氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的研發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇文瑞 孫明福

摘 要：氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備作為特高壓電網(wǎng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備，其安全運(yùn)行對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要影響。本文基于對(duì)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）的主要特點(diǎn)和類型的介紹，重點(diǎn)分析介紹了氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的研發(fā)與優(yōu)化技術(shù)。

關(guān)鍵詞：氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備；特點(diǎn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM59 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，簡(jiǎn)稱GIS）是由若干相互直接聯(lián)結(jié)在一起的元件組成，通過(guò)將斷路器、接地開關(guān)、母線、隔離開關(guān)、互感器等主要元件一起裝入密封的金屬容器內(nèi)，同時(shí)充以SF6氣體作為絕緣或滅弧介質(zhì)而構(gòu)成。隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)封閉開關(guān)設(shè)備提出了更高的要求。通過(guò)不斷研發(fā)與優(yōu)化氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，制造出更加緊湊、小型化的GIS 產(chǎn)品具有重大的意義。

1 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)及分類

1.1 GIS的特點(diǎn)。（1）運(yùn)行安全可靠。氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)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(nèi)，故而不受外界環(huán)境影響，具有很強(qiáng)的耐環(huán)境能力。此外殼內(nèi)充以SF6氣體作為內(nèi)部絕緣介質(zhì)，同時(shí)也可充當(dāng)斷路器的滅弧介質(zhì)，因而運(yùn)行起來(lái)安全可靠，維護(hù)方便。（2）可靠的導(dǎo)電性能和絕緣性能。由于GIS的斷路器具有較高的導(dǎo)電性能，同時(shí)導(dǎo)電回路采用自力型觸指，依靠材料自身的彈力性能來(lái)調(diào)試導(dǎo)電元件的壓緊力，避免了觸指松散危險(xiǎn)。同時(shí)GIS中采用了盆式絕緣子、絕緣拉桿、絕緣筒等合格的環(huán)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(guān)設(shè)備均在廠內(nèi)按現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行裝配及出廠試驗(yàn)。試驗(yàn)合格后再組裝成運(yùn)輸單元，GIS體積小，占地面積少，便于運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝，提高了設(shè)備安裝的效率。

1.2 GIS的分類。GIS按結(jié)構(gòu)分為分相式、主母線三相共箱、混合式或復(fù)合式三種：（1）分相式。主回路各元件分別裝在獨(dú)立的金屬外殼內(nèi)，依靠環(huán)氧樹脂澆注的絕緣子支撐，內(nèi)充SF6氣體。優(yōu)點(diǎn)制造簡(jiǎn)便，不會(huì)發(fā)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(gè)外殼，利用環(huán)氧樹脂澆注的絕緣子將三相母線均勻支撐隔離在外殼內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)縮小GIS的占地面積，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。（3）混合式或復(fù)合式。通過(guò)在同一外殼內(nèi)裝入元件功能復(fù)合化的復(fù)合元件，縮小了設(shè)備的尺寸，簡(jiǎn)化了設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

2 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的研發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 提高斷路器開斷能力。為提高斷路器的開斷能力，應(yīng)重點(diǎn)考慮觸頭的分閘速度、噴口形狀以及開斷電流條件等對(duì)氣吹壓力的影響。首先對(duì)滅弧室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)兩斷口50kA斷路器，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)噴口形狀和尺寸進(jìn)行改動(dòng)，提高開斷性能，分閘速度；但對(duì)四斷口50kA斷路器，則重點(diǎn)加強(qiáng)其導(dǎo)電回路性能研究。其次為滿足5000次機(jī)械壽命試驗(yàn)要求，需對(duì)斷路器整體及滅弧室部分進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)分析，改進(jìn)采用格來(lái)圈，提高斷路器的模塊化設(shè)計(jì)，以及分/合閘速度的調(diào)控。最后對(duì)進(jìn)噴口形狀進(jìn)行優(yōu)化。為了提高對(duì)電弧的冷卻能力，促進(jìn)熱氣體從斷口間有效排出，需利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，計(jì)算分析出合理的噴口喉部尺寸。此外，由于滅弧室進(jìn)行容性開斷和負(fù)載開斷時(shí)，其斷口間絕緣恢復(fù)特性會(huì)隨開距增大發(fā)生變化，這與弧觸頭附近的電場(chǎng)強(qiáng)度和SF6氣體密度有關(guān)。為以降低弧觸頭表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，應(yīng)通過(guò)改變觸頭形狀，提高滅弧室的分閘速度。

2.2 加強(qiáng)超高頻局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的優(yōu)化。GIS 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)GIS 狀態(tài)檢測(cè)，提高設(shè)備的可靠性、減少停電時(shí)間等都具有重要的意義。其中超高頻局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)，是將超高頻傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)、超高頻信號(hào)處理技術(shù)、超多種頻率、多頻道檢測(cè)及分析技術(shù)、程序運(yùn)行和分析等相結(jié)合的綜合電力技術(shù)。局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用信號(hào)識(shí)別的辦法來(lái)確認(rèn)局部放電信號(hào)，找到干擾信號(hào)，而不是采用設(shè)檢測(cè)門限的辦法來(lái)保證抗干擾性，從而保證了系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏性，擁有極高的抗干擾能力。應(yīng)具體通過(guò)加強(qiáng)超高頻傳感器部分，健全高級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化分站在線監(jiān)控系統(tǒng)等方面來(lái)進(jìn)具體完善超高頻局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的優(yōu)化。

2.3 氣體絕緣且三相密封閉的開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化。三相封閉式開關(guān)設(shè)備是指將主回路元件的三相裝在一個(gè)公用的的接地金屬外殼內(nèi)，利用環(huán)氧樹脂澆注絕緣子進(jìn)行支撐和隔離。具有結(jié)構(gòu)緊湊、外殼數(shù)量少、節(jié)省原料等優(yōu)點(diǎn)。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為：在金屬封閉外殼內(nèi)安裝多個(gè)設(shè)備部件，在所述封裝外殼內(nèi)為每一相沿軸向前后相鄰安裝構(gòu)造成封裝引線的電流接線端、一個(gè)組合式隔離-接地開關(guān)和一個(gè)功率開關(guān)。并在組合式隔離—接地開關(guān)的接線中，布置成一條匯流排垂直于“電流接線端—功率開關(guān)—隔離/接地開關(guān)”軸線布局。同時(shí)將斷路器一端安裝在一個(gè)錐形絕緣體子的頂部，并且配制隔離/接地開關(guān)的動(dòng)觸頭。通過(guò)對(duì)三相密封裝閉的開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化，構(gòu)成一個(gè)以匯流排、斷路器、匯流排隔離/接地開關(guān)、電流接線端和互感器的共用開關(guān)柜外殼為特征，設(shè)備長(zhǎng)度簡(jiǎn)化，同時(shí)該開關(guān)設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)，可以在一個(gè)配電柜內(nèi)通過(guò)簡(jiǎn)便的更換而由另一個(gè)備用設(shè)備替代的開關(guān)設(shè)備體系。

2.4 強(qiáng)化安裝和調(diào)試監(jiān)督工作 。氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的安裝情況在很大程度上影響了其運(yùn)行質(zhì)量。應(yīng)通過(guò)建立、健全監(jiān)督制度保證工程質(zhì)量，從而保證現(xiàn)場(chǎng)安裝工作的順利進(jìn)行。實(shí)施GIS現(xiàn)場(chǎng)安裝WSS體系，即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝體系文件要求，編制現(xiàn)場(chǎng)安裝WSS體系圖，制定現(xiàn)場(chǎng)安裝節(jié)點(diǎn)計(jì)劃，實(shí)施全過(guò)程的質(zhì)量控制。在安裝過(guò)程中嚴(yán)格實(shí)施 四無(wú)管理（四無(wú)即無(wú)異物產(chǎn)生、無(wú)異物殘留、無(wú)異物混入和無(wú)螺栓忘記緊固）。同時(shí)應(yīng)對(duì)安裝人員開展相應(yīng)的安裝工作培訓(xùn)，確保安裝人員操作專業(yè)性。在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備安裝的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)建設(shè)單位、監(jiān)督單位、安裝單位等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，監(jiān)督他們是否按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的調(diào)試工作。通過(guò)強(qiáng)化安裝和調(diào)試監(jiān)督工作，從而確保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)提高斷路器開斷能力、加強(qiáng)超高頻局部放電實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的優(yōu)化、氣體絕緣且三相密封閉的開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化以及強(qiáng)化安裝和調(diào)試監(jiān)督工作等四方面來(lái)對(duì)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備進(jìn)行研發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期制造出結(jié)構(gòu)更加緊湊、性能更高、應(yīng)用更廣的GIS 產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]李建基.高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的發(fā)展[J].農(nóng)村電氣化，2007 （11）：57-59.