氣體絕緣組合式開關(guān)設(shè)備在核電廠中的應(yīng)用

季 林，黃鵬波，常新愛

(中國電力工程有限公司，北京 100048)

氣體絕緣組合式開關(guān)(GIS)設(shè)備，是采用低氣壓的六氟化硫（SF6）氣體作為開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)，用真空或SF6為滅弧介質(zhì)，將母線、斷路器、隔離開關(guān)等元件集中密閉在箱體中，綜合運(yùn)用現(xiàn)代絕緣技術(shù)、開斷技術(shù)、制造技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字技術(shù)生產(chǎn)的集智能控制、保護(hù)、監(jiān)視、測量、通信于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。圖1為ABB公司ELK-3型GIS設(shè)備剖面圖。

圖1 ABB公司ELK-3型GIS設(shè)備剖面圖Fig.1 Section view of ELK-3 gas insulated switchgear of ABB

自20世紀(jì)五六十年代，很多國家開始從事GIS設(shè)備的試驗(yàn)和研制，近些年我國電力事業(yè)快速發(fā)展，國外知名廠家紛紛在華建立合資企業(yè)，我國本土電氣設(shè)備制造企業(yè)也紛紛上馬GIS生產(chǎn)線，產(chǎn)品的競爭日益激烈和產(chǎn)能的擴(kuò)張，設(shè)備的性價比有了顯著的提高。

1 自然環(huán)境適應(yīng)能力

基于冷卻水系統(tǒng)的考慮，我國目前核電廠的廠址多在沿海地區(qū)，這些地區(qū)普遍的氣候特點(diǎn)是鹽霧，它不僅會降低電氣設(shè)備的絕緣性能，還會對金屬造成腐蝕，嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行壽命。相對于傳統(tǒng)敞開式布置（AIS）變電站，GIS設(shè)備將除變壓器以外的幾乎所有一次設(shè)備封閉在SF6氣體中，各間隔間采用了法蘭及密封圈連接，隔絕了外部因素，如鹽霧、積雪等不利氣候因素的影響。由于GIS設(shè)備的體積相對較小，某些核電廠的升壓站將它置于廠房內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了溫度濕度的可控，這雖然增加了一定的費(fèi)用，從很大程度上擺脫了氣候因素對設(shè)備的影響，有利于設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行。

GIS整體設(shè)備可以增加抗震能力，目前核電廠裝機(jī)容量大，向外輸出電壓等級多采用500 kV或2200 kV，這類GIS設(shè)備斷路器的操作機(jī)構(gòu)多采用臥式，設(shè)備的重心低，有利于設(shè)備的抗震。

由于采用了金屬材料作為封閉體，高壓電器設(shè)備產(chǎn)生電磁和靜電被通過直接接地的金屬殼體屏蔽，氣體絕緣組合式開關(guān)設(shè)備沒有無線電干擾的問題。配備消音器，離斷路器30m遠(yuǎn)處噪聲小于80 dB。

可見，氣體絕緣組合式開關(guān)設(shè)備相對于傳統(tǒng)的電器設(shè)備，在自然環(huán)境適應(yīng)能力上的優(yōu)勢是明顯的。

2 設(shè)備使用的安全性

相對于傳統(tǒng)AIS設(shè)備，GIS設(shè)備的安全性在于其內(nèi)部氣體的純度和氣密性。GIS設(shè)備中充滿的SF6氣體，這種氣體是目前最優(yōu)良的絕緣介質(zhì)和火弧介質(zhì)。它無色、無味、無毒、不燃燒；在常溫常壓下，化學(xué)性能穩(wěn)定。由于采用了SF6氣體絕緣，相對于油絕緣高壓電器設(shè)備，GIS設(shè)備有著更好的絕緣性。如果氣體發(fā)生泄漏或含有其他雜質(zhì)，將影響設(shè)備內(nèi)部的絕緣，導(dǎo)致放電、損壞內(nèi)部設(shè)備。

目前GIS設(shè)備金屬外殼采用無碳鋼和不銹鋼制作，連接處采用激光焊接，國產(chǎn)設(shè)備的年漏氣率可保證在1%以下。氣室內(nèi)還裝有壓力檢測儀器或氣體密度監(jiān)控器，如果氣壓低于設(shè)定值，儀表會將報(bào)警信號上傳至中控室或調(diào)度室。氣室內(nèi)還裝有吸附劑，用于吸附水分和SF6分解產(chǎn)生的氣體。由此可見，GIS設(shè)備的可靠性和安全性是有保障的。

但由于緊湊的設(shè)計(jì)，同樣存在某些安全隱患，這就更需要采購方在設(shè)備監(jiān)造、出廠試驗(yàn)和安裝等方面嚴(yán)格把關(guān)，同時，也需要常備一些專用檢修和檢測設(shè)備，培養(yǎng)專業(yè)的工作人員，做到及時發(fā)現(xiàn)問題，及時處理。

3 經(jīng)濟(jì)效益

3.1 優(yōu)點(diǎn)

核電廠升壓站適于使用GIS設(shè)備的原因是：在高電壓系統(tǒng)中使用分離原件，隨著電壓等級的提高，要求增大相間間隙，而核電廠等多處于沿海區(qū)域，難以找到大片的平整土地，GIS的使用可以很好的解決這一問題。對比AIS變電站，GIS設(shè)備可以在很大程度上節(jié)約用地面積。如220 kV等級，GIS的占地面積為AIS的10%，而500 kV等級，GIS的占地面積為AIS的5%（注：由于各電站的變壓器數(shù)量和出線數(shù)量的不同，主接線的設(shè)計(jì)形式也存在差異，具體比例可能和本文中所列數(shù)據(jù)有些許偏差）。利用現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)，變電站的占地面積已經(jīng)從原來的足球場大小降到了幼兒園大小，如圖2所示。

3.2 電氣設(shè)備造價及相關(guān)建設(shè)費(fèi)用

相對于AIS設(shè)備，由于其技術(shù)含量大，對制造工藝要求高，GIS設(shè)備的造價相對較高，但由于GIS設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)，省去了構(gòu)支架及其土建的費(fèi)用，安裝也相對較低。

圖2 GIS用地比較示意圖Fig.2 Land occupation comparison for GIS

下面以一個500/220 kV變電站為例進(jìn)行費(fèi)用比較，該變電站500 kV側(cè)采用線路至變壓器組直接接線，220 kV側(cè)采用雙母線接線。GIS設(shè)備的價格如表1所示，GIS和AIS變電站的部分投資費(fèi)用比較如表2所示。

由于各變電站的地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)標(biāo)高存在差異，土建的開挖量和回填量等重要指標(biāo)存在不確定性，土建費(fèi)用很難估算準(zhǔn)確。但是，由于GIS占地面積小，此部分的土建費(fèi)用也會低于AIS設(shè)備。同時，相對小的變電站面積，會使工程所需的接地材料、動力和控制電纜等材料大大節(jié)約。

由此可見，GIS設(shè)備的造價遠(yuǎn)大于AIS設(shè)備，但卻可在安裝和土建等其他方面節(jié)省部分投資。總的來講，去除占地費(fèi)用，GIS的總體投資仍大于AIS設(shè)備。

4 設(shè)備制造、運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝

4.1 設(shè)備制造

GIS設(shè)備由于其涉及的電器設(shè)備多、工藝復(fù)雜，其生產(chǎn)周期較AIS設(shè)備長。但隨著工藝的日趨成熟，某國外公司甚至創(chuàng)造了14周供貨，從設(shè)計(jì)到調(diào)試耗時6個月的記錄。

表1 各廠家GIS報(bào)價Table 1 Quotation by GIS manufacture 單位：萬元人民幣

表2 GIS和AIS變電站的投資費(fèi)用比較表Table 2 Comparison between GIS and AIS substation investment

4.2 設(shè)備運(yùn)輸

GIS在組裝過程中，對環(huán)境和材料的要求很高，必須在戶內(nèi)安裝和試驗(yàn)。這樣的工藝要求必然決定了GIS是按間隔整體運(yùn)輸?shù)摹?/p>

4.3 設(shè)備現(xiàn)場安裝

不同于AIS的設(shè)備安裝，GIS設(shè)備安裝省去了組立構(gòu)支架，安裝母線、絕緣子和連接金具等工序，僅需少量的地錨和鋼支架就能使組合電器固定在基礎(chǔ)之上，然后安裝單位在設(shè)備制造廠家技術(shù)人員的指導(dǎo)和配合下，拼接各間隔的組件。完成GIS設(shè)備安裝后，要將GIS設(shè)備殼體內(nèi)抽真空，然后充滿SF6氣體，在用專業(yè)設(shè)備檢測沒有漏氣之后，就可以進(jìn)行設(shè)備的高壓試驗(yàn)了。

由此可見，GIS設(shè)備的使用減少了安裝工序，這極大地減少了現(xiàn)場安裝投入的人力、物力，并大大縮短了工期，便于工程進(jìn)行更有效的管理。但值得一提的是，GIS設(shè)備的安裝環(huán)境要求和質(zhì)量控制都比AIS設(shè)備要嚴(yán)格得多，例如需采取防塵措施、連接部位的防腐處理、設(shè)備安裝的精度等都有相應(yīng)的要求。這些都對安裝人員的水平提出了更高的要求。

5 運(yùn)行和維護(hù)

5.1 設(shè)備運(yùn)行

GIS暴露的外絕緣少，內(nèi)部采用SF6氣體絕緣，加上機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，其故障概率較常規(guī)設(shè)備低很多；GIS內(nèi)部有很多由盆式絕緣子分隔而成的氣隔。每個氣隔都在氣體密度繼電器的監(jiān)控之下，而且GIS的二次回路可以相當(dāng)方便地與微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相連，這樣就使GIS較常規(guī)電氣設(shè)備有更高的整體有效性，提高了向用戶供電的連續(xù)性。另外，當(dāng)GIS內(nèi)部故障時，氣隔可以有效地限制故障范圍，并方便迅速地確定故障點(diǎn)。根據(jù)國家電監(jiān)會電力可靠性管理中心發(fā)布的2007年全國220 kV及以上電壓等級13類輸變電設(shè)施的可靠性數(shù)據(jù)，架空線路、電纜線路及全封閉組合電器的運(yùn)行可靠性指標(biāo)見表3。

由表3可見，從參數(shù)值方面而論，架空線、高壓電纜和GIS三種出線方式中，GIS在各方面都優(yōu)于其他兩種方式。

5.2 設(shè)備維護(hù)

GIS的斷路器的開斷性能好,觸頭燒損輕微,加上SF6氣體絕緣性能穩(wěn)定,又無氫化問題，因此,斷路器的檢修周期可以大大延長。表4為某廠家所推薦的檢修時間。

表3 輸變電設(shè)施運(yùn)行可靠性指標(biāo)Table 3 Reliability index of transmission and distribution installations

表4 某廠家所推薦的檢修時間Table 4 Maintenance schedule recommended by a manufacture

6 擴(kuò)建

GIS便于擴(kuò)建。由于GIS采用積木式設(shè)計(jì)，其多樣的法蘭連接件可以為變電所的布置提供高度的靈活性。而且，法蘭件可以通過附加元件進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)不同廠家之間的GIS對接或常規(guī)電氣設(shè)備與GIS之間的連接，對變電所的擴(kuò)建十分有利。

7 結(jié)論

近年來，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備在我國也得到了迅速地推廣與應(yīng)用，特別是隨著我國對開關(guān)設(shè)備提出了小型化、智能化、免維護(hù)、全工況等新的更高要求，高性能、高品質(zhì)的GIS設(shè)備在國內(nèi)的需求越來越強(qiáng)烈。由于傳統(tǒng)空氣絕緣開關(guān)設(shè)備受環(huán)境條件（如高海拔、潮濕、鹽霧、污穢、腐蝕等）的局限，已不能滿足某些用戶的要求。核電廠由于受占地面積、空間限制等因素制約，GIS設(shè)備可謂是首選。目前國內(nèi)所使用的大部分為進(jìn)口產(chǎn)品，但隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)以及國家對電力行業(yè)的重視，GIS設(shè)備國產(chǎn)化率將逐步提高，產(chǎn)品質(zhì)量也將隨之提升。GIS設(shè)備應(yīng)用必將擁有廣闊的前景。

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