12-第十二章 气体绝缘金属封闭开关设备解析

第十二章气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）第一节基本原理及结构【本节描述】本节介绍气体绝缘金属封闭组合电器（以下简称GIS）的用途、分类、基本原理和结构特点等基础知识，通过要点讲解、图形展示，掌握气体绝缘金属封闭组合电器（GIS）的基本结构和原理。一、GIS主要分类（一）GIS的定义SF6气体绝缘金属封闭组合电器是20世纪50年代末期出现的一种先进的高压电气配电装置，国际上称这种设备为GasInsulatedSwitchgear，简称GIS。GIS是指将断路器、隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、负荷开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线等单独元件连接在一起，并封装在金属封闭外壳内，与出线套管、电缆连接装置、汇控柜等共同组成，充以一定压力的SF6气体作为灭弧和绝缘介质，并且只有在这种形式下才能运行的高压电气设备。图12-1GIS外观图GIS的应用打破了传统变电站的概念，使紧凑型、高电压、大容量新型变电站的发展得以实现，成为城网变电站改造的重要途径。近年来，GIS已在国内外得到非常广泛的使用，经过各国不断地研制、开发、改进，一些性能更加优良的GIS越发显示出了其他高压电气设备不可比拟的优越性。（二）GIS的特点1.由于采用SF6气体作为绝缘介质，导电体与金属地电位壳体之间的绝缘距离大大缩小。2.全部电器元件都被封闭在接地的金属壳体内，带电体不暴露在空气中（除了采用架空引出线的部分），运行中不受自然条件的影响，其可靠性和安全性比常规电器好得多。3.SF6气体是不燃不爆的惰性气体，所以GIS属防爆设备，适合在城市中心地区和其他防爆场合安装使用。4.GIS主要组装调试工作已在制造厂内完成，现场安装和调试工作量较小，因而可以缩短变电站安装周期。5.只要产品的制造和安装调试质量得到保证，在使用过程中除了断路器需定期维修外，其他元件几乎无需检修。6.GIS设备结构比较复杂，要求设计制造、安装调试水平高。GIS价格也比较贵，变电所建设一次性投资大。7.GIS组合电器的绝缘件、带电导体封闭在金属壳内，重心较低，因此，抗振能力较强，可安装在室内，也可以安装在室外。（三）GIS的分类SF6气体绝缘金属封闭组合电器GIS的分类方式一般有：按安装场所、按结构形式、按绝缘介质、按主接线方式等。1.按安装场所分。可分为户内型和户外型两种。2.按结构形式分。根据充气外壳的结构形状，可分为圆筒形和矩形。圆筒型GIS依据主回路配置方式的不同，又可分为全三相共体式结构、不完全三相共体式结构、全分箱式结构等；矩形GIS根据柜体结构和元件间是否隔离，还可分为箱型和铠装型两种。①全三相共体式结构：不仅三相母线，而且三相断路器、其他电器元件都采用共箱筒体。包含的设备有断路器（CB）、隔离开关（DS）、检修/故障关合接地开关（ES/FES）、母线（BUS）、电流互感器（TA）、电压互感器（TV）、避雷器（LA）、终端元件或进出线套管（BSG）等一次设备和就地控制柜二次设备构成。特点是制造难度较大，技术要求高，内部电场不均匀，相间影响大，但工作量小，消耗钢材少，在126kV等级中采用，也是252kV、363kV、550kV电压等级GIS发展的方向。②不完全三相共体式结构：母线采用三相共箱式，而断路器和其他电器元件采用分箱式。特点是母线占地面积小，但同长度母线上安装的GIS设备比三相共体式结构少。③全分箱式结构：包括母线在内的所有电器元件都采用分箱式筒体。特点是相间影响小，制造方便，但因钢外壳中感应电流引起损耗大，外壳数量及密封面也随之增加，漏气可能性加大及占地面积和体积增加等。3.按绝缘介质分。可分为全SF6气体绝缘型和部分SF6气体绝缘型两种。全SF6气体绝缘型是指全密封的GIS。部分SF6气体绝缘型则又有两种情况：一种是除母线之外，其他元件采用SF6气体绝缘，并构成以断路器为主体的复合电器；另一种则相反，只有母线采用SF6气体绝缘的密封母线，其他元件均为常规的敞开式电器。4.按主接线方式分。常用的有单母线接线、双母线接线、双母线带旁路接线、3/2接线、桥形接线、角形接线等多种接线方式。GIS的主接线方式取决于具体工程的需要。（四）GIS的铭牌GIS的铭牌应包含如下内容：（1）制造厂名称或商标；（2）型号或系列号；（3）采用标准的编号；（4）额定电压；（5）母线和支线的额定电流；（6）额定频率；（7）额定短时耐受电流；（8）用作绝缘的气体的额定密度或压力（20℃时）；（9）用作绝缘的气体的最小运行密度或压力（20℃时）；（10）外壳设计压力。如GIS的共用数据已在其铭牌上作了说明，则各元件的铭牌可以简化。二、GIS的基本结构一台完整的GIS是由若干个不同间隔组成的，一般是在设计时，根据用户提供的主接线方式和要求，将不同的气室或间隔（也称标准模块）组合成不同的间隔，再将这些间隔组成用户所需要的GIS。所谓一个间隔，是指一个具有完整的供电、送电和其他功能（控制、计量、保护等）的一组元件。所谓一个气室或气隔，是指将各种不同作用和功能的元器件，独立地组合在一起，拼装在一个独立的封闭壳体内构成的各种标准模块。例如：断路器模块、隔离开关模块、电压互感器模块、电流互感器模块、避雷器模块、连接模块、分相模块等。GIS的总体布局示意图如图12-2和图12-3所示。图a．典型接线图图b．结构示意图1-母线；2、6-隔离开关；3-电流互感器；4-接地开关；5-断路器；7-电压互感器；8-出线电缆图12-2GIS的总体布局示意图之一图12-3GIS的总体布局示意图之二三、GIS的通用技术要求GIS产品设计应能使设备安全地进行下述各项工作：正常运行、检查和维护性操作、引出电缆或其他设备的绝缘试验、消除危险的静电电荷、安装或扩建后的相序校核和操作联锁等。应能在允许的基础误差和热胀冷缩的热效应下不致影响设备所保证的性能，并满足与其他设备联接的要求。各元件应符合各自的有关标准。还有以下一些具体要求：1．联锁产品应设有机械或电气联锁装置，以防止带负荷拉、合隔离开关和带电误合接地开关。下列设备应有联锁，对于主回路必须满足以下要求：（1）在维修时，用来保证隔离间隙的主回路上的高压断路器应确保不自合。（2）接地开关合闸后应确保不自分。（3）隔离开关要与相关的断路器实现电气联锁；隔离开关与接地开关之间应有可靠的电气联锁。其联锁逻辑的设置应根据电气主接线进行设计，应用图表表示清楚，并取得买方同意。（4）电气联锁应单独设置电源回路，且与其他回路独立。2．接地（1）每个气体隔室的壳体应互连并可靠接地，接地回路应满足额定短路电流的动、热稳定要求。（2）接地点的接触面和接地连线的截面积应能保证安全地通过故障接地电流。（3）每相断路器的基座上应有一个不油漆的、表面镀锡的接地处，并有接地标志。紧固接地螺栓的直径不得小于12mm。（4）外壳应能接地。凡不属主回路或辅助回路的预定要接地的所有金属部分都应接地。（5）外壳、框架等部件的相互电气连接，应采用紧固连接（螺栓连接或焊接），并以跨接方式保证电气连通。（6）主回路应能接地，以保证维修工作的安全。另外在外壳打开后的维修期间，应能将主回路连接到接地极。3．外壳（1）为便于安装和安全运行，应装设外壳伸缩节。伸缩节也可称为管道伸缩节、膨胀节、补偿器，伸缩器。伸缩节分为：波纹伸缩节、套筒伸缩节、方形自然补偿伸缩节等几大类型，其中以波纹伸缩节较为常用，主要用于装配调整、吸收基础间的相对位移和热胀冷缩的伸缩量等。制造商应给出允许的位移量和方向。波纹管伸缩节是用金属波纹管制成的一种伸缩节。它能沿轴线方向伸缩，也允许少量弯曲。图12-4为常见的轴向式波纹管伸缩节，用在管道上进行轴向长度补偿。为了防止超过允许的补偿量，在波纹管两端设置有保护拉杆或保护环，在与它联接的两端管道上设置导向支架。另外还有转角式和横向式伸缩节，可用来补偿管道的转角变形和横向变形。这类伸缩节的优点是节省空间，节约材料，便于标准化和批量生产，缺点是寿命较短。在GIS正常运行中，导向支架的两端螺栓应保持一端内外侧螺帽均匀紧固，另一端内外侧螺帽均留有5mm左右的间隙（具体数据以厂家技术要求为准）。便于伸缩节吸收基础沉降引起的位移量和热胀冷缩引起的伸缩量。图12-4波纹管伸缩节外观图（2）金属外壳应牢固接地，并能承受在运行中出现的正常和暂态时的压力。（3）外壳按设备投产后不能复查的条件要求进行设计、制造，以确保材料、结构、焊接工艺、检验等的安全可靠性。（4）封闭外壳充以最低功能压力的气体时，能保证设备的绝缘水平。还应考虑振动和温度变化的作用以及气候条件的影响。（5）外壳应能满足设计压力的要求，外壳耐受内部电弧的性能满足标准的要求，持续时间为0.3s。（6）不论焊接或铸造的外壳，其厚度和结构的计算方法应参照类似压力容器标准来选择。（7）外壳的设计温度，通常是周围空气温度的上限加主回路导体流过额定电流时外壳的温升，并应考虑日照影响。（8）外壳的设计压力，至少是在设计温度时外壳内能达到的压力上限。在确定外壳设计压力时，气体的温度应取通过额定电流时外壳温度上限和主回路导体温度上限平均值，对设计压力能从已有温升试验记录中确定的情况除外。（9）对于未能用计算完全确定其强度的外壳和它的零部件，应进行强度试验。所有控制和辅助设备及操动机构的外壳满足户内IP40/户外IP54防护等级和IK10的防护机械撞击水平。（10）外壳设计时应考虑如下因素：外壳充气前可能出现的真空度；外壳或盆式绝缘子可能承受的全部压力差；相邻隔室具有不同运行压力的情况下，因隔室意外漏气时造成的压力升高；发生内部故障的可能性等。（11）外壳结构的材料性能，应具有已知的和经过鉴定的最低限度物理性能，这些性能是计算和/或验证试验的基础。制造商应对材料的选用负责，并根据材料合格证和进厂检验结果，对保持材料的最低性能负责。（12）外壳的密封性能。相对年漏气率应小于1%。4．盆式绝缘子（1）产品应划分为若干隔室，以达到满足正常使用条件和限制隔室内部电弧影响的要求。因此盆式绝缘子应能确保当相邻隔室内漏气或维修工作而使压力下降直至制造厂规定的负压时，本隔室的绝缘性能不发生任何变化。制造商应说明通过盆式绝缘子的允许漏气量，以便在相邻隔室充有一定气体压力的情况下，对该隔室进行维修。盆式绝缘子通常由绝缘材料制成。其基本结构如图12-5所示。通常分为气隔绝缘子和支撑绝缘子两类。为保证人身安全，盆式绝缘子应有可靠的接地措施。有的盆式绝缘子带金属外圈，它的金属外圈与其他设备的外壳一起连接可形成一个全封闭的金属壳体，不需专门接地。有的盆式绝缘子不带金属外圈，阻断了其他设备的外壳形成一个全金属壳体，因此需要专门的导流排跨接连通盆式绝缘子两侧的金属壳体。图12-5三相盆式绝缘子外观图绝缘子外圈金属环气体隔离绝缘子O型圈插接式触指图a．气隔绝缘子图b．支撑绝缘子图12-6单相盆式绝缘子外观图（2）盆式绝缘子应按制造商技术条件进行水压试验、绝缘试验和局部放电试验，必要时还需作超声波探伤试验，以保证质量。必须明示盆式绝缘子机械安全性能数据，以验证可承受相邻隔室中仍然存在的正常气压能力。5．密度继电器每一气体隔室应设置单独的气体密度继电器、压力表、充气阀；隔室内吸附剂的更换周期，应与解体检修周期相配合。SF6密度继电器与开关设备本体之间的连接方式应满足不拆卸校验密度继电器的要求。密度继电器应装设在与断路器或GIS本体同一运行环境温度的位置，以保证其报警、闭锁接点正确动作。220kV及以上GIS分箱结构的断路器每相应安装独立的密度继电器。户外安装的密度继电器应设置防雨罩，密度继电器防雨箱（罩）应能将表、控制电缆接线端子一起放入，防止指示表、控制电缆接线盒和充放气接口进水受潮。所有断路器隔室的SF6气体压力报警、闭锁均应有信号输出，并在控制柜、站控层后台上指示。其他隔室的SF6气体压力降低，应有报警信号输出。6．对电缆的连接和绝缘试验的要求（对采用电缆连接的工程）（1）电缆终端箱与电缆终端的配合应符合IEC60859的要求。（2）进线电缆侧如装有带电显示装置，应在A、B、C三相分别装设。（3）带电显示