氣體絕緣金屬封閉開關設備的研發與優化設計

蘇文瑞 孫明福

摘 要：氣體絕緣金屬封閉開關設備作為特高壓電網中最重要的控制和保護設備，其安全運行對整個電網的穩定性具有重要影響。本文基于對氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）的主要特點和類型的介紹，重點分析介紹了氣體絕緣金屬封閉開關設備的研發與優化技術。

關鍵詞：氣體絕緣金屬封閉開關設備；特點；優化設計

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A

氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，簡稱GIS）是由若干相互直接聯結在一起的元件組成，通過將斷路器、接地開關、母線、隔離開關、互感器等主要元件一起裝入密封的金屬容器內，同時充以SF6氣體作為絕緣或滅弧介質而構成。隨著我國電網建設的飛速發展，對封閉開關設備提出了更高的要求。通過不斷研發與優化氣體絕緣金屬封閉開關設備，制造出更加緊湊、小型化的GIS 產品具有重大的意義。

1 氣體絕緣金屬封閉開關設備的特點及分類

1.1 GIS的特點。（1）運行安全可靠。氣體絕緣金屬封閉開關設備主回路中的所有組成元件，除出線套管外，均裝入在封閉的金屬外殼內，故而不受外界環境影響，具有很強的耐環境能力。此外殼內充以SF6氣體作為內部絕緣介質，同時也可充當斷路器的滅弧介質，因而運行起來安全可靠，維護方便。（2）可靠的導電性能和絕緣性能。由于GIS的斷路器具有較高的導電性能，同時導電回路采用自力型觸指，依靠材料自身的彈力性能來調試導電元件的壓緊力，避免了觸指松散危險。同時GIS中采用了盆式絕緣子、絕緣拉桿、絕緣筒等合格的環氧樹脂絕緣器件，具有良好的絕緣性能。（3）易于安裝，配置靈活。氣體絕緣金屬封閉開關設備均在廠內按現場狀況進行裝配及出廠試驗。試驗合格后再組裝成運輸單元，GIS體積小，占地面積少，便于運輸及現場安裝，提高了設備安裝的效率。

1.2 GIS的分類。GIS按結構分為分相式、主母線三相共箱、混合式或復合式三種：（1）分相式。主回路各元件分別裝在獨立的金屬外殼內，依靠環氧樹脂澆注的絕緣子支撐，內充SF6氣體。優點制造簡便，不會發生相間故障；但體積較大，密封面多。（2）主母線三相共箱。僅三相主母線共用一個外殼，利用環氧樹脂澆注的絕緣子將三相母線均勻支撐隔離在外殼內。優點縮小GIS的占地面積，結構相對簡單。（3）混合式或復合式。通過在同一外殼內裝入元件功能復合化的復合元件，縮小了設備的尺寸，簡化了設備的結構。

2 氣體絕緣金屬封閉開關設備的研發與優化設計

2.1 提高斷路器開斷能力。為提高斷路器的開斷能力，應重點考慮觸頭的分閘速度、噴口形狀以及開斷電流條件等對氣吹壓力的影響。首先對滅弧室結構進行優化。對兩斷口50kA斷路器，應重點對噴口形狀和尺寸進行改動，提高開斷性能，分閘速度；但對四斷口50kA斷路器，則重點加強其導電回路性能研究。其次為滿足5000次機械壽命試驗要求，需對斷路器整體及滅弧室部分進行模擬動態分析，改進采用格來圈，提高斷路器的模塊化設計，以及分/合閘速度的調控。最后對進噴口形狀進行優化。為了提高對電弧的冷卻能力，促進熱氣體從斷口間有效排出，需利用計算機進行分析，計算分析出合理的噴口喉部尺寸。此外，由于滅弧室進行容性開斷和負載開斷時，其斷口間絕緣恢復特性會隨開距增大發生變化，這與弧觸頭附近的電場強度和SF6氣體密度有關。為以降低弧觸頭表面的電場強度，應通過改變觸頭形狀，提高滅弧室的分閘速度。

2.2 加強超高頻局部放電實時監視系統的優化。GIS 設備狀態監測技術通過對GIS 狀態檢測，提高設備的可靠性、減少停電時間等都具有重要的意義。其中超高頻局部放電實時監視系統，是將超高頻傳感器設計技術、超高頻信號處理技術、超多種頻率、多頻道檢測及分析技術、程序運行和分析等相結合的綜合電力技術。局部放電在線監測系統采用信號識別的辦法來確認局部放電信號，找到干擾信號，而不是采用設檢測門限的辦法來保證抗干擾性，從而保證了系統檢測的準確性和靈敏性，擁有極高的抗干擾能力。應具體通過加強超高頻傳感器部分，健全高級監控系統，優化分站在線監控系統等方面來進具體完善超高頻局部放電實時監視系統的優化。

2.3 氣體絕緣且三相密封閉的開關設備的優化。三相封閉式開關設備是指將主回路元件的三相裝在一個公用的的接地金屬外殼內，利用環氧樹脂澆注絕緣子進行支撐和隔離。具有結構緊湊、外殼數量少、節省原料等優點。該優化設計方案為：在金屬封閉外殼內安裝多個設備部件，在所述封裝外殼內為每一相沿軸向前后相鄰安裝構造成封裝引線的電流接線端、一個組合式隔離-接地開關和一個功率開關。并在組合式隔離—接地開關的接線中，布置成一條匯流排垂直于“電流接線端—功率開關—隔離/接地開關”軸線布局。同時將斷路器一端安裝在一個錐形絕緣體子的頂部，并且配制隔離/接地開關的動觸頭。通過對三相密封裝閉的開關設備的優化，構成一個以匯流排、斷路器、匯流排隔離/接地開關、電流接線端和互感器的共用開關柜外殼為特征，設備長度簡化，同時該開關設備在發生故障時，可以在一個配電柜內通過簡便的更換而由另一個備用設備替代的開關設備體系。

2.4 強化安裝和調試監督工作 。氣體絕緣金屬封閉開關設備的安裝情況在很大程度上影響了其運行質量。應通過建立、健全監督制度保證工程質量，從而保證現場安裝工作的順利進行。實施GIS現場安裝WSS體系，即根據現場安裝體系文件要求，編制現場安裝WSS體系圖，制定現場安裝節點計劃，實施全過程的質量控制。在安裝過程中嚴格實施 四無管理（四無即無異物產生、無異物殘留、無異物混入和無螺栓忘記緊固）。同時應對安裝人員開展相應的安裝工作培訓，確保安裝人員操作專業性。在氣體絕緣金屬封閉開關設備安裝的過程中，應對建設單位、監督單位、安裝單位等進行嚴格檢查，監督他們是否按照相關規定進行氣體絕緣金屬封閉開關設備的調試工作。通過強化安裝和調試監督工作，從而確保氣體絕緣金屬封閉開關設備的運行質量。

結語

本文通過提高斷路器開斷能力、加強超高頻局部放電實時監視系統的優化、氣體絕緣且三相密封閉的開關設備的優化以及強化安裝和調試監督工作等四方面來對氣體絕緣金屬封閉開關設備進行研發與優化設計，以期制造出結構更加緊湊、性能更高、應用更廣的GIS 產品。

參考文獻

[1]李建基.高壓氣體絕緣金屬封閉開關設備的發展[J].農村電氣化，2007 （11）：57-59.