氣體絕緣電力設(shè)備GIS

1、1氣體絕緣電力設(shè)備2“GIS”“GIS”地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng) (Geographic Information System)(Geographic Information System)氣體絕緣金屬封閉式組合電器氣體絕緣金屬封閉式組合電器 (Gas-insulated switchgear) (Gas-insulated switchgear) 氣體絕緣變電站氣體絕緣變電站 (Gas-insulated substation)(Gas-insulated substation)氣體絕緣電力設(shè)備氣體絕緣電力設(shè)備 (Gas insulation system)(Gas insulation s

2、ystem) SFSF6 6斷路器斷路器 (GCB)(GCB) 氣體絕緣金屬封閉式組合電器氣體絕緣金屬封閉式組合電器 (GIS) (GIS) 氣體絕緣輸電管道氣體絕緣輸電管道 (GIL/GIC)(GIL/GIC) 氣體絕緣變壓器氣體絕緣變壓器 (GIT)(GIT)“氣體氣體”六氟化硫六氟化硫 (SF(SF6 6) )、干燥壓縮空氣干燥壓縮空氣( (非非SFSF6 6 GIS) GIS)GIS的意思是3GIS設(shè)備的技術(shù)變遷1900法國 H. Moissan和P. Lebeau首次合成SF61937美國 GE公司的E. E. Charlton和F. S. Cooper發(fā)現(xiàn)了SF6的高絕緣耐力193

3、8F. S. Cooper 申請了SF6應(yīng)用于電力設(shè)備的美國專利1939S. O. Greenlee 開發(fā)了制造環(huán)氧樹脂的方法1953美國 WH公司的H. J. Lingal申請了GCB專利1955美國 WH公司制造第一臺GCB1956美國 制造第一臺GIT1967德國和瑞士 第一臺GIS開始運行1975德國 第一條GIL/GIC國內(nèi)60年代 開始研制六氟化硫絕緣電氣設(shè)備80年代 大量的SF6電氣設(shè)備引進和研制成功GIS技術(shù)的起源4高電壓化GIS 72kV550kV 1100kVGIS技術(shù)的發(fā)展日本1968年投運的72 kV GIS超高壓GIS試驗場GIS設(shè)備的技術(shù)變遷5小型化、提高可靠性GI

4、S設(shè)備的技術(shù)變遷6IEEE Substations Committee體積：145 kV GIS 體積下降為原來的30%，使用SF6降為原來的25%?？煽啃裕浩骄鶡o故障時間提高到400-1000年/間隔GIS設(shè)備的技術(shù)變遷7直流GIS的出現(xiàn)日本紀伊水道直流輸電工程中的直流GIS(按照500kV設(shè)計、試驗，目前運行于250kV )GIS設(shè)備的技術(shù)變遷8混合氣體絕緣降低經(jīng)濟成本防止溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球變暖基于設(shè)備狀況的維修管理技術(shù)定時維護 (TBM)基于設(shè)備狀況的維護 (CBM)GIS設(shè)備的技術(shù)變遷9GIS設(shè)備的優(yōu)點體積小0.1 MPa下，SF6的絕緣強度是空氣的大約3倍高壓導(dǎo)體全部封閉在金屬外殼內(nèi)

5、(500 kV的GIS只有敞開式電器的1/50左右大小)敞開式變電站(72 kV-1200 A, 215 MVA) 替代為金屬封閉式組合電器之后 設(shè)置于公園地下的GIS和變壓器10可靠性高 平均無故障時間：400-1000年/間隔 壽命：35-50年 不受惡劣環(huán)境因素(如臺風、鹽堿、地震等)的影響 無火災(zāi)隱患 不污染環(huán)境、對居民友好體積小、可靠性高適用于征地困難的地區(qū)維護工作量小壽命長，全壽命造價低GIS設(shè)備的優(yōu)點11GIS設(shè)備的應(yīng)用GIS設(shè)備使用量的增加GIS全球超過20000間隔(2005年)GIT第一臺69kV、2MVA全球運行的GIT超過10000臺，主要集中在亞太地區(qū)(2003年)G

6、IL第一條700m全球約300kmGCB國內(nèi)的情況(1)至目前，高壓斷路器幾乎全部使用SF6替代絕緣油和空氣介質(zhì)。新建或改造的220kV及以上電壓等級變電站基本全部采用SF6開關(guān)設(shè)備。(2)截止到2000年前，全國電力系統(tǒng)220kV及以上電壓等級斷路器共12162臺。其中，100%的500kV開關(guān)設(shè)備729臺和接近100%的330kV開關(guān)設(shè)備359臺為SF6斷路器和GIS；而在220kV電壓等級，SF6斷路器和GIS已占裝運開關(guān)設(shè)備的約50%60%。(3)國內(nèi)SF6氣體絕緣變壓器的使用量總計已經(jīng)達到數(shù)十臺(分布于北京、上海、香港、深圳、重慶等地)。(4) GIL：南方電網(wǎng)天生橋水電站(500k

7、V)、廣東奧嶺核電站(500kV)、華東電網(wǎng)的瓶窯變(500kV母線分裂改造工程)以及青海省拉西瓦水電站(750kV出線)12氣體絕緣金屬封閉式組合電器氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)的優(yōu)點：敞開式變電站(72 kV-1200 A, 215 MVA) 替代為金屬封閉式組合電器之后 占地面積和空間占有體積小城市征地困難水電站的升壓變電站nUk/10安全可靠人員安全不受氣候影響無火災(zāi)、不破壞環(huán)境電磁兼容性好安裝工作量小，檢修周期長，壽命長1319561966200015001000delivered bays197619961986 300 kV2004 2006500 300 kVMiles

8、tones GISEarly researchFirst 500 kV GISClaireville (CA)First 170 kV GISSempersteig (CH)Largest 500 kV GISItaipu (BR)First 500 kV GIS in China, JiangmenFirst 800 kV GIS Alpha (ZA)500 kV GISThree Gorges (CN) GIS的應(yīng)用：氣體絕緣金屬封閉式組合電器141: 母線2、8: 隔離開關(guān)3、7 : 工作接地開關(guān)4、6: 電流互感器5: 斷路器9: 接地開關(guān)10: 電壓互感器11: 套管避雷器電纜終端控

9、制柜氣體絕緣金屬封閉式組合電器15江蘇無錫華潤變電站氣體絕緣金屬封閉式組合電器16母線單相封閉式母線三相封閉式母線D/d = 2.7r0/rs = 0.55rc/rs = 0.167因為分支出線的緣故，三相封閉式母線的導(dǎo)體布置與氣體絕緣輸電管道不同，內(nèi)導(dǎo)體位于半徑r0的圓周上，位于底部的內(nèi)導(dǎo)體與其它兩相相差90GIL中的電極結(jié)構(gòu)氣體絕緣金屬封閉式組合電器17斷路器合閘滅弧觸頭分離分閘分閘開始單壓式斷路器的開斷過程優(yōu)點是無高壓SF6系統(tǒng)，缺點是分閘時間較長，且需要較大的操動力氣體絕緣金屬封閉式組合電器18斷路器的液壓操動機構(gòu)氣體絕緣金屬封閉式組合電器19隔離開關(guān)a)c)b)d)氣體絕緣金屬封閉式

10、組合電器20隔離開關(guān)一般為推拉式結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)可分電動機、電動機-彈簧機構(gòu)和手動操作。對隔離開關(guān)的要求：應(yīng)具有表示其分、合閘位置的可靠的指示裝置斷口在任何情況下都不能被擊穿，故斷口耐壓要求比對地絕緣電壓高必須能開斷環(huán)流(電流大、恢復(fù)電壓低)必須能分、合感性小電流以及容性小電流氣體絕緣金屬封閉式組合電器21接地開關(guān)工作用接地開關(guān)快速接地開關(guān)工作用接地開關(guān)是用于保證維修人員安全的，常安裝與隔離開關(guān)的兩端氣體絕緣金屬封閉式組合電器22快速接地開關(guān)快速接地開關(guān)應(yīng)具有關(guān)合額定動穩(wěn)定電流的能力。它僅僅在故障的時候工作?？焖俳拥亻_關(guān)的操動機構(gòu)應(yīng)符合交流高壓斷路器標準中有關(guān)操動機構(gòu)的要求。氣體絕緣金屬封閉式組

11、合電器23電壓互感器電磁式電壓互感器電容分壓器氣體絕緣金屬封閉式組合電器24帶電子放大器的電容分壓器氣體絕緣金屬封閉式組合電器25電流互感器采用環(huán)狀鐵芯結(jié)構(gòu)，互感器的初、次級之間的絕緣為氣體絕緣氣體絕緣金屬封閉式組合電器26金屬氧化物避雷器氣體絕緣金屬封閉式組合電器27GIS與其他設(shè)備的連接主要特點: 自清潔硅橡膠傘裙 長爬電距離 SF6氣體絕緣 運行可靠性高 重量輕復(fù)合絕緣套管氣體絕緣金屬封閉式組合電器28主要特點: 長爬電距離 紙浸樹脂 電容屏 免維護 抗震瓷絕緣套管氣體絕緣金屬封閉式組合電器29電纜終端插拔式電纜終端采用插拔式電纜終端，使得GIS的安裝可以與電纜的安裝完全分開，在電纜試驗

12、、檢修時可以直接將電纜終端頭拔出，而不需要打開GIS的SF6氣室。氣體絕緣金屬封閉式組合電器30與變壓器連接套管氣體絕緣金屬封閉式組合電器31外殼GIS的外殼一般為鋼或鋁合金制。它必須能承受一定的壓力，密閉性要好，當GIS內(nèi)部萬一發(fā)生電弧時，必須不被燒穿，而且高溫造成的壓力上升不至于引起爆炸。外殼一般采用焊接或法蘭進行連接。具有絕緣子的法蘭連接法蘭氣體絕緣金屬封閉式組合電器32壓力釋放裝置當壓力釋放裝置動作時，不應(yīng)危害工作人員的安全。電弧造成的壓力升高，也可用來檢測故障位置。氣體絕緣金屬封閉式組合電器33控制柜用于指令輸入、報警和聯(lián)鎖等用途的輔助電氣設(shè)備均安裝在相應(yīng)的就地控制柜內(nèi)。用戶控制保護

13、設(shè)備需要的電壓、電流等信號也是從就地控制柜的端子排上接取ABB的GIS的控制柜氣體絕緣金屬封閉式組合電器34快速暫態(tài)過電壓的問題 波前時間很陡(520 ns)耐電強度高，放電形成時延短 有頻率很高的高頻電壓分量電壓波在GIS中折反射造成0.1-10 MHz 幅值并不高，很少到達2.0 p.u.VFTO的幅值大小與隔離開關(guān)觸頭間電弧重燃電壓大小有關(guān)，也與被開斷的母線上的參與點和的電壓值有關(guān)。危害：引起GIS或相鄰設(shè)備的絕緣故障氣體絕緣金屬封閉式組合電器35氣體絕緣輸電管道氣體絕緣輸電管道(GIL)GIL(Gas-insulated Metal-enclosed Transmission Line

14、) 與氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)的母線結(jié)構(gòu)相似，分單芯式GIL與三芯式GIL，單芯式GIL由同軸結(jié)構(gòu)的外殼和中間導(dǎo)體構(gòu)成；中間導(dǎo)體由導(dǎo)電率較高的鋁合金管構(gòu)成，管壁厚度約為10 mm-20mm，用絕緣子加以固定；外殼為鋁合金或鋼制，厚約為6mm-10mm，通常采用某種辦法接地；管道中一般充以壓縮SF6或SF6/N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)；端部與GIS、變壓器等直接連接或通過套管與其它設(shè)備連接；GIL兩端可設(shè)置金屬氧化物避雷器(MOA)以抑制過電壓；當它被用于較長線路時，可在線路中間安裝隔離開關(guān)，以方便將線路分成幾段進行現(xiàn)場試驗。單芯式GIL與三芯式GIL結(jié)構(gòu)示意圖36GIL的組成：直線單

15、元、轉(zhuǎn)角單元、補償單元、隔離單元以及套管氣體絕緣輸電管道37Siemens公司提供的GIL組件示意圖 CGIT Westboro公司提供的GIL組件示意圖 氣體絕緣輸電管道38GIL與GIS母線的主要區(qū)別： GIS母線通常較短，而GIL長度一般超過100 m。GIS母線段一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多系鑄造而成，GIL結(jié)構(gòu)則相對簡單，比較多地采用擠制成型部件。 GIS母線通常使用盆式絕緣子或者帶孔的盆式絕緣子，絕緣子之間距離一般為6 m，絕緣子安裝在兩個法蘭之間，因此外殼上每隔6米設(shè)一個法蘭。GIL的絕緣子完全處于外殼內(nèi)部，除盆式絕緣子外，大量采用支柱絕緣子，因此外殼多采用焊接連接。 GIS母線的中間導(dǎo)體一

16、般使用螺紋與盆式絕緣子連接，而GIL的中間導(dǎo)體連接大量采用焊接。 需要改變走向時，GIS母線段的轉(zhuǎn)彎角度一般為90 ，而GIL的轉(zhuǎn)彎相對比較自由，轉(zhuǎn)角單元的角度一般在85 178 之間。而且當走向只有微小改變時，可以取消轉(zhuǎn)角單元，利用GIL自身的撓性實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。GIS母線較短，存在導(dǎo)電微粒時容易檢查，通常不專門設(shè)置微粒陷阱以捕獲導(dǎo)電微粒，GIL比較長，安裝地點的環(huán)境條件較不易控制，通常要設(shè)置微粒陷阱。氣體絕緣輸電管道39相對于架空線(OHL)和電纜，GIL的優(yōu)缺點：與充油電纜相比，GIL的電容量較小1/4與電纜相比，GIL的傳輸容量大截面超過10000 mm2，電流達到8000 A，傳輸容量40

17、00 MVAGIL的電能損耗小每米100-200 W適用于高落差場合有垂直落差305 m的敷設(shè)實例 GIL的可靠性極高、無火災(zāi)風險(50年)與架空線路相比，GIL的主要優(yōu)點是占地少 GIL無電磁干擾問題 不可能直接受到雷擊一次設(shè)備投資大一次設(shè)備投資為架空線的5-7倍，電纜的2倍左右，只有在高電壓大容量的情況下才有優(yōu)勢氣體絕緣輸電管道40GIL的使用場合 用于發(fā)電廠內(nèi)連接高壓變壓器和高壓開關(guān)設(shè)備 用于連接處于洞室之中的高壓變壓器和外部的架空輸電線 用于連接GIS和架空輸電線 用于連接兩個GIS 用于兩段架空輸電線交叉時 用于對環(huán)境要求比較高的地區(qū)，如風景名勝區(qū)，或者征地比較困難的地區(qū) 在高電壓、

18、大容量的場合，用作經(jīng)濟的長距離輸電線路氣體絕緣輸電管道41全世界GIL的單相長度大約為200 km-300 km，電壓等級為138 kV-1200 kV。GIL目前主要還是用在架空線受限制的場合，用以替代電纜，隨著征地成本提高，人們對環(huán)境問題的日益重視以及GIL造價的降低，GIL將有可能成為長距離大容量的經(jīng)濟輸電方式。氣體絕緣輸電管道42一些GIL的實例氣體絕緣輸電管道43GIL的一些特殊部件微粒陷阱支撐絕緣子滑動觸頭波紋管 氣體絕緣輸電管道44微粒陷阱和支撐絕緣子(a)三柱式支撐絕緣子(b)盆式絕緣子CGIT Westboro公司的GIL絕緣子氣體絕緣輸電管道45防導(dǎo)電微粒設(shè)計的滑動觸頭氣體

19、絕緣輸電管道46GIL的安裝方式地上安裝電纜溝安裝隧道安裝直埋安裝氣體絕緣輸電管道47第二代GIL的特征采用SF6/N2混合氣體絕緣(20%-80%)采用現(xiàn)場組裝技術(shù)采用管道敷設(shè)技術(shù)氣體絕緣輸電管道48采用軌道焊接機焊接、采用超聲檢測控制焊接質(zhì)量，返工率小于1%，可在狹小的空間內(nèi)進行焊接氣體絕緣輸電管道49GIL的設(shè)計必須依據(jù)國標DL/T 978-2005氣體絕緣金屬封閉輸電線路技術(shù)條件的規(guī)定進行，該標準參考了IEC61640-1998額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣高壓剛性輸電線路技術(shù)報告的內(nèi)容。必須滿足以下幾個條件：絕緣設(shè)計：（1）最高場強的控制（2）導(dǎo)電微粒的起立（3）絕緣子內(nèi)部場強

20、的控制（4）絕緣子表面場強熱性能設(shè)計防地震設(shè)計氣體絕緣輸電管道50氣體絕緣變壓器與傳統(tǒng)的油浸式變壓器相比，氣體絕緣變壓器的優(yōu)點：(1)不燃、不爆，安全性好，特別適用于城市人口稠密地區(qū)和高層建筑的供電。(2)噪聲小于油浸式變壓器(3)重量小于油浸式變壓器(4)SF6氣體不象油那樣會老化，故運行維護工作大大簡化(5)與GIS的連接非常方便與其它無油的防災(zāi)變壓器相比，GIT的主要優(yōu)點：(1)容量大(2)額定電壓等級高(3)對安裝環(huán)境的要求低GIT的主要缺點：(1)與油浸式變壓器相比，過載能力較差(2)沖擊系數(shù)較小，一般在1.25左右，遠低于油浸式變壓器的1.7(3)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)難度大于傳統(tǒng)的油

21、浸式變壓器，價格較高51氣體絕緣變壓器國內(nèi)SF6氣體絕緣變壓器的使用量總計已經(jīng)達到數(shù)十臺(分布于北京、上海、香港、深圳、重慶等地)52氣體絕緣變壓器日本275 kV GIT53氣體絕緣變壓器GIT的絕緣結(jié)構(gòu)匝間絕緣和筒式繞組的層間絕緣絕緣子：O級(90)聚酯薄膜(PET)：E級(120)，100kV/mm聚芳酰胺紙：H級(180)，20-30kV/mm601443/it.E局部放電起始場強與時間的關(guān)系：一般而言，匝間絕緣裕度比較大54氣體絕緣變壓器SF6氣體壓力升高對工頻擊穿場強影響不大，但可以有效提高局部放電的起始場強55氣體絕緣變壓器)1(/ )(1fffgggikdddUU層間絕緣的局部放電其實電壓估計公式：筒式繞組層間邊緣處電廠很不均勻，電極邊緣的電暈起始電壓可用下式表示：5