xiàn)PT間隔2個(gè)，母線(xiàn)分段間隔1個(gè)。GIS設(shè)備已連續(xù)運(yùn)行6年，做到了GIS設(shè)備的免維護(hù)。