預裝式戶內GIS變電站預制艙設計探討

燕飛飛 何顯江 盧旭濤

摘 要：為使GIS設備免受臺風、暴雨、冰雹等惡劣天氣影響，更好地保護GIS設備及各類傳感器等，提高GIS設備可靠性、穩定性，根據GIS設備特性及在戶內布置的場景，針對GIS預制艙的要求做了具體分析和闡述，并提出了相應的技術解決措施和方案。

關鍵詞：預裝式戶內GIS變電站預制艙;SF6探測報警系統;接地系統;濾震隔音

0? ? 引言

近年來隨著戶外GIS設備運行經驗的積累，其各類缺點也逐漸暴露。現運行的戶外GIS設備以國產設備居多，大批運行時間3～5年的設備已出現不同程度的殼體表面銹蝕現象，且GIS本體安裝的各類傳感器及零部件故障率較高，給運行維護單位帶來了很大不便。以上問題在腐蝕性較強的海上環境、沿海地區和污穢等級較高的區域更為嚴重，大大增加了維護工作量。另外，GIS設備的密封結構在雨、霧、冰、雪等惡劣天氣條件下遭到了極大的挑戰，GIS設備密封系統易因材質快速老化而出現泄漏現象。

相較戶外GIS，將GIS設備布置在戶內的方案可有效保護GIS設備免受惡劣環境影響，且GIS預制艙內部維持恒溫恒濕環境，進一步延長了GIS設備使用壽命，能夠大大降低GIS設備故障率，減少設備后期運行維護難度及成本，因而成為當前GIS變電站建設的首選方案。戶內GIS變電站如圖1所示。在戶內GIS變電站逐步被接受的背景下，希望本文對GIS預制艙的闡述可以為后續GIS變電站建設提供設計參照。

1? ? GIS預制艙SF6探測報警系統

（1）GIS設備內部采用SF6氣體作為絕緣介質，若SF6氣體泄漏，會影響到設備可靠運行及運營人員安全，設計SF6探測報警裝置可及時探測到泄漏，提示檢修維護人員進行設備檢修。SF6氣體的密度大約是空氣的5倍，濃度過大會使人窒息，設置自動排除SF6裝置，可有效保障檢修維護人員人身安全。

（2）SF6探測報警系統包含監測主機、SF6/O2采集模塊、溫濕度探頭、人體紅外探頭、聲光報警器等子系統。系統可以實時監測艙內SF6濃度、氧氣含量及溫濕度等環境數據，并通過大量數據分析處理做出控制并進行及時告警，保證人員進入開關室的安全。

（3）SF6監測系統主要有以下功能：

1）SF6濃度和氧氣含量監測：實時監測開關站環境SF6濃度和氧氣含量，系統主機和監控室計算機同步顯示監測結果。

2）溫濕度在線監測：實時監測并動態顯示當前開關站環境溫度和濕度數值。

3）系統運行狀態實時監測：實時監測系統內各監測單元的通信狀態，系統主機和監控站界面同步顯示監測結果。

4）自動語音提示：人員靠近開關站入口時系統自動以語音方式提示環境安全狀況，提醒工作人員是否可以安全進入開關室。

5）聲光告警：監測到SF6濃度超標或缺氧時，系統以高頻笛音以及告警燈報警提示現場人員及時處理。

6）風機運行狀態指示：顯示當前風機的運行狀態，便于判斷進入開關室前是否需要強制通風。

7）數據自動保存功能：能夠存儲不低于5年的歷史數據，自動更新覆蓋5年以上的信息記錄，系統掉電的情況下，永不丟失數據。

8）歷史數據查詢功能：可以通過菜單進入系統界面，查詢歷次報警信息和5年以內的歷史監測數據。

（4）安全控制：

1）風機聯動控制：實時監測到SF6濃度超標或缺氧低時，自動控制風機通風，直到SF6和氧氣濃度恢復正常。

2）風機定時控制：自定義時段通風，保證開關室每天都能按時通風。

3）遠動告警：提供硬接點的形式與RS485通信，實現主控室或調度中心的通信和遠程告警。

SF6氣體在線監測系統原理圖如圖2所示。

2? ? GIS預制艙密封

2.1? ? 底部

GIS艙體為了避免水浸，一般會設計封閉式或架空式基礎，GIS艙體底部處于懸空狀態。當變電站建設在濕氣比較嚴重的區域時，為防止潮氣經GIS艙體底部縫隙進入艙體，對GIS設備造成腐蝕，宜采用噴涂發泡聚氨酯工藝對艙體底部進行整體防潮密封處理，如圖3所示。

2.2? ? 艙體墻面

GIS母線連接需要在艙體墻面進出，在艙體設計時應確保GIS管道及法蘭可以整體穿過艙體墻面，且后期安裝好設備后應做二次防水密封處理，密封材料宜選擇非導磁材料。為了確保防水性、穩定性、耐久性、可靠性，宜采取設置防水翻邊，加裝硅橡膠密封膠條+阻燃泡料+防水扣板的模式，拼接處采用密封結構+密封材料的雙保險處理，實現防水密封的雙重保證，如圖4所示。

3? ? GIS預制艙接地系統設計

GIS的母線和筒體是一對同軸的電極，構成稍不均勻的電場。當大電流在母線通過時，母線感應電場會在筒體產生較大的感應電流，并在周邊的鐵磁導體中產生渦流，影響設備的可靠性，并有潛在的觸電風險。為了避免上述情況的發生，GIS設備應充分接地。

（1）對于一體式的GIS，應采用全鏈多點接地的方案;對于分段絕緣的GIS設備應在每一段設置一個接地點。

（2）對于三相共筒式GIS，應采用多點重復接地，以避免三相平衡時筒體的感應電流危害。對于分相式GIS，不得將接地線串聯后接地，應將每相接地單獨引出短接后接至接地點。

（3）設備附屬安裝的扶手、爬梯等也應用專用接地導體連接至接地點。

（4）GIS設備的接地必須保證其可靠性，當正常工作時所有金屬外殼都運行在地水平電位，母線各段間電位差在允許范圍內，接地導體應保證熱穩定性要求（熱穩定電流取單相接地故障時最大不對稱電流有效值的35%），且和現場主接地網可靠連接，不可直接用簡單的連大地作為接地點。

考慮GIS設備的接地點數量較多，接地可靠性需求較高，可在GIS設備外圍設置一圈接地母排，該母排四角通過4根不低于50 mm2接地電纜和主接地網直接相連。

4? ? GIS設備濾震隔音設計

GIS設備在運行過程中會有頻率50 Hz的振動，且會有噪聲產生。運行過程中振動會對艙體強度、密封等造成一定影響。特別是將GIS艙體設計在二層鋼結構上時表現尤為明顯，為了減少GIS艙體對下層艙體或鋼結構的影響，特設計一款抗震裝置對GIS艙體進行減震。

本文以斷路器數量為1、重量為8 t的GIS設備為例，以設備動載荷15 kN、設備承載鋼結構尺寸面積等信息為基準信息，進行減震墊選型。設備安裝如圖5所示。

4.1? ? 設備鋼梁布置及載荷信息

（1）GIS設備底部鋼梁材料為14#槽鋼，槽鋼翼寬58 mm;

（2）鋼梁接觸面長度共計：6.6×2+0.6+0.4×2=14.6 m;

（3）受力面積：14.6×1 000×58=846 800 mm2;

（4）螺栓需要空缺30 mm位置忽略不計;

（5）設備總重8 t，即80 kN靜載壓力;

（6）設備動載荷15 kN，即當設備運行時，總載荷為80+15=95 kN。

4.2? ? 設備靜載及動載受力計算

（1）設備靜載壓力：

80 000÷846 800≈0.094 N/mm2

（2）設備動載壓力：

95 000÷846 800≈0.11 N/mm2

4.3? ? 減震墊使用面積計算

（1）不同厚度減震墊承受靜載應≯0.11 N/mm2，不同厚度減震墊承受動載應≯0.16 N/mm2;如果超載將導致減震墊失效，失去減振能力。

（2）根據受力分析計算受力面積：

80 000÷0.11≈727 000 mm2

95 000÷0.16=593 750 mm2

為了確保動載及靜載條件下減震墊均不失效，減震墊接觸面積應≥727 000 mm2（0.727 m2），條件允許的情況下應盡可能多填充，建議將受力面積（14.6×1 000×58=846 800 mm2）全部填充減震墊。減震墊填充位置如圖6所示。

4.4? ? 減震墊厚度選型及分析

（1）不同厚度減震材料分別在設備靜載及動載條件下固有頻率如表1所示，動載條件下減震效率對比如表2所示。

（2）根據表1及表2綜合分析：

1）考慮到厚度12.5 mm減震墊動載及動載性能均與其他厚度差異較大，所以放棄使用12.5 mm厚度減震墊;

2）25 mm、37.5 mm、50 mm厚度減震墊性能接近，且均能滿足使用要求;

3）考慮到經濟性、施工便利性、減小運輸風險、盡可能減小對艙體內部凈高影響等因素，綜合考慮建議采用厚度為25 mm的減震墊;

4）選擇25 mm減震墊可達到94%～97%的隔震率，降低噪聲25～30 dB，是綜合功能性與經濟性的最優選擇。

5? ? 結語

預裝式戶內GIS變電站預制艙能夠大大改善設備運行環境，延長GIS設備使用壽命，減少設備故障率，有效保障變電站可靠運行，是未來變電站特別是海上風電項目建設的大趨勢。本文主要以配合GIS設備使用需求為側重點闡述預裝式戶內GIS變電站預制艙設計要點，可為后續預裝式戶內GIS變電站設計提供借鑒。

[參考文獻]

[1] 高壓/低壓預裝式變電站：GB/T 17467—2010[S].

[2] 六氟化硫電氣設備中氣體管理和檢測導則：GB/T 8905—2012[S].

[3] 盧啟付.廣東電網GIS運行情況及故障分析[EB/OL].（2015-05-24）[2020-07-03].https：//wenku.baidu.com/view/

20961e8116fc700aba68fc35.html.

[4] 許志元，李永寧，楊琦欣，等.一起110 kV GIS斷路器氣室爆炸事故的分析及建議[C]//山東電機工程學會2012年度學術年會論文集，2012：218.

[5] 無錫固亞德電力設備有限公司.湖南隆回龍源湖110 kV模塊化預裝式變電站[Z].

收稿日期：2020-07-08

作者簡介：燕飛飛（1988—），男，安徽宿州人，結構設計工程師，研究方向：模塊化智能變電站預制艙。