气体绝缘金属封闭开关设备_上_

大众用电2008/7 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(GIS)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SF6气体的金属外壳之内而形成的组合电器。 1 GIS结构特点 1.1 GIS的优势 GIS使用压缩的SF6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 420kV变电站而言,GIS与敞开式设备占地面积之 比为1∶8。(2)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)SF6气体的耐压强度比空气高得 多,而且它无嗅,不易燃。 1.2 GIS的安装方式 GIS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GIS在世界已运行20多年,都取得令人满意的效果。 在日本,大多数GIS安装在户外,没有任何保护的建筑 物,并于1969年正式投运。日本是世界上使用 GIS最多的国 家。在英国,GEC和 Reyrolle公司的 GIS于 1976年也用于户 外。但近年来,在英国出于技术经济等原因,有将 GIS装于户 内的倾向,以减少环境对它的影响。在我国,GIS户外、户内 2 种安装方式都有。 户外GIS产品,可为用户省去建造建筑物的大笔费用。 1.3 GIS的布置 GIS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GIS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 145kV以下及 220~800kV2种不同 GIS 间隔的布置。 1.4 GIS的壳体 GIS的壳体对整个GIS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 ms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 30%,因而 不易发生故障。同时由于SF6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252kV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 GIS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GIS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 BB 隔离开关 ES ES ES CB TA TV 图1 双母线系统馈线间隔的单间隔接线图 BB—双母线 CB—断路器 TA—电流互感器 ES—接地开关 TV—电压互感器 绝缘 1 1 7 6 5 432 图2 145kV三相共筒式典型GIS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 39 专家讲堂Experts′Platform ▲▲▲ ● 栏 目 编 辑/ 梁 学 造 大众用电2008/7 此,新一代GIS外壳向轻型铝合金外壳方向发展。 1.6 SF6气体压力 从SF6绝缘气压力看,GIS有2种基本的设计:高压力GIS (约在0.5~0.6MPa)和低压力GIS(约在0.12MPa)。对于72.5kV 及以下,适用低压力GIS设计;而对于更高电压级,高压力GIS 的优势占上风。 SF6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SF6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SF6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SF6气体的气压,使之不因高压力SF6 气体的缺点凸现而减小设计的经济性。 同样,对于126kV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 SF6气体压力时另一个重要考虑是出现漏气时对 GIS性能的影响。漏气会使SF6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GIS中,当 SF6气体额定压力约为0.4MPa时,严重漏气时会使压力下降 至0.1MPa,结果造成绝缘强度及 BIL(基本冲击水平)下降到约 为额定值的 75%。另一方面,对低压力(额定压力 0.12MPa)来 说,同样的泄漏会使绝缘强度劣化15%。 1.7 导体系统 GIS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 GIS中对高压导体起物理支持作用,并对 GIS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 SF6介质中,会使 SF6通道中的电 场分布发生畸变。在 GIS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(kV/m)。 (2)支撑件影响 GIS的短时特性(如绝缘强度),这里有许多 因素。 2 GIS基本组成元件 GIS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GIS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 SF6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。 20世纪末,SF6断路器已达到 550kV63/50kA单断口水 平,从而开发出550kV63/50kA单断口GIS和1100kV50kA 双断口GIS。由于断口的减少,使 GIS大大小型化。在 126～ 252kV电压等级,由于采用三相共筒式和复合式结构,使之 GIS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 ABB公司产 品,而且配国内一些产品。 液压弹簧操动机构主要有 AHMA型和 HMB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AHMA型 的所有元件装于铸造缸体内,围绕缸体形成圆形布置,而 HMB型则为集装板块结构,布置灵活方便。目前,ABB公司用 这种液压弹簧操动机构装备它的 LTB型户外断路器、EIK型 GIS断路器、HG及HEC型发电机断路器、PM及 PASS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 126～ 252kV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AIstom公司的FK-3系列弹簧操动机构)、扭 簧机构(如三菱公司的BM-2型弹簧操动机构)、碟簧机构(如 ABB公司的HMB型液压弹簧操动机构)。 电动机操动机构是 ABB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。ABB公司已将这种机构用于它的有关断路 器中。 图3 220~800kV超高压单相式GIS间隔剖面图 1 2 3 2 1 3 4 8 9 765 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—SF6/空气套管 40 Experts′Platform专家讲堂 ▲ ▲ ▲ ● 栏 目 编 辑/ 梁 学 造 大众用电2008/7 2.2 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 GIS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126~252kVGIS产品已普遍将以往 GIS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126kVGIS已全部采用3工位隔离/接地开 关,而252kVGIS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GIS尺寸,使之小型化。(2)减少 了GIS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GIS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GIS 中,3个电压互感器位于1个壳体内。电压互感器也可设计为 1个与电子放大器连接的低电容分压器。内部导体和靠近壳体 的同心测量电极被用作为高压电容器。这种设计仅适用于超 高压系统。 2.5 电流互感器 在单相式GIS中,电流互感器的铁心位于壳体的外侧,确 保壳体和导体之间的电场完全不受干扰。壳体内的返回电流 被绝缘层隔断。图8示出单相壳体布置。 在三相共筒 GIS设计中,电流互感器的铁心一般在壳 体内。 近年来,高压互感器取得巨大的进步,从电磁式走向光电 电子式。高压互感器也变成了传感器。这种新型传感器尺寸 小,数字输出,能满足保护和计量要求,不受温度、振动和电磁 干扰的影响。相比电磁式互感器,它不含铁心,无磁饱和及铁 磁谐振,暂态响应范围大,测量精度高,体积小,重量轻,易于 1 2 3 4 5 2 6 7 8 9 1—壳体 2—间隔绝缘子 3—静触头 4—静触头屏蔽 5—动触头 6—齿轮齿条传动装置 7—触头支架 8—绝缘操作杆 9—驱动电动机 图4 GIS隔离开关 图5 一种旋转式三工位隔离/接地开关示意图 中性点位置 隔离开关闭合 接地开关闭合 图6 一种插入式三工位隔离/接地开关结构图 图7 GIS电压互感器 1 2 3 4 5 6 7 1—盆式绝缘子 2—高压连接 3—屏蔽罩 4—高压绕组 5—二次绕组 6—铁心 7—壳体 图8 GIS电流互感器 4 2 3 1 5 6 7 1—铁心单元 2—壳体 3—盖 4—高压导体 5—二次连接 6—绝缘层 7—短接棒 SF6室 波克晶体 均压 电极 GIS间隔连接 图9 一种波克电压传感器 ● 栏 目 编 辑/ 梁 学 造 41 专家讲堂Experts′Platform ▲▲▲ 大众用电2008/7 实现电子计量和保护的数字化、微机化和自动化。 这种传感器已用于GIS,AIS,GCBT和GCBP中。作为电压 传感器,有电容分压器和波克传感器。图9示出利用波克晶体 的电压传感器,它已被 ABB公司用于 GIS中。作为电流传感 器,有罗柯夫斯基传感器、法拉第效应传感器。图10示出ABB 公司研制的法拉第效应电流传感器。 2.6 避雷器 SF6避雷器的主要元件如同普通避雷器,但它结构很紧 凑,火花间隙元件密封,与大气隔绝。整个避雷器用干燥压缩 气体绝缘,使性能高度稳定。因此,有可能使用配较低火花放 电电压的避雷器,它对系统的保护提供了足够的裕度。相比普 通避雷器,可减小放电电压10%。 在SF6绝缘避雷器中,金属接地部分与带电部分靠得很 近,因此,要特别注意补偿电压沿避雷器元件的非线性分布。 这点在其设计中达到(如用金属罩)。图11示出1台120kV避 雷器。当额定电压更高的避雷器时,在金属罩的某些点上要附 加多个均压环。当然,SF6避雷器可集成在GIS任何所需部位, 视其保护要求而定。 避雷器也有了很大发展,如研制出高电位梯度 ZnO(氧化 锌)避雷器。这种避雷器可使GIS小型化、轻量化和布置更加 灵活。日本已将这种高电位梯度ZnO避雷器用于154～800kV GIS中。 日本使用输电线路避雷器的数量为世界之最。因此,日本 也就特别关心避雷器的研发。日本于20世纪90年代中期推 出高电位梯度ZnO避雷器。高电位梯度ZnO避雷器的电位梯 度为400V/mm,是普通的2倍。普通电阻元件的晶粒平均直径 约为 20μm,而高电位梯度 ZnO电阻元件的晶粒平均直径约 为10μm。ZnO元件的电压———电流特性取决于ZnO晶粒的边 界层。ZnO晶粒越小,单位元件长度的晶粒边界层数量越多, 从而提高了元件的电压。这样就可减少避雷器所需元件数(可 减少一半),从而简化了结构,降低了高度,减轻了重量,提高 了安装灵活性及可靠性。 高电位梯度 ZnO避雷器已作为主流产品被广泛使用,其 使用高电位梯度ZnO避雷器的总数约为5450单元。使用6年 来,未发现有损坏。该避雷器已从配电到500kV输电系统成系 列。约有 1600单元的避雷器用于国外 145kV及以上的 GIS 中,高电位梯度 ZnO避雷器于 1997年 12月首次用于 154kV GIS中。使用于输电系统的避雷器总计3850单元,其中500kV 系统为 175单元。高电位梯度 ZnO避雷器现已用于 800kV GIS中。 2.7 套管 架空线或所有空气绝缘件用空气/SF6气体套管连至 GIS。这些套管使用电容均压,并被间隔绝缘子分成2个独立 的隔室。 被瓷绝缘子包围的间隙,充有略高于大气压的SF6气体。 如果电瓷受损,就可将风险减至最小。在间隔绝缘子开关设备 侧的气隙中,亦充同样压力的SF6气体。充油电容套管亦可用 于高压,即将GIS直接连至变压器。 2.8 电缆终端 各种类型的高压电缆,均可通过电缆终端盒连至SF6开关 设备。它包括带连接法兰的电缆终端套管、壳体及带有插接头 的间隔绝缘子。气密套管将SF6气室与电缆绝缘介质分开。连 至GIS的一个完整XLPE电缆终端,具有尺寸小且热特性更好 的优势。 2.9 母线 各间隔通过各自封闭的母线直接连接,或通过延伸模块 连接。有的做成母线模块,包括 1个 3工位开关,也可以和 1 个母线侧的接地开关(插入式)的功能组合。 封闭母线在结构上有单相式和三相式。三相共筒式结构 已做到550kV电压级(如日本)。 2.10 气体密度监视装置 SF6气体绝缘开关设备的绝缘强度及SF6断路器的开断能 力,与气体密度有关。因为压力随温度而变,故要监视气体密 度。为此要使用密度监视装置。由间隔绝缘子分隔的每个独立 气室,必须有各自的密度监视装置。 密度监视装置可按工作原理、结构形式、安装方式分类。 (1)按工作原理分为:有指针和有刻度或数字的密度表; 带电触点或能实现控制功能的密度继电器。 (2)按结构型式分为:弹簧管式;波纹管式;数字式。 (3)按安装方式分为:径向安装;轴向安装;其他安装方 式。 SF6气体密度监视装置用在 GIS中,它本身也可能成为一 个漏点,因此要求SF6气体密度监视装置的漏气率不大于10- 9Pa·m3/s。 密度的控制是通过监控SF6气压来实现的。 图10 一种法拉第效应电流传感器(MOCT) 1 2 4 5 9 8 7 6 3 1—检偏器 2—传感器中的电流路径 3—起偏器 4—一次导体 5—法拉第传感器 6—透镜 7—光纤 8—检测器 9—光源 1 2 3 4 5 6 7 8 2 9 10 11 1—支撑和间隔绝缘子 2—SF6气体接头 3—高压接头 4—防爆膜盒连接 5—电场控制罩 6—金属包壳 7—绝缘管 8—压力表 9—绝缘件 10—接地 11—N2气体接头 图11 GIS用120kV封闭式避雷器 42 ● 栏 目 编 辑/ 梁 学 造 Experts′Platform专家讲堂 ▲ ▲ ▲