气体绝缘电力设备GIS

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1、气体绝缘电力设备,2,“GIS” 地理信息系统 (Geographic Information System) 气体绝缘金属封闭式组合电器 (Gas-insulated switchgear) 气体绝缘变电站 (Gas-insulated substation) 气体绝缘电力设备 (Gas insulation system) 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SF6 GIS),GIS的意思是,3,GIS设备的技术变迁,1900法国 H. Moiss

2、an和P. Lebeau首次合成SF6 1937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GCB 1956美国 制造第一台GIT 1967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

3、起源,4,高电压化 GIS 72kV550kV 1100kV,GIS技术的发展,日本1968年投运的72 kV GIS,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,6,IEEE Substations Committee,体积： 145 kV GIS 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

4、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,9,GIS设备的优点,体积小 0.1 MPa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 (500 kV的GIS只有敞开式电器的1/50左右大小),敞开式变电站(72 kV-1200 A, 215 MVA),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

5、,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,11,GIS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300km GCB,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

6、%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(72 kV-1200 A, 215 MVA),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

7、,城市征地困难 水电站的升压变电站,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,13,GIS的应用：,气体绝缘金属封闭式组合电器,14,1: 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 = 2.7,r0/rs = 0.55 rc/rs = 0.167,因为分支出线的缘故，三相封闭式母线的导体布置

8、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，

9、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

10、,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,27,GIS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

11、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,

12、 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(520 ns) 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0.1-10 MHz 幅值并不高，很少到达2.0 p.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-insulated Metal-enclosed Transmission Line) 与气体绝缘金属封闭式组合

13、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10 mm-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,36,GIL的组成： 直线单元、转角单元、补偿单

14、元、隔离单元以及套管,气体绝缘输电管道,37,Siemens公司提供的GIL组件示意图,CGIT Westboro公司提供的GIL组件示意图,气体绝缘输电管道,38,GIL与GIS母线的主要区别：, GIS母线通常较短，而GIL长度一般超过100 m。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。 GIS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6 m，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。 GIS母线的中间导体一般使用螺

15、纹与盆式绝缘子连接，而GIL的中间导体连接大量采用焊接。 需要改变走向时，GIS母线段的转弯角度一般为90 ，而GIL的转弯相对比较自由，转角单元的角度一般在85 178 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。 GIS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：,与充油电缆相比，GIL的电容量较小 1/4 与电缆相比，GIL的传输容量大 截面超过10000 mm2，电流达到8000 A，传输

16、容量4000 MVA GIL的电能损耗小 每米100-200 W 适用于高落差场合 有垂直落差305 m的敷设实例 GIL的可靠性极高、无火灾风险(50年) 与架空线路相比，GIL的主要优点是占地少 GIL无电磁干扰问题 不可能直接受到雷击 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,40,GIL的使用场合, 用于发电厂内连接高压变压器和高压开关设备 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 用于连接GIS和架空输电线 用于连接两个GIS 用于两段架空输电线交叉时 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 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200 km-300 km，电压等级为138 kV-1200 kV。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,