气体绝缘金属封闭开关设备_上_.pdf

大众用电2 0 0 8 / 7高中压开关技术( 5 )●西安高压电器研究所有限责任公司李建基气 体 绝 缘 金 属 封 闭 开 关 设 备(上 )气体绝缘金属封闭开关设备(G I S) 是将变电站内除变压器以外的一次元件诸如罐式的断路器、 隔离/接地开关、 电流互感器、 电压互感器、 避雷器等集成为一体, 封闭于充有一定压力S F6气体的金属外壳之内而形成的组合电器1 G I S结构特点1 . 1 G I S的优势G I S使用压缩的S F6气体, 克服了常规敞开式开关设备的 许多限制它具有如下优势: (1) 大大减小了开关设备的占地面积, 如对4 2 0 k V变电站而言,G I S与敞开式设备占地面积之比为1 ∶ 82) 完全不受大气条件的影响, 如工业区的污秽、 沿海区的盐雾及被污染的气候3) 提供了高度的运行可靠性和人身安全4) 容易安装在那些现场受限制的地方( 如地面不牢固或地震活跃的地区) (5)S F6气体的耐压强度比空气高得 多, 而且它无嗅, 不易燃1 . 2 G I S的安装方式G I S有2种型式: 户外型和户内型这2种类型结构基本相同, 只是户外型需要附加防气候措施, 以适应户外环境。

这2种型式的G I S在世界已运行2 0多年, 都取得令人满意的效果在日本,大多数G I S安装在户外,没有任何保护的建筑物, 并于1 9 6 9年正式投运日本是世界上使用G I S最多的国家在英国,G E C和R e y r o l l e公司的G I S于1 9 7 6年也用于户外但近年来, 在英国出于技术经济等原因, 有将G I S装于户内的倾向, 以减少环境对它的影响在我国,G I S户外、 户内2种安装方式都有户外G I S产品, 可为用户省去建造建筑物的大笔费用1 . 3 G I S的布置G I S按变电站的接线方式, 可分为单母线、 双母线、 单( 双)母线分段、 桥形接线、11 / 2断路器接线等在G I S中, 所有带电部分封闭在充气壳体内, 壳体分成许多独立隔室 这样可使需维护或检修的隔室隔离, 而其他隔室仍处于气压状态之下图1示出双母线系统的单间隔接线图图2和图3分别示出1 4 5 k V以下及2 2 0 ~ 8 0 0 k V2种不同G I S间隔的布置1 . 4 G I S的壳体G I S的壳体对整个G I S构成电气上的集成和接地, 既有三相共筒式也有单相式。

三相共筒式壳体设计的优势如下:(1) 每个馈线需要的壳体数量少(1 / 3) 2) 在三相共筒式结构中, 相对地电弧在几m s内因导体之间间隙气体被电离而发展成相-相故障, 同时相对地电弧熄灭, 这样壳体就不会被烧穿同时罐体上基本无电磁感应电流流过, 也几乎没有因涡流引起能量的损失3) 对同一参数而言( 电压水平、 导体大小、 相间距离和相-地距离) 三相共筒式中电场强度比单相减小约3 0 %, 因而不易发生故障同时由于S F6气体密封面和结合面减少, 仅为 三相分相式的1 / 3, 故大大减少了漏气概率4) 由于省去了断路器、 隔离开关和接地开关的相间复杂的连杆和连接件, 这就简化了操动系统三相共筒式壳体用于2 5 2 k V以下电压等级,而更高电压等级需用分相式结构1 . 5壳体材料G I S壳体用的材料有铝和钢2种 但是钢在单相壳体的使用, 被限制于较小电流系统, 因为存在环流和涡流, 使壳体内产生电损耗和热损耗在高压力三相共筒式和单相式G I S中,钢的主要缺点是不易成型, 难以焊接成相同的均匀形状, 而用铝铸壳对于给定气压和导体结构,能保证最佳场强分布因B B隔离开关E SE SE SC BT AT V图1双母线系统馈线间隔的单间隔接线图B B—双母线C B—断路器T A—电流互感器E S—接地开关T V—电压互感器绝缘11765432图2 1 4 5 k V三相共筒式典型G I S剖面图1—母线及组合式隔离/接地开关2—断路器3—电流互感器4—电压互感器5—组 合 式 隔 离/接地开关6—快速接地开关7—电缆终端单元3 9专 家 讲 堂E x p e r t s ′ P l a t f o r m▲▲▲● 栏 目 编 辑/梁 学 造大众用电2 0 0 8 / 7此, 新一代G I S外壳向轻型铝合金外壳方向发展。

1 . 6 S F6气体压力 从S F6绝缘气压力看,G I S有2种基本的设计: 高压力G I S ( 约在0 . 5 ~ 0 . 6 M P a) 和低压力G I S( 约在0 . 1 2 M P a) 对于7 2 . 5 k V及以下, 适用低压力G I S设计; 而对于更高电压级, 高压力G I S的优势占上风S F6气体压力越高, 则绝缘强度越高因而对于给定电压 等级来说, 可减小所需的导体间距, 使之设计更加紧凑另一方面, 绝缘强度的提高比压力提高速率缓慢其理由是S F6气 体在高压力下对导体和壳体表面的粗糙度和污秽的敏感性增加, 反而会降低产品的可靠性, 而且增加维修工作量随着气压的增高, 要使提高的压力得到充分利用, 需要使电场分布均匀因之, 对于增高S F6气压来说, 必须确保导体、 元件及壳体 的形状均匀由以上可知, 应限制S F6气体的气压, 使之不因高压力S F6 气体的缺点凸现而减小设计的经济性同样,对于1 2 6 k V及以上电压等级来说,将压力限制太低, 会使壳体变大, 生产成本增加, 材料消耗加大, 以及建筑物扩大, 从而也降低了设计的经济性选择S F6气体压力时另一个重要考虑是出现漏气时对 G I S性能的影响。

漏气会使S F6气体压力自行下降, 这就意味 着减小了乃至整个开关设备的绝缘强度在高压力G I S中, 当S F6气体额定压力约为0 . 4 M P a时,严重漏气时会使压力下降 至0 . 1 M P a ,结果造成绝缘强度及B I L (基本冲击水平)下降到约为额定值的7 5 %另一方面, 对低压力(额定压力0 . 1 2 M P a )来说, 同样的泄漏会使绝缘强度劣化1 5 %1 . 7导体系统G I S导体一般为铝管, 其直径和壁厚取决于电压和额定电流铜弹簧触指构成触头插座, 铜插件构成触头插头触头表面镀银, 并将触头焊到铝导体上导体系统连同支持绝缘子必须精心设计, 使之能耐受正常工作和短路条件下的电、 热和机械负荷1 . 8固体绝缘支撑件固体绝缘件在G I S中对高压导体起物理支持作用, 并对G I S起操作作用 它们有各种形状, 诸如盘形、 锥形和支持件固体绝缘材料置于压缩的S F6介质中,会使S F6通道中的电 场分布发生畸变在G I S中用支撑件引起的严重问题如下:(1) 支撑件因固体材料老化限制了系统的电压梯度(k V/ m) 2) 支撑件影响G I S的短时特性( 如绝缘强度) , 这里有许多因素。

2 G I S基本组成元件G I S的基本元件包括断路器、 隔离开关、 接地开关、 电压和电流互感器、 避雷器、 套管( 电缆终端) 、 母线及密度监视装置等2 . 1断路器断路器是G I S的中心元件, 由灭弧室及操动机构组成灭弧室封闭在充有一定压力的S F6气体壳体内断路器按灭弧 原理可分为: 压气式、 热膨胀式和混合式所配操动机构有液压、 气动、 弹簧及液压弹簧机构2 0世纪末,S F6断路器已达到5 5 0 k V 6 3 / 5 0 k A单断口水 平,从而开发出5 5 0 k V6 3 / 5 0 k A单断口G I S和1 1 0 0 k V5 0 k A双断口G I S由于断口的减少,使G I S大大小型化在1 2 6 ～2 5 2 k V电压等级,由于采用三相共筒式和复合式结构,使之G I S小型化和轻量化 由于灭弧室利用热膨胀和混合式灭弧原理, 使之操作功大为减小, 使轻型弹簧机构的应用成为可能作为断路器的操动机构, 有液压机构、 气动机构、 弹簧机构、 液压弹簧机构及电动机机构液压、 气动和液压弹簧机构配用于高电压大容量断路器目前液压弹簧操动机构使用较多,不仅配A B B公司产品, 而且配国内一些产品。

液压弹簧操动机构主要有A H M A型和H M B型2种其基本原理相同,都采用弹簧作为储能元件,液压作为操作元件, 将液压与弹簧的优势集于一体在结构上, 两者均采用集装结构, 无外接管路, 结构紧凑两者最大的差别是A H M A型的所有元件装于铸造缸体内,围绕缸体形成圆形布置, 而H M B型则为集装板块结构, 布置灵活方便目前,A B B公司用这种液压弹簧操动机构装备它的L T B型户外断路器、E I K型G I S断路器、H G及H E C型发电机断路器、P M及P A S S型等罐式断路器弹簧操动机构和电动机操动机构目前主要用于1 2 6 ～2 5 2 k V电压等级弹簧机构按采用的弹簧形式分类, 有螺旋压缩弹簧机构 ( 如A I s t o m公司的F K - 3系列弹簧操动机构) 、 扭簧机构( 如三菱公司的B M - 2型弹簧操动机构) 、 碟簧机构( 如A B B公司的H M B型液压弹簧操动机构) 电动机操动机构是A B B公司最新推出的一种新型操动机构它完全不同于液压、 气动和弹簧操动机构在这种机构设计中, 用具有足够转矩的电动机直接操动断路器, 而电动机由电子器件控制。

A B B公司已将这种机构用于它的有关断路器中图3 2 2 0 ~ 8 0 0 k V超高压单相式G I S间隔剖面图123213 489765绝缘1—母线2—母线隔离开关3—维修接地4—快速接地开关5—断路器6—电流互感器7—隔离开关8—电压互感器9—S F6/空气套管4 0E x p e r t s ′ P l a t f o r m专 家 讲 堂▲▲▲● 栏 目 编 辑/梁 学 造大众用电2 0 0 8 / 72 . 2隔离开关隔离开关由绝缘子壳体和不同几何形状的导体构成最佳布置, 如图4所示铜触头用弹簧加载, 使隔离开关具有高的电性能和机械可靠性隔离开关必须精心设计和试验, 使其能开断小的充电电流, 而不会产生太高的过电压, 否则会发生对地闪络隔离开关和接地开关的操动机构对大多数G I S为同一设计其主要特点是电动或手动操作,电气联锁以防误操作, 且终端位置可机械联锁2 . 3接地开关通常用的接地开关有2种型式:故障检修用接地开关和快速关合接地开关故障检修用接地开关用于变电站内作业时保护目的, 只有在高压系统不带电情况下方可操作快速接地开关可在全电压和短路条件下关合快速关合操作靠弹簧合阐装置来实现。

国外新一代1 2 6 ~ 2 5 2 k VG I S产品已普遍将以往G I S中隔离开关和接地开关2个独立元件合并为1个隔离/接地开关组合元件隔离/接地开关组合元件包含: (1)隔离开关合闸-接地开关分闸; (2) 隔离开关分闸-接地开关分闸; (3) 隔离开关分闸-接地开关合闸3种工作位置组合,因此称为3工位隔离/接地开关 其中1 2 6 k VG I S已全部采用3工位隔离/接地开关, 而2 5 2 k VG I S部分采用了3工位隔离/接地开关3工位隔离/接地开关有2种结构型式: 旋转式( 见图5) 和插入式( 见图6) 综上所述,由于隔离/接地开关组合元件共用1个活动导电杆( 片) , 用1个操动机构, 故具有如下优点: (1) 由于两者组合在一个气室内, 大大缩小了G I S尺寸, 使之小型化2) 减少了G I S操动机构数量, 减少了操作和维护工作量, 方便运行和检修3) 从原理上解决了隔离开关与接地开关之间的联锁问题, 取消了以往隔离开关与接地开关之间复杂的联锁回路不会发生带地线合刀闸的事故, 大大提高了G I S运行可靠性2 . 4电压互感器大多数电压互感器为感应型( 见图7) 。

在三相共筒式G I S中,3个电压互感器位于1个壳体。