高壓C-GIS配電裝置在變電站中的應(yīng)用研究

沈陽電能建設(shè)集團有限公司 崔克非

1 設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展方向

目前，既有的配電網(wǎng)變電站開關(guān)設(shè)備主要有兩大類，一類是采用常規(guī)敞開式空氣絕緣開關(guān)設(shè)備，間隔內(nèi)由隔離開關(guān)、斷路器、電流互感器等設(shè)備組成，各設(shè)備之間采用敞開式鋼芯鋁絞線聯(lián)結(jié)，占地面積較大，接線板均為外露，設(shè)備性能受當?shù)丨h(huán)境、污穢等因素影響較大，設(shè)備價格低[1]。另一類是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，利用SF6的良好絕緣性能，將斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器等多個單一設(shè)備以及母線等聯(lián)結(jié)在一起，組裝在封閉的金屬腔體內(nèi)，這樣大大減小了設(shè)備占地面積，除了進出線套管接線板外，均為絕緣體。內(nèi)部采用常規(guī)SF6斷路器，氣體壓力在0.4～0.6MPa。

隨著城市核心區(qū)配電變電站的不斷建設(shè)和改造，對配電裝置的要求也在逐漸提高，柜式氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Cubicle Gas Insulated Switchgear，C-GIS，簡稱充氣柜）的配電裝置近幾年來得到廣泛應(yīng)用。該設(shè)備同樣集隔離開關(guān)、斷路器、接地開關(guān)、互感器及母線等獨立設(shè)備于一體，且都裝在充有低壓環(huán)保氣體（正常為低于0.15MPa）的金屬封閉柜體內(nèi)，所充氣體為SF6氣體、氮氣或干燥壓縮空氣作為絕緣介質(zhì)[2]。用高性能高可靠性的真空斷路器替代原有設(shè)備中的SF6斷路器。整個柜體外形與原有GIS 設(shè)備不同，采用矩形布置方式，使用全絕緣的電纜插拔頭引出，跨間隔的柜體之間連接用插拔式絕緣管狀母線。該設(shè)備在生產(chǎn)車間內(nèi)進行氦氣進行漏氣測試，并在環(huán)保氣體充注后運輸至變電站，在變電站配電裝置室內(nèi)安裝時，無須采用無塵安裝及抽氣等操作。由于C-GIS配電裝置使用了高可靠性的真空斷路器，從而大大減少了后期運維檢修人員的維護工作量，設(shè)備的運行可靠性高，全壽命周期長，特別適合城市核心區(qū)以及需要高供電質(zhì)量的場合使用。

由于設(shè)備柜內(nèi)環(huán)保氣體充氣量更少，柜內(nèi)密封性較常規(guī)設(shè)備大大提高，漏氣率極低，設(shè)備內(nèi)部氣壓低,充氣所用氣體少，所以該設(shè)備比同電壓等級的常規(guī)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)產(chǎn)品較大程度地減少了SF6氣體的排放。設(shè)備內(nèi)部使用高可靠性的真空斷路器，開斷電流時不會產(chǎn)生有毒有害氣體，是符合國家節(jié)能減排政策的環(huán)保型設(shè)備。其中使用氮氣或干燥混合氣體的C-GIS 產(chǎn)品，完全取消了SF6氣體的使用，使產(chǎn)品無溫室氣體排放，成為零排放產(chǎn)品[3]。

SF6氣體是導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)的主要因素之一。SF6氣體開關(guān)設(shè)備在斷路器開斷電流的過程中，會產(chǎn)生有害物質(zhì)。如果這些有害物質(zhì)排放到大氣對環(huán)境會造成極大傷害。從全球環(huán)境保護角度出發(fā)，大多數(shù)發(fā)達國家已經(jīng)開始制定減少使用SF6氣體的計劃，并提出到2030 年將禁止SF6氣體的使用。故研究應(yīng)用高電壓等級無SF6開關(guān)設(shè)備十分重要。

2 C-GIS配電裝置在變電站中應(yīng)用

2.1 在變電站中的應(yīng)用情況

變壓器組接線是目前遼寧地區(qū)配電網(wǎng)變電站采用較多的接線形式，該種接線形式簡單，運行安全可靠，間隔內(nèi)設(shè)備數(shù)量少，可以有效節(jié)省用地面積，技經(jīng)指標良好。

根據(jù)國網(wǎng)公司電網(wǎng)建設(shè)“兩型一化”的要求，結(jié)合國內(nèi)電網(wǎng)快速發(fā)展的實際需要，為滿足變電站一次設(shè)備集成化，同時滿足變電站智能化建設(shè)的實際情況，計劃在沈陽沙東66kV 變電站設(shè)計中，選用72.5kV C-GIS 開關(guān)設(shè)備，作為C-GIS 應(yīng)用的示范工程。C-GIS 節(jié)省用地面積的優(yōu)點可以很好的在變電站設(shè)計過程中體現(xiàn)出來。在變電站設(shè)備運行過程中，產(chǎn)生噪聲較小，減少了設(shè)備運行過程中對變電站周圍環(huán)境的影響。二次控制部分采用智能化設(shè)備、遠程巡視技術(shù)、一鍵順控技術(shù)，實現(xiàn)控制、巡視、聯(lián)鎖、防誤操作等聯(lián)動功能，實現(xiàn)了變電站的智慧化應(yīng)用[4]。

由于應(yīng)用新型配電裝置，因此大大減少了后期運行維護次數(shù)，同時優(yōu)化了設(shè)備的全壽命使用周期。在與同類產(chǎn)品的對比中，其的工程經(jīng)濟指標良好，高于同類產(chǎn)品，節(jié)約了變電站的建設(shè)資金，符合國網(wǎng)公司“兩型三新”的要求。該變電站的順利投運，是對當前配電網(wǎng)變電站形式的突破，不但可以優(yōu)化土地指標和降低建設(shè)成本，提高運行可靠性，同時可以減少SF6氣體的使用量和排放量，適應(yīng)國家節(jié)能減排的要求。

2.2 比較于傳統(tǒng)的GIS設(shè)備優(yōu)點介紹

SF6用量少，C-GIS 產(chǎn)品充氣壓力為0.04MPa，每臺開關(guān)柜用氣量約10kg，且由于充氣壓力極低，因而漏氣率和可能出現(xiàn)的漏氣量也是極低的。而傳統(tǒng)GIS產(chǎn)品充氣壓力在0.4～0.6MPa，單間隔用氣量約150kg，漏氣率和可能出現(xiàn)的漏氣量會遠大于CGIS 產(chǎn)品。一旦發(fā)生嚴重的事故，例如內(nèi)部電弧，傳統(tǒng)GIS 產(chǎn)品對周圍人群的傷害及對周圍環(huán)境的破壞會遠遠大于C-GIS 產(chǎn)品。因此，ZHN3-72.5 型C-GIS 產(chǎn)品對安裝地點的限制很少，居民區(qū)、市中心、地下室等均適合產(chǎn)品的安裝。

“0”表壓功能，C-GIS 產(chǎn)品通過對電極形狀的控制，從而優(yōu)化、均勻氣箱內(nèi)部的電場，而不是完全依賴于充入的SF6氣體密度的大小。C-GIS 產(chǎn)品的最低功能壓力為“0”表壓，如果C-GIS 產(chǎn)品的氣箱出現(xiàn)泄漏，當內(nèi)外壓力相等（即“0”表壓）時，SF6氣體由于沒有壓力差作用，將自動停止泄漏，而此時C-GIS 產(chǎn)品完全具有額定的絕緣水平,這為發(fā)現(xiàn)問題、解決問題提供極其充裕的時間。傳統(tǒng)的GIS 產(chǎn)品的最低功能壓力0.33MPa，絕緣問題主要靠高壓力的SF6解決，當GIS 產(chǎn)品發(fā)生泄漏時，必須在氣體壓力降到0.33MPa前，將漏氣問題解決，否則GIS 產(chǎn)品將不再具有額定的絕緣能力，很容易發(fā)生絕緣擊穿故障，從而導(dǎo)致內(nèi)部電弧事故。因此GIS 產(chǎn)品從發(fā)現(xiàn)問題開始，留給搶修工作的時間很短,如果不能及時完成搶修，將導(dǎo)致被迫停電，故障范圍擴大。

C-GIS 產(chǎn)品的額定充氣壓力為微正壓力，且是在制造廠的潔凈車間里完成充氣隔室密封，水分及灰塵控制，并采用分子直徑僅為SF6氣體分子直徑1/3的氦氣進行漏氣率檢測，能夠很有效地控制產(chǎn)品漏氣的可能性、微水含量以及充氣隔室內(nèi)部的潔凈度，從而使得出現(xiàn)內(nèi)部放電的可能性降到最低，現(xiàn)場安裝采用插接式連接，不涉及SF6氣體的操作。傳統(tǒng)的GIS 產(chǎn)品是在裝配條件很差的施工現(xiàn)場完成充氣隔室的最后拼接、充氣等本應(yīng)該在潔凈環(huán)境下完成的工作，產(chǎn)品的密封性、潔凈度、微水很難達到理想狀態(tài)，設(shè)備運行過程中的隱患較多，很多問題被充入的高壓力的SF6暫時掩蓋，一旦發(fā)生泄漏，問題會立刻暴露出來。

C-GIS 產(chǎn)品的額定充入壓力為0.04MPa，氣箱內(nèi)的SF6氣體液化溫度為-62℃左右。不發(fā)生液化產(chǎn)品的絕緣性能就不會降低，可見C-GIS產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性更強，更適合東北地區(qū)的使用環(huán)境。傳統(tǒng)的GIS產(chǎn)品的額定充氣壓力為0.4～0.6MPa，氣室內(nèi)SF6氣體的液化溫度為-25℃左右，一旦出現(xiàn)液化，將嚴重影響產(chǎn)品的絕緣能力，因此必須增加額外的加熱裝置解決液化問題。

C-GIS 產(chǎn)品單個間隔的外廓尺寸和占地面積遠小于GIS產(chǎn)品，約為其1/3，且為柜式結(jié)構(gòu)。柜與柜之間可以直接并柜連接，更加提高了土地的使用率，節(jié)省占地面積，從而減少了土建尺寸?，F(xiàn)場并柜安裝無須在電站內(nèi)部預(yù)先安裝行吊，降低了建筑物的高度，大大減少了投資。

2.3 設(shè)備優(yōu)化介紹

2.3.1 采用真空斷路器代替?zhèn)鹘y(tǒng)SF6斷路器

對高電壓真空斷路器進行概念設(shè)計、電場分析、絕緣性能計算、結(jié)構(gòu)計算、工藝分析等工作，采用改進的固封極柱工藝，同時真空滅弧室技術(shù)日益成熟，使得C-GIS設(shè)備可以采用真空斷路器替代傳統(tǒng)的SF6斷路器

2.3.2 采用先進的配電結(jié)構(gòu)和裝配工藝

C-GIS 成套設(shè)備完全在工廠內(nèi)完成組裝，現(xiàn)場安裝只是簡單地利用母線聯(lián)結(jié)器進行主母線的拼接，不涉及SF6氣體操作和密封連接。電流互感器采用低壓式互感器，直接套接在一次電纜上，開關(guān)柜的一次主回路就構(gòu)成了電流互感器的一次繞組，二次線圈和鐵芯經(jīng)環(huán)氧澆注后安裝在氣室外，套接在一次電纜上，因此不受絕緣應(yīng)力的影響，沒有局放問題、沒有動熱穩(wěn)定問題，安全可觸摸。

電壓互感器和避雷器采用單相絕緣、單相金屬封閉式結(jié)構(gòu)，因此，沒有相間故障的可能性，接地的金屬外殼安全可觸摸。電壓互感器和避雷器采用插入式結(jié)構(gòu)，通過電纜套管與主回路連通，主絕緣通過界面絕緣實現(xiàn)，因此安裝、更換過程中不涉及SF6氣體的操作，沒有SF6氣體的排放問題。

2.3.3 采用先進的生產(chǎn)技術(shù)

C-GIS 配電裝置的金屬氣箱箱體采用高精度激光切割、焊接設(shè)備加工而成的，并采用先進的等壓抽真空，氦氣檢漏，氣體充注一體式裝置進行檢漏和充氣工作，精度高、質(zhì)量好，為設(shè)備的安全可靠運行提供保障。

3 環(huán)保與節(jié)能

3.1 防止SF6排放措施

沙東66kV變電站設(shè)計中采用的72.5kV C-GIS氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，為戶內(nèi)產(chǎn)品，采用真空斷路器，絕緣用SF6氣體的額定壓力僅為0.02～0.03MPa,比相同規(guī)格的采用SF6斷路器的GIS氣體絕緣開關(guān)設(shè)備單臺減少SF6的使用量相當于減少超過20t CO2，且無毒害氣體產(chǎn)生。

沙東66kV 變電站使用的C-GIS 設(shè)備環(huán)保效應(yīng)分析表見表1。

表1 沙東66kV變電站使用的C-GIS設(shè)備環(huán)保效應(yīng)分析

3.2 防電磁輻射措施

本站采用戶內(nèi)布置方式，通過建筑物自身的圍護結(jié)構(gòu)起到良好的電磁屏蔽作用。且C-GIS設(shè)備為小型化設(shè)備，設(shè)備自帶的金屬罩殼也能起到一定的屏蔽效果。因此變電站內(nèi)電磁場強不會對周邊居民的正常無線電通信接受和人體健康產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)語

在變電站中應(yīng)用C-GIS設(shè)備，在大大縮小建筑面積的同時，還具有比傳統(tǒng)GIS 更多的優(yōu)點，更適合在東北地區(qū)使用。積極響應(yīng)國家環(huán)境政策，采用一系列措施，做到節(jié)能減排，防止環(huán)境的污染。在現(xiàn)階段智能變電站的設(shè)計原則下，可以將二次設(shè)備布置在C-GIS設(shè)備內(nèi)，減少二次設(shè)備空間，提高設(shè)備運行穩(wěn)定性與可靠性，為以后智能變電站的升級與發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。