GIS全封闭组合电器.docx

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GIS全封闭组合电器

GIS全封闭组合电器

一．概况

60年代中期，美国制造了第一套GIS设备，使高压电器发生了质的飞跃，也给配电装置带来了一次革命。

它具有占地面积少、元件全部密封、不受环境干扰、可靠性高、运行方便、检修周期长、维护工作量少、安装迅速、运行费用低等优点，引起世界电力部门的普遍重视。

40年来，GIS设备迅速发展，欧洲、美洲、中东的电力公司都规定配电装置要用GIS设备，在亚洲、非洲、澳洲的发达国家也基本上要用GIS设备，在南非有800KVGIS设备投入运行。

我国GIS设备的研制工作起步于60年代，与世界其他国家基本同步，1971年我国首次试制成功110KVGIS设备，并投入运行，自改革开放以来，我国大型核电站、火电站、水电站、变电站先后都选用了GIS设备、例如大亚湾、秦山核电站，广洲抽水蓄能电站，四川二滩水电站，浙江北仑港，上海石洞口，广东沙角等火电厂，广东江门、云南草铺等变电站，三峡水电站的升压变电站，自80年代以来，国产大型GIS设备也投入运行，

SF6全封闭组合电器配电装置的英文全称是GasIusulatedSubStation,可缩写成GIS。

现在已习惯SF6全封闭组合电器配电装置俗称为GIS。

与常规配电装置一样，它是由断路器、隔离开关、快速或慢速接地开关、电流互感器、避雷器、母线及这些元件的封闭外壳、伸缩节和出线套管等组成。

也就是将上述间隔的配电装置设备通过封闭式组合，加装在一个充满一定压力的SF6气体的仓内，其间电气绝缘可依靠间隔内SF6气体保证。

SF6气体同时也起灭弧介质的作用。

GIS设备除有优越的技术性能外，由于GIS采用了最小电气距离的封闭组合结构，其最大的优点就是设备所占的土地面积只有常规设备的15%--35%这对我国节约土地的国策是非常有利的，十分符合我国的国情。

由于GIS的带电体和绝缘元件均封闭在金属外壳内，不受外界环境的影响，且布置的重心低，抗震能力强，因而它适宜使用在环境条件恶劣的地区。

GIS设备加工精密、选材优良、工艺严格、技术先进。

另外绝缘介质使用SF6气体，其绝缘性能、灭弧性能都优于空气。

断路器的开断能力高，触头烧伤轻微，因此GIS设备的检修周期长、故障率低，所以GIS设备运行安全可靠，维护工作量少。

GIS设备各个元件的通用性强，采用积木式结构，尽量在制造厂组装成一个运输单元。

电压较低的GIS可以整个间隔作为一个运输单元，运到施工现场就位固定。

电压高的GIS设备由于运输件很大，不可能整个间隔运输，但可以分成若干个运输单元，对运输单元进行少量的安装、调整试验以后进行拼装，就可以投入运行与常规的设备相比，现场工作量减少了80%左右，所以GIS设备安装迅速，施工费用省。

在现代大型发电厂中尤为重要。

GIS设备的导电部分均为外壳所屏蔽，外壳接地良好，其导电体所产生的辐射，电场干扰等都被外壳屏蔽了。

噪音来自断路器的开断过程，也被外壳屏蔽了。

因此GIS设备不会对通信、无线电进行干扰。

GIS设备有户外式和户内式两种

二．基本原理和结构

1.基本结构

GIS一般可分为单相单筒式和三相共筒式两种形式。

220KV及以上电压等级通常采用单相单筒式结构，每一个间隔（GIS配电装置也是将一个具有完整的供电、送电或具有其他功能的一组元器件称为一个间隔）根据其功能由若干元件组成，同时GIS的金属外壳往往分隔成若干个密封隔室，称为气隔（I、II、III、IV）

内充满SF6气体，如下图所示：

图：

间隔的气隔划分图

1—隔离开关；2—慢速接地开关；3—快速接地开关；4—断路器；5—电流互感器；6—隔离开关7—快速接地开关；I、II、III、IV—气隔

这样组合的结构，具备三大优点：

其一，如需扩大配电装置或拆换其一气隔时，整个配电装置无需排气，其他间隔可继续保持SF6气压。

其二，若发生SF6气体泄露，只有故障气隔受影响，而且泄露很容易查出，因为每一个气隔都有压力表或温度补偿压力开关。

其三，如果某一气隔内部出现故障，不会涉及相邻气隔设备。

GIS外壳内以盘式绝缘子作为绝缘隔板与相邻气隔隔绝，在某些气隔内，盘式绝缘子装有通阀，即可沟通相邻隔室，又可隔离两个气隔。

隔室的划分视其配电装置的布置和建筑物而定。

220KV的GIS间隔的总体组成示于下图。

间隔的总体组成图（以220KV的GIS为例）

1—断路器；2—断路器操作箱；3—隔离开关与接地开关操作机构；4--隔离开关与接地开关；

5—金属外壳；6导电杆；7—电流互感器；8—外壳短路线；9—外壳连接法兰；10—气隔分割处，盘式绝缘子；11—绝缘垫

（1）断路器：

有单压式和双压式两种。

目前广泛采用的是单压式断路器。

单压式断路器结构简单，使用内部压力一般为0.5—0.7Mpa，它的行程，特别是预压缩行程较大，因而分闸时间和金属短接时间均较长。

为缩短分闸时间，将尽量加快操作机构的运行速度，加大操作功。

单压式断路器的断口可以垂直布置也可以水平布置。

水平布置的特点是两侧出线孔需支持在其他元件上，检修时，灭弧室由端盖方向抽出，因此没有起吊灭弧室的高度要求，但侧向则要求有一定的宽度。

断口垂直布置的断路器，出线孔布置在两侧，操动机构一般作为断路器的支座，检修时灭弧室垂直向上吊出，配电室高度要求较高，但侧面距离一般比断面水平布置的断路器为小。

（2）隔离开关与接地（快速）开关：

GIS隔离开关根据用途可分为不同的三种形式

第一种是只切断主回路，使电气回路有一明显的断开点

第二种是接地隔离开关，将主回路通过这种接地开关直接接地，也就是将直接接在母线的外壳。

上面两种隔离开关不能切断主电流，只能切断电感电流和电容电流。

第三种是快速接地隔离开关，它能合上接地短路电流，这是因为当GIS设备内部发生接地短路时，在母线管里会产生强烈的电弧，它可以在很短的时间内将外壳烧穿，或者发生母线管爆炸。

为了能及时切断电弧电源，人为地使电路直接接地，通过继电保护装置将断路器跳闸，从而切断故障电流，保护设备不致损坏过大。

快速接地隔离开关通常都是安装在进线侧。

在一般情况下，隔离开关和接地开关组合成一个元件，接地开关很少单独成一个元件。

隔离开关在结构上可分直动式和转动式两种。

转动式可布置在90°转角处和直线回路中，由于动触头通过蜗轮传动，结构复杂，但检修方便。

直动式只能布置在90°转角处，结构简单，检修方便，且分合速度容易达到较大值。

接地开关一般为直动式结构。

（3）电流互感器：

GIS中的电流互感器可以单独组成一个元件或与套管、电缆头联合组成一个元件，单独的电流互感器放在一个直径较大的筒内（或者放在母线筒外面），电流互感器又以根据需要放大4～6个单独的环形铁芯，并可根据需要选择不同的电流比。

（4）电压互感器：

电压互感器有两种型号。

一种是电磁式的；一种是电容式的。

两种都可竖放或横放，它们直接接在母线管上。

电压互感器作为单独的一个气室。

220kV以下电压等级一般采用环氧浇注的电磁式电压互感器，550kV及以下电压等级普遍采用电容式电压互感器。

（5）母线：

有两种结构形式，一种是三相母线封闭于一个筒内，导电杆采用条形（盆形）支撑固定，它的优点是外壳涡流损失小，相应载流量大。

但三相布置在一个筒内，不仅电动力大而且存在三相短路的可能性。

220kV以下三相母线因直径过大难以分割气隔，回收SF6气体工作量很大。

所以一般采用三相共筒。

单相母线筒是每相母线封闭于一个筒内，它的主要优点是杜绝三相短路的可能，筒直径较同级电压的三相母线小，但存在着占地面积较大，加工量大和温度损耗大等特点。

（6）避雷器：

GIS避雷器有两种，一种为带磁吹火花的碳化硅非线型电阻串联而成的避雷器；另一种为没有火花间隙的氧化锌避雷器。

后者有较高的通流容量和吸收能力。

目前，广泛采用氧化锌避雷器，氧化锌与磁吹避雷器相比，具有残压低，尺寸及重量小，具有稳定的保护性和良好的伏特秒特性等优点。

（7）连结管：

各种用途的连结管，如90°、三通、四通、转角管、直线管、伸缩节等一般选择定型规格。

（8）过渡元件：

SF6电缆头是SF6全封闭组合电器和高压电缆出线的连结部分，为避免SF6气体进入油中，目前采用加强过渡处的密封或采用中油压电缆。

（9）SF6充气套管是SF6全封闭组合电器和高压电缆出线的连结部分，套管内充入SF6气体。

SF6气体套管是SF6全封闭组合电器直接与油浸变压器连结部分，为了防止组合电器上的环流扩大到变压器上以及防止变压器的振动传至全封闭组合电器上，在SF6气油套管上有绝缘垫和伸缩节。

三、GIS设备气室的布置原则

GIS设备是全封闭的，所以应根据各个元件不同的作用，将内部分成不同的若干个气室，其原则为：

GIS设备的气隔分部图

1.盆形绝缘子；2.电压互感器；3.电流互感器；4.断路器；5.隔离开关；6.避雷器；7.电缆头；8.接地隔离开关

1、因SF6气体的压力不同，要分成若干个气室。

断路器在开断电流时，要求电弧迅速熄灭，因此要求SF6气体的压力要高，而隔离开关切断的只是电容电流，所以母线管里的压力要低点。

例如断路器室的SF6气体压力为700Kpa，而母线管里的SF6气体压力为540Kpa。

因此，不同的设备所需的SF6气体压力不同，要分成不同的若干气室。

2.因绝缘介质不同要分成若干气室。

如GIS设备必须与架空线路、电缆、主变压器相连接，而不同元件所用的绝缘介质不同，例如电缆终端的电缆头要用电缆油，与GIS连接的要SF6气体，故此，要把电缆油与SF6气体分隔开来，所以要分成多个气室。

变压器套管也是如此。

3.GIS设备检修时，要分成若干个气室。

由于所有的元件都要与母线连接起来，母线管里充以SF6气体。

但当某一元件发生故障时，要将该元件的SF6气体抽出来才能进行检修。

若母线管里不分成若干气室，一旦某一元件故障，连接在母线管里的所有元件都要停电，扩大了故障的范围。

因此，必须将母线管中的不同性能的元件分成若干个气室，当某一元件故障时，只停下故障元件，并将其气室的SF6气体抽出来。

非故障元件正常运行。

四、GIS设备的外壳保护

1、GIS设备故障时，气室的压力和外壳烧穿时间的计算

GIS设备的外壳用铝合金或钢材制成。

当母线管或元件内部故障时，电弧使SF6气体的压力升高，若没有防爆装置，则可造成外壳爆炸。

当内部发生故障而不能及时切断故障点，电弧能将外壳烧穿。

为了不致使故障扩大，在变电站的进线线路上安装快速接地隔离开关。

使开关直接接地,通过保护装置切断电源。

气室压力的增高值和外壳的烧穿时间，由下面公式计算。

（1）GIS设备内部故障时气室的压力计算

当GIS设备内部故障时，气室的压力由下式计算：

△ρ=ρ0VaIt×103/T0CvG

式中：

△ρ—气室内SF6气体上升的压力值（Kpa）

ρ0—气室的正常压力（Kpa）

Va—电弧电压（KV）

I—故障电流的有效值（KA）

t—电弧的燃烧时间（s）

T0—气室的起始温度

Cv—SF6气体的定容比热（J/Kg*K）

G—故障气室内的SF6气体重量（Kg）

式中的电弧电压为电弧长度与电弧梯度之积，一般220KVGIS设备电弧电压为400—600V，有的可高达1300V。

燃烧时间以半个周波计算，即0.01s。

SF6气体的定容比热为630（J/Kg*K）。

（2）电弧烧穿外壳的时间

GIS设备外壳被电弧烧穿的时间与外壳的材料、厚度和故障电流的大小有关。

一般都是从烧穿试验的方法得到的。

烧穿时间与故障电流成反比，而与外壳的厚度成正比，用公式表示

式中：

t—外壳烧损时间（ms）

I—故障电流（KA）

δ—外壳厚度（cm）

K,m,n—系数

当外壳材料用合金铝时：

K=87.4，m=1.21,n=0.67

当外壳材料用钢材时：

K=1，m=4.3,n=0.64

2、外壳保护方法的选择

GIS设备外壳的保护有两种方法，一种用防爆膜装置，另一种用快速接地隔离开关。

对于GIS设备内部各气室来讲，大的SF6气室对压力不敏感，一般采用快速接地隔离开关作为保护其可靠性高（因为快速接地隔离开关是靠故障电流作为启动电流的，只要故障电流达到动作值，快速接地隔离开关必然动作）。

小的SF6气室对压力敏感，一般采用防爆膜作为保护其可靠性高（防爆膜的动作压力一般取为正常压力的四倍，小气室内故障时容易达到这个压力，而大气室则很难达到这个压力）。

由于快速接地隔离开关是由故障电流作为启动电流的，只要故障电流达到动作值，快速接地隔离开关必然动作，对于大气室用快速接地隔离开关的可靠性高。

单相但筒的母线管的故障电流，用单相接地短路、电流计算。

三相共筒的母线管按三相短路接地的电流计算。

3、防爆膜的面积和快速接地隔离开关的整定时间的计算

（1）防爆面积的计算

S=28.54ΧIk/△P

式中：

Ik—最大的故障电流（KA）。

△P—气室压力的升高值（Kpa）。

（2）快速接地隔离开关的动作时间选择

A：

大电流接地系统

tb=t1+△t

式中：

t1—主保护动作时间，取0.1s

△t—间隔时间，取0.5s

B：

小电流接地系统

t1=t2+△t2

式中：

t2—保护装置给出故障信号的时间（s）；

△t2—根据运行的需要来决定（s）

五、GIS外壳感应电压及其接地方式

GIS的母线和外壳是一对同轴的两个电极，构成梢稍不均匀电场。

当电流通过母线时，在外壳感应电压，使外壳产生涡流而发热，使GIS设备容量减少。

当运行人员接触时会触电，威胁人生安全。

为了使GIS设备不降低输送容量，又不危及人生安全，因此要使GIS设备外壳的感应电压在安全规定的范围之内，外壳也不发热。

另外，GIS设备的支架、管道、电缆外皮与外壳连接之后，也有感应电压，也有环流产生。

由于外壳与上述零件接触不良的地方，还会产生火花，使管道，电缆外皮产生电腐蚀。

为了解决上述问题，目前有两种方法解决。

一种在GIS设备外壳用全链多点接地的方案，它的优点是GIS外壳的感应电压为另，但会引起环流，金属外壳仍然发热，输送容量仍还要下降：

第二种方法是将GIS外壳分段绝缘，每段只有一个接地点，这样GIS外壳不产生环流，但有感应电压。

两者比较我们不希望有环流，外壳的感应电压在安全范围之内。

所以一般都是选用了第二种方法。

六、GIS的技术性能和运行规定

GIS的主要技术性能

GIS的主要技术性能因生产厂家不同而各异，这里仅对国内常用的500kV的GIS配电装置进行介绍

GIS是由各种不同性能的元件组合而成的，每个元件都有统一的标准，也有本元件的具体技术要求。

（一）GIS设备的一般规定

1.使用条件

（1）海拔高度：

1000m以下。

（2）环境温度：

1）户内最高为40℃。

2）户内最低为-10℃。

3）户外最高为45℃。

4）户外最低为-10℃。

（3）24h的最带温度差25℃。

（4）最大相对湿度：

月平均不大于90%（20℃）。

（5）最大风速：

40m/s。

（6）覆冰厚度：

1mm

（7）耐地震能力（在一般地区）。

1）地面水平加速度为0.20～0.25g；

2）地面垂直加速度为0.10～0.125g

3）g=9.8m/s2，考虑到水平加速度和垂直加速度同时作用。

（8）外绝缘污秽等级：

Ⅲ级；最小爬电比距为25mm/kV，户外盐害为0.03mg/m2。

（9）年雷电日90日/年。

（10）降雨量。

1）年最高量为2700mm；

2）日最高量为260mm。

（11）产品应考虑冷凝、雨、湿度骤变及日照等的影响，各类产品都应能防潮、防寒、防尘、防热、防雨和防止异物进入。

（二）GIS设备的额定技术参数

1.总的技术参数

（1）额定电压：

500kV。

（2）最高工作电压：

550kV。

（3）额定电流：

1）母线电流为4000A；

2）进出线电流为3150A。

（4）额定短路开断电流：

50kA。

（5）额定动稳定电流（峰值）：

125kA。

（6）额定热稳定电流及其持续时间：

50kA，3s：

（7额定工频耐受电压值：

1）相对地1min有效值为680kV；

2）断口间1min有效值为680+318Kv；

3）零表压下相对地5min为1.3×550/√3kV

（8）额定雷电冲击耐受电压值：

1）相对地（1.2/50µs）峰值为1050kV；

2）断口间（1.2/50µs）峰值为1050+450kV。

（9）额定操作冲击耐受电压值：

1）相对地（250/2500µs）峰值为1050kV；

2）断口间（250/2500µs）峰值为1050+450kV。

（10）控制回路（直流）电压220V。

（11）信号系统（直流）电压48V。

（12）电热器回路交流电压：

50Hz，380V/220V。

（13）工频过电压下，允许持续运行时间：

1）允许持续时间为1s、20s、10min、20min、60min；

2）过电压的倍数为2、1.6、1.45、1.4、1.3。

2.SF6气体参数

（1）SF6气体的质量标准，按现行国家标准执行。

（2）额定工作气压（20℃）表压：

4096kPa。

（3）最高工作气压（20℃）表压：

410kPa。

（4）最低工作气压（20℃）表压：

390kPa。

（5）报警信号气压（20℃）表压：

390kPa。

（6）年漏气率：

不大于1%/年。

（7）SF6气体水分含量（体积比）：

1）断路器室不大于150ppm；

2）其他气室不大于250ppm。

3.绝缘子的技术参数

（1）绝缘子的局部放电试验电压：

1.1×550/√3kV。

（2）绝缘子的每个元件的放电量不大于3pC，每个完整的三相间隔不大于10pC（微微库）。

（3）各气室的盆型绝缘子应能经受住额定短路电流产生的机械效应和热效应，以及电弧效应；并能长期承受一边真空，一边为额定气体的压力。

4.断路器的技术参数

（1）额定电压：

550Kv。

（2）最高工作电压：

550kV。

（3）额定频率：

50Hz。

（4）额定电流：

4000A。

（5）额定操作顺序：

分—0.3s—合分—180s—合分。

（6）断开数：

2断口。

（7）断开时间：

1）固有开端时间不大于25ms；

2）全开断时间不大于45ms。

（8）合闸时间：

不大于990ms。

（9）重合闸无电流间隔时间：

0.3s。

（10）合分时间：

不大于50ms。

（11）合分闸不同期时间：

1）相与相：

合闸5ms；分闸2ms；

2）同相断口间：

合闸3ms；分闸2ms。

（12）额定工频1min耐受电压：

1）相对地（峰值）为680kV；

2）断口间（峰值）为≥800kV。

（13）额定操作冲击耐受电压（250×2500µs）

1）相对地（峰值）为1050kV；

2）断口间（峰值）为1050+450kV。

（14）额定雷电冲击耐受电压（全波1.2×50µs）：

1）相对地（峰值）为1050kV；

2）断口间（峰值）为1050+450kV。

（15）额定短路开断电流：

50kA。

（16）首相开断系数：

1.3。

（17）近区故障开断能力：

近区故障时，断路器应能开断额定开断电流的交流分量。

1）90%的电流：

恢复电压速度9kV/µs；

2）75%的电流：

恢复电压速度7.5kV/µs；

3）60%的电流：

恢复电压速度6kV/µs。

（18）额定热稳定电流（峰值）：

50kA，3s。

（19）额定动稳定电流（峰值）125kA。

（20）额定关合电流（峰值）125kA。

（21）反相开断能力：

1）断开间的工频恢复电压为a×550/√3kV；

2）开断电流为20kA；

3）振幅系数为1.3；

4）恢复电压速度为1.5kV/µs；

5）试验操作循环为2×分+3×分合。

（22）并联开断能力：

断路器应能开断与相邻断路器，按额定电流的：

10%/90%；20%/80%；30%/70%；50%/50%分配的短路电流时：

1）恢复电压速度为2kV/µs；

2）电流分配允许偏差＜5%；

3）两台断路器的开断时差为1～3ms；

4）试验的操作循环次数为5个单分。

（23）失步开断能力：

1）开断额定短路电流值为25%～40%；

2）断口的工频恢复电压值为2.5×550/√3kV。

（24）切合空载变压器试验：

1）变压器空载励磁电流值为0.5～15A；

2）试验电压值为550kV；

3）操作顺序和次数为三相10次合分；

4）操作机构的油压值为最高油压；

5）切断变压器容量为a×340MVA；

6）过电压倍数不超过a×√3×550/√3kV。

（25）切空载长线路：

1）试验电压值为1.3×550/√3kV；

2）操作顺序和次数为分—0.3s—分合10次；

3）空载电流值为500A；

4）要求在上述条件下，断路器在试验过程中不发生重击穿。

（26）无线点干扰试验：

均压电容工频耐压在a×550/√3kV下，加压120min后，降低试验电压值1.1×550/√3kV后的放电量要小于5pC。

（27）不需要维修的操作次数：

1）100%开断短路电流次数为15次；

2）50%开断短路电流次数为60次；

3）100%开断额定电流次数为3000次。

（28）合闸电阻特性：

1）合闸电阻值为400Ω/相；

2）合闸电阻的额定接入时间为9+2-1ms；

3）允许最大过电压倍数小于2倍；

4）4次连续合闸操作后，电阻器的施加电压值和需要冷却的时间：

电压值在1.3×550/√3kV电压下3min；

5）在180步失条件下，完成二次合分后，电阻器的施加电压值和需要的冷却时间：

电压值在2.5×550/√3kV电压下15min。

（29）操作机构的特性：

1）型式为液压式；

2）控制方式为单相操作；

3）操作机构合闸回路的额定参数：

直流电压为110V或220V；每相分闸线圈数量为2个；分闸回路的电动机电压为380V/220V；

4）操作机构合闸回路的额定参数：

直流电压为110V或220V；每相分闸线圈数量为2个；分闸回路的电动机电压为380V/220V；

5）加热器回路的电压为交流220V；

6）液压油的牌号，物理化学性能在-10℃～-50℃范围内应无变化；

7）断路器的操作机构的寿命不少于6000次。

（30）气体断路器的压力范围：

1）最高压力为700kPa；

2）正常压力为620kPa；

3）最低压力为600kPa；

4）报警压力为600kPa；

5）闭锁压力为600kPa；

（31）断路器内SF6气体允许的含水量：

1500ppm（体积比）。

（32）噪音水平：

不大于80dB（分贝）。

5.隔离开关

（1）隔离开关型式：

1）单相操作机构；

2）手动和电动均可操作；

3）操作机构的辅助触点：

常开触点四对，常闭触点四对，上述触点容量不小于40A。

（2）额定电压：

500kV。

（3）最高运行电压：

550kV。

（4）额定频率：

50Hz。

（5）额定电流：

2000A。

（6）额定短路开断电流和时间：

50kA，3s。

（7）额定动稳定电流：

125kA。

（8）额定热稳定电流：

50kA。

（9）分、合闸时间：

不大于15s。

（10）分、合闸平均速度：

200mm/s。

（11）额定绝缘耐受水平：

1）额定工频1min耐受电压