GIS在南水北調解臺站中的應用

孟廣清 閆世強

（1.江蘇省南水北調解臺站工程管理項目部，江蘇 徐州 221000；2.徐州市水利局，江蘇 徐州 221000）

1 工程概況

解臺站是南水北調東線工程第八級梯級提水泵站，工程位于江蘇省徐州市賈汪區大吳鎮境內。主體工程為“閘站合建”布置形式，其中泵站工程設計流量125m3/s，安裝5臺2900ZLQ32-6型立式全調節軸流泵（含1臺備用），配TL2800-40/3250型同步電機5臺套，電壓等級為10kV，單機設計流量31.5m3/s，單機額定功率2800kW，站裝機容量共14000kW。工程主要任務是擴大解臺泵站的輸水規模，溝通駱馬湖到南四湖的調水線路，實現向北調水的目標，同時也改善該地區的水資源和京杭大運河的航運條件。

解臺泵站配置110kV戶內變電所一座，供電電源采用110kV單回路線路供電，形成線路-變壓器組的接線方式。其高壓配電裝置選用山東泰開集團生產的 ZF10-126/T型三相分箱式氣體絕緣金屬封閉開關設備，布置于副廠房二樓。與傳統敞開式戶外變配電裝置相比，該開關設備具有絕緣滅弧性能好、開斷能力強、檢修周期長、運行可靠性高、安裝迅速及無電磁干擾等優點，因此在南水北調大型泵站中得到了日益廣泛的應用。本文結合GIS在解臺站應用的具體實際，從應用GIS的必要性、安裝的控制要點、在運行管理中應注意的問題以及應用中有待于探討和解決的問題等方面進行較為深入地論述，為大型泵站GIS的運行管理、維護及其它大型泵站變電所的更新改造提供有益的參考。

2 GIS概述

GIS是20世紀70年代初期出現的一種先進的高壓電氣配電裝置，它使變配電的運行和結構發生了巨大的變化，其顯著的特點是集成化、小型化、美觀化和省力化。

GIS是氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas-Insulated-Switchgear)的簡稱，它是將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線、進出線套管或電纜終端等所有高壓電氣元件組合密封在接地的金屬殼體內，并充以0.3～0.5MPa的化學性質不活潑的 SF6氣體作為其絕緣及滅弧介質，從而取代了常規變、配電所以裸導線聯接各種電氣設備而利用空氣、變壓器油作為絕緣的方法，以保證對地和相間以及斷口間的可靠絕緣。解臺站GIS斷路器室 SF6氣體壓力控制≮0.5MPa，報警壓力為0.45MPa，低于其值操作閉鎖；其它氣室壓力控制≮0.4MPa，報警壓力為0.3MPa，低于其值操作閉鎖。

3 應用GIS設備的必要性

大型泵站多處于農村偏遠地區、橫跨河道且環境條件惡劣、空氣質量差（濕度大、粉塵含量超標）等。本文主要通過與傳統的戶外敞開式變電所進行比較，從決定和影響高壓電氣設備正常運行的內因與外因兩個方面對解臺泵站應用GIS設備的必要性進行研究和探討。

3.1 應用GIS設備的內因[1]

（1）SF6氣體的絕緣及滅弧性能因素

SF6氣體是一種良好的負電性氣體，是目前世界上最優良的絕緣及滅弧介質，SF6氣體的壓力與其絕緣及滅弧性能緊密相關，壓力愈高，性能愈強。在一個標準大氣壓（1.01×105Pa）下，其絕緣能力超過空氣的3倍，在3個標準大氣壓下與變壓器油相當；其滅弧能力相當于同條件下空氣的100倍，是變壓器油的13～15倍。

（2）運行可靠性因素

SF6氣體是一種不燃燒、不助燃、無毒的惰性氣體，在溫度高達 500℃的情況下，都具有高度的化學穩定性，在允許運行的溫度范圍內，其對電氣設備中常用的銅、鋁、鋼等金屬材料不起化學作用，在200℃以上時，對銅和鋁的腐蝕也是極其微弱的。GIS在嚴格控制清潔度、真空度及水分的情況下，運行十分穩定可靠。

3.2 應用GIS設備的外因

（1）泵站功能因素

南水北調解臺站是解決我國北方水資源嚴重短缺問題而興建的大型水利基礎設施，肩負著調水、抗旱、除澇、保障城鄉居民用水、改善水資源及生態環境等重任，年平均運行 5000～6000h[2]，對供電的質量和可靠性要求極高，這就決定了泵站的電力負荷性質為一級負荷。泵站高壓變電所是全站的電力供應樞紐，它在電力系統中起著接受和分配電能的重要作用，采用戶外敞開式變配電方式難以滿足以上要求，因此選用穩定可靠的GIS設備勢在必行。

（2）地理環境因素

解臺泵站地處賈汪區大吳鎮工業區內，泵站上下游建有多處煤炭、黃沙碼頭，南鄰虎山、夏莊多個水泥廠，北靠造紙廠、化工廠等，空氣中粉塵含量超標，泵站工程范圍內空氣濕度相對較大，環境條件十分惡劣。

若建設戶外敞開式變電所，大量懸浮于空氣中強腐蝕性的工業粉塵，在風動的作用下附著在電氣設備的表面，再加之潮濕的空氣，強烈地侵蝕電氣設備，縮短設備的使用壽命。如遇上雨霧、雷電天氣，絕緣子閃絡或擊穿，輕則造成供電中斷，重則導致設備損壞。據當地電力部門統計，大吳鎮區域所轄的戶外變電所每年發生的絕緣子閃絡或擊穿事故，70%源于外部環境條件的影響。

GIS將所有開關設備及連接元件均密封在金屬外殼內，基本不受海拔、污穢、鹽霧、雷電等外界環境條件的影響。據我國電力部門統計，GIS配電裝置在運行中的事故普遍少于開敞式開關設備，事故率只有常規的16%～40%，因此可靠性極高。由于其導電部分被外殼屏蔽且接地良好，導電體產生的輻射及電場不會對通信、無線電波造成干擾，有利于環境保護。

（3）建設征遷用地因素

土地征遷是工程建設前期的首要任務，征遷工作進展順利與否將直接影響工程建設的進度。目前我國人均耕地面積在逐年減少，因此珍惜土地資源，節約用地至關重要。

由于SF6氣體具有很好的絕緣性能，因而GIS設備占地面積將大大減小。據統計，110kV電壓等級的敞開式變電所占地面積約是戶外型GIS的5～6倍，是戶內型GIS的10幾倍，解臺站GIS室與主變室共占地205m2。隨著電壓等級的提高，應用GIS設備對減少占地面積意義就更大，這樣既可以減小工程建設用地以及征遷賠償等昂貴的前期費用，同時又是積極響應國家土地集約化使用號召的一項重要舉措。

（4）工程管理因素

南水北調解臺站采用項目招標管理制、準市場化運營模式，追求效益最大化一直貫穿于泵站工程管理的始終。為實現科學管理的目標，達到減員增效的目的，該站人員經過優化組合、科學分工，目前僅有員工(管理和一線工人)15名，執行一人多崗制，打破了傳統的多人一崗的管理理念。

GIS由于具有特殊的結構形式、可靠的運行性能、受環境影響極小等優點，因此與傳統敞開式變電所相比，GIS的檢修周期較長。據國內已投運GIS的供電部門及水電站統計，在使用壽命期內幾乎不需要解體大修，運行維護量小，檢修周期長達15～20年，是敞開式的3～5倍，從而大大減少了泵站管理單位的維修養護經費及人員管理經費的開支，同時也改善了運行人員的值班條件。

4 安裝的控制要點

GIS的安裝是一項工藝比較復雜、受天氣及周圍環境溫濕度影響極為明顯、對安裝人員的技術水平要求極高的一項工作，同時安裝過程本身也是控制GIS運行后質量的一個關鍵階段。因此能否嚴格按照標準、規范對 GIS進行安裝與驗收，將直接影響其運行的安全可靠性。大量的 GIS應用實例及安裝實踐證明，安裝過程中嚴格控制“清潔度、密封性、真空度”是確保GIS正常運行的三大要點（要素）。

4.1 清潔度[3]

保證清潔度是現場安裝中最首要的任務。首先應確保安裝場地的清潔。由于南水北調工程工期短、任務重，各項單元工程的施工交叉進行，現場的安裝條件極差，到處塵土飛揚，建筑垃圾遍地，因此安裝前首先應將地面及墻面用水擦洗干凈并保持通風，在空氣靜止48h且墻、地面晾干后方可安裝。其次應確保加工制造過程的清潔。作電極的鋁管在加工過程中難免會存在著表面毛刺和鋁屑，這些微粒都是耐壓實驗中放電的來源，因此要特別注意保證鋁導體的清潔。這就要求一方面要強化對導體加工過程的清潔檢查，防止出現死區；另一方面，在總裝前制造商應增加導體振動清潔的新手段，盡量把空心體內部死角的殘留物清理出來，或者對安裝前的導體做類似局部放電試驗，以檢查出殘留的鋁屑和金屬絲。

4.2 密封性

密封性是GIS絕緣的關鍵。若密封不好將引起SF6氣體泄露，造成設備內的氣體壓力降低，由前文可知，SF6氣體的絕緣及滅弧能力顯著下降，嚴重時發生閃絡擊穿。造成密封不良的原因首先取決于罐體的焊接質量，其次是密封圈的制造、安裝調整情況，再者就是設備在運行中產生的振動引起密封圈撞壞及緊固螺栓松動，如斷路器分合、變壓器運行中的振動、運行中的節制閘門與建筑物的共振，還有就是水工建筑物分隔縫的影響等。因此密封性檢查應貫穿于整個制造和安裝的始終。

4.3 真空度[3]

罐體的真空度是安裝過程中的關鍵控制因素，它是衡量 SF6含水量的一個重要指標，其與罐體密封性密切相關，真空度愈高說明密封性愈好。抽真空是測試罐體密封性能的有效手段，對罐體抽真空不僅能減少 SF6氣體本身的水分，也可減少罐內其它物體(絕緣體、密封體)內所含的水分。按我國規程要求，在充入 SF6氣體之前真空度至少要達到133Pa，并再繼續抽真空30min以上，經驗證明真空度宜進一步提高，抽真空時間應更長為好。

若真空度不高，為保證設備正常運行，需定期對罐體補充 SF6氣體，在增加了工作量的同時也將水分帶入到設備內，造成設備內微水值上升，微水嚴重超標將危害絕緣，影響滅弧，并產生有毒物質。當水分較高時，很容易在絕緣材料表面結露，造成絕緣下降，嚴重時發生閃絡擊穿。而含水量較高的氣體在電弧作用下被分解，SF6氣體與水分產生多種水解反應，產生 WO3、CuF2、WOF4等粉末狀絕緣物，其中CuF2有強裂的吸濕性，附在絕緣表面，使沿面閃絡電壓下降，HF、H2SO3等具有強裂腐蝕性，對固體有機材料和金屬有腐蝕作用，縮短了設備壽命，直接威脅人身健康，因此必須對GIS的真空度進行嚴格地監督和控制。

5 運行管理中應注意的問題

GIS設備能否安全、可靠運行，除與設備的制造、安裝、調試及檢修質量密切相關外，而日常的運行管理也是至關重要的。大量的運行實踐證明：GIS設備的運行管理實際上就是對SF6氣體的管理，筆者建議在日常運行管理中應注意以下幾個主要問題：

（1）氣體壓力及泄露監測。SF6氣體泄露現象是較常發生的，規程規定，室內SF6氣體含量≯1000μl/l，其易漏部位主要有：各檢測口、焊縫、充氣嘴、法蘭連接面、壓力表連接管、密封底座等。由于泄露致使壓力降低，有時降至報警壓力以下。氣體壓力的降低，必將使SF6氣體的絕緣強度、滅弧能力下降，給設備的安全運行帶來嚴重隱患，因此，加強對 GIS設備各氣室壓力值的實時監測及泄漏點的準確定位十分重要。

一般在GIS室均設有SF6氣體泄漏傳感器，而由于 SF6氣體比空氣重，因而傳感器均放在各氣室的下方且置于地面，這樣在打掃衛生或巡視時比較容易被碰撞，再者就是其外罩比較容易進灰塵或被其它東西覆蓋，影響泄漏的測量，因此還需注意保持室內衛生，同時還要定期對傳感器外罩是否被灰塵等異物堵塞進行檢查或清理。

（2）氣體含水量定期檢測。水分滲入是影響GIS設備能否長期安全運行的關鍵，由于 SF6氣體的泄漏，水分的滲入現象也是在所難免的，而由此帶來的危害也是比較嚴重的，因此加強對氣體含水量定期檢測，尤其在夏季應予以高度關注。 規程規定氣體含水量的檢測應每三個月進行一次。

（3）保持室內通風。GIS設備在運行時一是會產生大量的熱量，尤其是夏天更為突出；二是當其含水量超標或泵站電氣設備短路等故障引起 SF6斷路器事故跳閘時，斷路器氣室內將產生一種劇毒性的氣體化合物，若設備密封不良，將會發生人身中毒的危險。因此保持室內空氣流通，既可以降低設備的溫度，確保設備安全運行，同時也可以有效預防中毒事件的發生。

規程規定，在非運行期，GIS巡視前，應通風≮15min；運行中的GIS，每班通風≮30min；在GIS發生泄漏時，巡視（或維修）人員應打開風機通風，佩戴防毒面具并從上風口進入室內。

（4）設備技術數據的整理及分析。GIS設備各項檢測及運行數據應詳細、準確地做好記錄，并及時歸檔、認真進行技術分析。 如對氣體含水量的分析，當不同的人用不同儀器在不同的季節測量同一臺設備時，會可能得到不同的數據，即使同一個人使用同一臺儀器進行測量時，也可能得到不同的數據，這實屬正常。原因除與儀器本身的性能有關外，還與操作人員的技術、操作方法及時間等因素有關。為防止對設備的誤判斷，保持數據的可比性，建議技術人員應參考以前的原始數據，進行橫比與縱比，以便對設備進行客觀準確地評定。因此，加強對設備的技術數據進行整理與分析不僅是泵站日常運行管理中的一項重要任務，同時還是查找及解決設備安全隱患的一項重要舉措。

6 應用中幾個問題的探討

6.1 伸縮節的設置問題

伸縮節主要是用來吸收GIS母線熱脹冷縮、基礎伸縮縫的水平及垂直位移、設備間的安裝調整以及斷路器的分合引起的震動等，因此主要配置在母線與各設備、變壓器進線、出線及設備各間隔間的連接等位置。

解臺站采用“閘站合建”的結構形式，共有三塊基礎底板即節制閘一塊、抽水站兩塊。GIS室建于節制閘的樓上，平時由于節制閘的運行，不可避免的引起 GIS設備的振動，有時還會引起節制閘門與基礎的共振，而解臺站GIS設備在設計時未設置伸縮節，給設備的運行帶來一定的隱患。目前一些生產廠家及設計單位對伸縮節的設置及其重要性的看法不一，出于設備安全運行的角度考慮，筆者認為在 GIS設計時應將伸縮節的設置考慮進去，同時在 GIS的有關規范中應增加伸縮節方面的量化計算和要求，以便設計單位及制造廠家在設計及生產時做到有章可依。

6.2 GIS設備與敞開式設備的比選問題

大型泵站的高壓變電所究竟選用GIS設備還是敞開式設備，這要視具體情況，進行充分的論證和嚴格地比選后而定，不能因為GIS變電所建設前期投資較大而對此否定。解臺泵站高壓變電所應用GIS設備的方案是在前期的規劃設計時通過從性能、綜合投資兩方面并經過嚴格比選后而確定的。

（1）性能比選

對于 110kV變電所，其配電裝置有三種設備可選：①戶外型敞開式設備；②模塊化緊湊型組合電器；③GIS組合電器。從技術性能、占地面積以及運行情況分析比較，第一種布置方式較為落后。由于設備安裝于戶外，受日曬雨淋、風霜雪露等惡劣天氣的影響，設備故障頻繁發生，操作機構動作不可靠，設備檢修周期短，維修費用高。此外，為滿足設備之間的安全距離要求，建一個常規的變電所占地面積較大，目前供電部門新建的變電所已基本不采用這種布置方式。第二種布置方式，斷路器、電流互感器與隔離開關等作為一個模塊組合安裝于一個支撐柱上，壓縮了占地面積，其基礎只需一個中等厚度的混凝土平臺即可，安裝方便。通過不同模塊的組合形成多個接線方案，靈活性強，系統的整體性能比前者可靠，目前供電部門一些老變電所改造大都采用這種方式。第三種布置方式，目前使用比較廣泛，為供電部門新建的變電所所采用，一是設備的可靠性進一步提高，斷路器、電流互感器、電壓互感器、母排等安裝在密封的管道中，用SF6氣體絕緣，滅弧性能好，開斷能力高，動作十分可靠，安全性好；二是結構布局合理，工藝嚴格，加工精密，維護方便，檢修周期長；三是占地少，設備安裝于充滿SF6絕緣氣體中，設備布置緊湊，體積小型化，縮小了間隔之間的距離，占地面積大大減少，且現場安裝簡單方便。

（2）綜合投資比選

將三種型式的變電所投資作經濟比較。為使三種型式的變電所有可比性，將變電所設備統一布置于戶外，按線路－變壓器組的接線方式，設備選用合資產品，比較項目僅與110kV配電裝置有關，相同部分不計列。比較結果見表1。

表1 常規戶外變電所投資比較表

由表1可知，GIS配電裝置雖然一次性投資較大，但與其他兩種型式裝置及配套設備、設施綜合比較，其投資并不增加很多。

6.3 GIS設備的智能化發展問題

由于GIS設備較傳統敞開式變電所具有諸多優點，因此在南水北調大型泵站中得到的日益廣泛的應用，但從解臺站的應用情況看，主要存在以下兩個問題：

（1）GIS控制問題。目前GIS設備（包括斷路器、隔離開關、接地開關等）的控制主要還是通過傳統的二次回路的接線邏輯來實現的，由于開關設備多，為確保操作安全，各設備間需要設置電氣或機械連鎖控制，而泵站微機監控系統對GIS設備的遠動控制主要是通過LCU室內公共PLC的開出繼電器通過硬接線接入各開關的分合閘控制回路中實現的，對設備狀態的監視是通過公共PLC開關量輸入模塊與各開關的輔助觸點經硬接線相連接，并通過公共PLC的通訊口與上位機進行通信來實現狀態的遠傳，因此接線過于復雜繁多。

（2）電氣預防性試驗問題。為防止內部故障的發生，及時發現設備的故障隱患，電氣預防性試驗是必不可少的。盡管 GIS設備在我國有近 40年的應用歷史，但目前除電力部門及生產廠家外，泵站運行管理單位因限于技術水平、試驗設備、資質等原因，還不具備檢測、試驗的條件，還必須依靠專業機構來協助完成檢測和試驗工作，因此這樣就不可能隨時掌握設備的運行工況，不利于設備的安全運行，而且每次的試驗費用也相當昂貴。

基于以上問題，筆者談談解決的基本思路：一是將可編程控制器PLC運用于GIS控制系統上，即在GIS現地匯控柜內增加一臺 PLC，對 GIS的電氣聯鎖控制進行編程來代替傳統的電氣接線；二是在GIS設備內部配置更多的傳感器，用來對其內部狀態進行實時在線監測；三是在 GIS現地匯控柜內配置一臺以CPU為核心控件的微機綜合監控裝置，并安裝GIS專用控制系統軟件，該裝置既可以對 GIS設備進行獨立監控，又可以與上位機通信進行聯機監控。以上措施的實施，首先可以極大地簡化GIS的內部接線、配線，可大大縮減傳統上對開關輔助接點數量的要求，提高了控制的可靠性；其次 GIS設備的各種開關狀態信號及傳感器上傳的壓力、水分、氣體泄漏等信號只需一根通信電纜就能完成 GIS控制系統與泵站微機監控系統之間的通信，操作人員通過上位機畫面就可以實現對 GIS設備的在線控制和各種狀態信號及技術參數的在線監測，大大提高了泵站的自動化程度；再者由于在線檢測技術和自我診斷技術的引入將打破傳統的高壓電氣預防性試驗及大小修計劃模式，可以根據診斷結果安排更合理、更科學的檢修計劃，可將事故消除在萌芽狀態，提高設備的利用率和可靠性，減小了大筆的試驗費用。

7 結論

近年來，由于微機綜合自動化技術在各個領域的廣泛應用，人們對GIS設備的智能化發展問題越來越重視，對集“控制、測量、通信”于一體的GIS智能化設備的需求也越來越迫切。目前，隨著電力系統自身的發展以及對系統運行可靠性要求的日益提高，必將推動GIS技術迅速發展成熟并很快被應用于全世界范圍內各行業的供配電系統，成為高壓電器發展的主流方向。鑒于南水北調工程的重要性及其運行特點，要求設備先進、技術可靠，運行維護方便，在110kV配電裝置的選型中GIS組合電器裝置無疑占有很大的優勢，并且在今后南水北調工程的運行中發揮著重要的作用。

[1]杜選震,儲訓,楊淮等.南水北調東線工程大型泵站設計研究[J].水利水電科技進展,2003,23(5).

[2]李萍.關于GIS安裝、試驗及設計的思考[J].水電站設計,2007,21(1)∶36-37.