气体绝缘电力设备GIS

气体绝缘电力设备2“GIS”地理信息系统(GeographicInformationSystem)气体绝缘金属封闭式组合电器(Gas-insulatedswitchgear)气体绝缘变电站(Gas-insulatedsubstation)气体绝缘电力设备(Gasinsulationsystem)•SF6断路器(GCB)•气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)•气体绝缘输电管道(GIL/GIC)•气体绝缘变压器(GIT)“气体”六氟化硫(SF6)、干燥压缩空气(非SF6GIS)GIS的意思是…3GIS设备的技术变迁1900法国H.Moissan和P.Lebeau首次合成SF61937美国GE公司的E.E.Charlton和F.S.Cooper发现了SF6的高绝缘耐力1938F.S.Cooper申请了SF6应用于电力设备的美国专利1939S.O.Greenlee开发了制造环氧树脂的方法1953美国WH公司的H.J.Lingal申请了GCB专利1955美国WH公司制造第一台GCB1956美国制造第一台GIT1967德国和瑞士第一台GIS开始运行1975德国第一条GIL/GIC国内60年代开始研制六氟化硫绝缘电气设备80年代大量的SF6电气设备引进和研制成功GIS技术的起源4•高电压化GIS72kV550kV1100kVGIS技术的发展日本1968年投运的72kVGIS超高压GIS试验场GIS设备的技术变迁5•小型化、提高可靠性GIS设备的技术变迁6IEEESubstationsCommittee体积：145kVGIS体积下降为原来的30%，使用SF6降为原来的25%。可靠性：平均无故障时间提高到400-1000年/间隔GIS设备的技术变迁7•直流GIS的出现日本纪伊水道直流输电工程中的直流GIS(按照500kV设计、试验，目前运行于250kV)GIS设备的技术变迁8•混合气体绝缘降低经济成本防止温室效应导致的全球变暖•基于设备状况的维修管理技术定时维护(TBM)基于设备状况的维护(CBM)GIS设备的技术变迁9GIS设备的优点体积小0.1MPa下，SF6的绝缘强度是空气的大约3倍高压导体全部封闭在金属外壳内(500kV的GIS只有敞开式电器的1/50左右大小)敞开式变电站(72kV-1200A,215MVA)替代为金属封闭式组合电器之后设置于公园地下的GIS和变压器10可靠性高•平均无故障时间：400-1000年/间隔•寿命：35-50年•不受恶劣环境因素(如台风、盐碱、地震等)的影响•无火灾隐患•不污染环境、对居民友好体积小、可靠性高•适用于征地困难的地区•维护工作量小•寿命长，全寿命造价低GIS设备的优点11GIS设备的应用GIS设备使用量的增加GIS全球超过20000间隔(2005年)GIT第一台69kV、2MVA全球运行的GIT超过10000台，主要集中在亚太地区(2003年)GIL第一条700m全球约300kmGCB国内的情况(1)至目前，高压断路器几乎全部使用SF6替代绝缘油和空气介质。新建或改造的220kV及以上电压等级变电站基本全部采用SF6开关设备。(2)截止到2000年前，全国电力系统220kV及以上电压等级断路器共12162台。其中，100%的500kV开关设备729台和接近100%的330kV开关设备359台为SF6断路器和GIS；而在220kV电压等级，SF6断路器和GIS已占装运开关设备的约50%~60%。(3)国内SF6气体绝缘变压器的使用量总计已经达到数十台(分布于北京、上海、香港、深圳、重庆等地)。(4)GIL：南方电网天生桥水电站(500kV)、广东奥岭核电站(500kV)、华东电网的瓶窑变(500kV母线分裂改造工程)以及青海省拉西瓦水电站(750kV出线)12气体绝缘金属封闭式组合电器气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)的优点：敞开式变电站(72kV-1200A,215MVA)替代为金属封闭式组合电器之后•占地面积和空间占有体积小城市征地困难水电站的升压变电站nUk/10•安全可靠人员安全不受气候影响无火灾、不破坏环境•电磁兼容性好•安装工作量小，检修周期长，寿命长1319561966200015001000deliveredbays197619961986300kV20042006500300kVMilestonesGISEarlyresearchFirst500kVGISClaireville(CA)First170kVGISSempersteig(CH)Largest500kVGISItaipu(BR)First500kVGISinChina,JiangmenFirst800kVGISAlpha(ZA)500kVGISThreeGorges(CN)GIS的应用：气体绝缘金属封闭式组合电器141:母线2、8:隔离开关3、7:工作接地开关4、6:电流互感器5:断路器9:接地开关10:电压互感器11:套管避雷器电缆终端控制柜气体绝缘金属封闭式组合电器15江苏无锡华润变电站气体绝缘金属封闭式组合电器16母线•单相封闭式母线•三相封闭式母线D/d=2.7r0/rs=0.55rc/rs=0.167因为分支出线的缘故，三相封闭式母线的导体布置与气体绝缘输电管道不同，内导体位于半径r0的圆周上，位于底部的内导体与其它两相相差90°GIL中的电极结构气体绝缘金属封闭式组合电器17断路器合闸灭弧触头分离分闸分闸开始单压式断路器的开断过程※优点是无高压SF6系统，缺点是分闸时间较长，且需要较大的操动力气体绝缘金属封闭式组合电器18断路器的液压操动机构气体绝缘金属封闭式组合电器19隔离开关a)c)b)d)气体绝缘金属封闭式组合电器20隔离开关一般为推拉式结构，操作系统可分电动机、电动机-弹簧机构和手动操作。对隔离开关的要求：•应具有表示其分、合闸位置的可靠的指示装置•断口在任何情况下都不能被击穿，故断口耐压要求比对地绝缘电压高•必须能开断环流(电流大、恢复电压低)•必须能分、合感性小电流以及容性小电流气体绝缘金属封闭式组合电器21接地开关•工作用接地开关•快速接地开关工作用接地开关是用于保证维修人员安全的，常安装与隔离开关的两端气体绝缘金属封闭式组合电器22快速接地开关快速接地开关应具有关合额定动稳定电流的能力。它仅仅在故障的时候工作。快速接地开关的操动机构应符合交流高压断路器标准中有关操动机构的要求。气体绝缘金属封闭式组合电器23电压互感器•电磁式电压互感器•电容分压器气体绝缘金属封闭式组合电器24带电子放大器的电容分压器气体绝缘金属封闭式组合电器25电流互感器采用环状铁芯结构，互感器的初、次级之间的绝缘为气体绝缘气体绝缘金属封闭式组合电器26金属氧化物避雷器气体绝缘金属封闭式组合电器27GIS与其他设备的连接主要特点:•自清洁硅橡胶伞裙•长爬电距离•SF6气体绝缘•运行可靠性高•重量轻复合绝缘套管气体绝缘金属封闭式组合电器28主要特点:•长爬电距离•纸浸树脂•电容屏•免维护•抗震瓷绝缘套管气体绝缘金属封闭式组合电器29电缆终端插拔式电缆终端采用插拔式电缆终端，使得GIS的安装可以与电缆的安装完全分开，在电缆试验、检修时可以直接将电缆终端头拔出，而不需要打开GIS的SF6气室。气体绝缘金属封闭式组合电器30与变压器连接套管气体绝缘金属封闭式组合电器31外壳GIS的外壳一般为钢或铝合金制。它必须能承受一定的压力，密闭性要好，当GIS内部万一发生电弧时，必须不被烧穿，而且高温造成的压力上升不至于引起爆炸。外壳一般采用焊接或法兰进行连接。具有绝缘子的法兰连接法兰气体绝缘金属封闭式组合电器32压力释放装置当压力释放装置动作时，不应危害工作人员的安全。电弧造成的压力升高，也可用来检测故障位置。气体绝缘金属封闭式组合电器33控制柜用于指令输入、报警和联锁等用途的辅助电气设备均安装在相应的就地控制柜内。用户控制保护设备需要的电压、电流等信号也是从就地控制柜的端子排上接取↑←ABB的GIS的控制柜气体绝缘金属封闭式组合电器34快速暂态过电压的问题•波前时间很陡(5~20ns)耐电强度高，放电形成时延短•有频率很高的高频电压分量电压波在GIS中折反射造成0.1-10MHz•幅值并不高，很少到达2.0p.u.VFTO的幅值大小与隔离开关触头间电弧重燃电压大小有关，也与被开断的母线上的参与点和的电压值有关。危害：引起GIS或相邻设备的绝缘故障气体绝缘金属封闭式组合电器35气体绝缘输电管道气体绝缘输电管道(GIL)GIL(Gas-insulatedMetal-enclosedTransmissionLine)与气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)的母线结构相似，分单芯式GIL与三芯式GIL，单芯式GIL由同轴结构的外壳和中间导体构成；中间导体由导电率较高的铝合金管构成，管壁厚度约为10mm-20mm，用绝缘子加以固定；外壳为铝合金或钢制，厚约为6mm-10mm，通常采用某种办法接地；管道中一般充以压缩SF6或SF6/N2混合气体作为绝缘介质；端部与GIS、变压器等直接连接或通过套管与其它设备连接；GIL两端可设置金属氧化物避雷器(MOA)以抑制过电压；当它被用于较长线路时，可在线路中间安装隔离开关，以方便将线路分成几段进行现场试验。单芯式GIL与三芯式GIL结构示意图36GIL的组成：①直线单元、②转角单元、③补偿单元、④隔离单元以及⑤套管气体绝缘输电管道37Siemens公司提供的GIL组件示意图CGITWestboro公司提供的GIL组件示意图气体绝缘输电管道38GIL与GIS母线的主要区别：①GIS母线通常较短，而GIL长度一般超过100m。GIS母线段一般结构复杂，多系铸造而成，GIL结构则相对简单，比较多地采用挤制成型部件。②GIS母线通常使用盆式绝缘子或者带孔的盆式绝缘子，绝缘子之间距离一般为6m，绝缘子安装在两个法兰之间，因此外壳上每隔6米设一个法兰。GIL的绝缘子完全处于外壳内部，除盆式绝缘子外，大量采用支柱绝缘子，因此外壳多采用焊接连接。③GIS母线的中间导体一般使用螺纹与盆式绝缘子连接，而GIL的中间导体连接大量采用焊接。④需要改变走向时，GIS母线段的转弯角度一般为90º，而GIL的转弯相对比较自由，转角单元的角度一般在85º–178º之间。而且当走向只有微小改变时，可以取消转角单元，利用GIL自身的挠性实现转弯。⑤GIS母线较短，存在导电微粒时容易检查，通常不专门设置微粒陷阱以捕获导电微粒，GIL比较长，安装地点的环境条件较不易控制，通常要设置微粒陷阱。气体绝缘输电管道39相对于架空线(OHL)和电缆，GIL的优缺点：①与充油电缆相比，GIL的电容量较小1/4②与电缆相比，GIL的传输容量大截面超过10000mm2，电流达到8000A，传输容量4000MVA③GIL的电能损耗小每米100-200W④适用于高落差场合有垂直落差305m的敷设实例⑤GIL的可靠性极高、无火灾风险(50年)⑥与架空线路相比，GIL的主要优点是占地少⑦GIL无电磁干扰问题⑧不可能直接受到雷击⑨一次设备投资大一次设备投资为架空线的5-7倍，电缆的2倍左右，只有在高电压大容量的情况下才有优势气体绝缘输电管道40GIL的使用场合①用于发电厂内连接高压变压器和高压开关设备②用于连接处于洞室之中的高压变压器和外部的架空输电线③用于连接GIS和架空输电线④用于连接两个GIS⑤用于两段架空输电线交叉时⑥用于对环境要求比较高的地区，如风景名胜区，或者征地比较困难的地区⑦在高电压、大容量的场合，用作经济的长距离输电线路气体绝缘输电管道41全世界GIL的单相长度大约为200km-300km，电压等级为138kV-1200kV。GIL目前主要还是用在架空线受限制的场合，用以替代电缆，随着征地成本提高，人们对环境问题的日益重视以及GIL造价的降低，GIL将有可能成为长距离大容量的经济输电方式。气体绝缘输电管道42一些GIL的实例气体绝缘输电管道43GIL的一些特殊部件•微粒陷阱•支撑绝缘子•滑动触头•波纹管气