110kVSF6氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）應用

明宏博

（中煤邯鄲設計工程有限責任公司，天津 300252）

1.概況

1.1 GIS設備簡介

1.2 GIS設備應用現狀

《國家電網公司輸變電工程典型設計110kV變電站》中，共有13個典型設計方案。其中戶外站3個方案，戶內站5個方案，半地下站2個方案；戶內站和半地下站所有方案的110kV配電裝置均采用GIS。根據《國家電網公司輸變電工程典型設計110kV變電站》，使用GIS的場合有：（1）人口密度高，地價高的地區；（2）受到外界條件限制，站址選擇困難的地區；（3）特殊地形條件；（4）高地震烈度地區；（5）高原地區；（6）嚴重大氣污染地區；（7）電纜出線多的項目[2]。

煤礦附近一般工業項目較多，大氣污染較為嚴重；部分煤礦位于山區，站址選擇較為困難；且我國位于環太平洋地震帶上，大部分煤礦所在地抗震設防烈度等級較高。結合GIS具有運行可靠性高、維護工作量小、檢修周期長等優點，近幾年建設的大型礦井變電站的110kV配電裝置大部分采用GIS。同時，城市區域因為地價昂貴，站址選擇困難，為了節約用地，110kV配電裝置一般也選擇GIS。

2.GIS設備的組成

GIS設備由各部分元件組成，包括斷路器、隔離開關、接地開關、母線筒、避雷器、電流互感器、電壓互感器、進出線套管、電纜連接裝置和匯控柜等。GIS設備間隔斷面圖如圖1。

圖1 GIS設備間隔斷面圖

3.GIS設備與敞開式配電裝置的比較

3.1 技術方面

3.1.1 設備可靠，安全性高

敞開式配電裝置的外絕緣容易受到外界天氣條件的影響，包括大風、大霧、雷電、積雪等，均會對敞開式配電裝置的供電安全性造成嚴重的威脅。GIS設備的導體和高壓元件均密封在金屬外殼中，其絕緣不受外界條件的影響，且老化速度慢，絕緣被擊穿的可能性低；SF6氣體為不燃燒氣體，設備不存在火災危險；因此設備的可靠性和安全性較好。

3.1.2 維護工作量小、檢修周期長

敞開式配電裝置需要定期對絕緣子進行清理，維護工作量大。GIS設備氣體泄漏率低，設計補氣周期一般為5～10年。SF6氣體是惰性氣體，設備運行過程中氣體不易分解。在SF6氣體中的電弧能量小，斷路器觸頭的燒損速度慢，斷路器壽命期長。GIS設備運行維護的主要工作是監測各個氣室的SF6壓力，因為設備制造工藝先進，設備密封性較好，設備運行維護的工作量遠小于敞開式配電裝置。

當地林業主管部門要加強股份制合作社的組建指導，要借鑒股份制合作社組建經營成功經驗。縣農業局要加強對合作社規范化管理的監督，推進合作社“五化”建設。縣政府要整合各相關部門資源，出臺專項扶持政策，持續支持股份制合作社發展，要加大對規范化、示范性合作社的項目傾斜和資金獎補，引導全縣毛竹股份制合作社規范健康發展。

3.1.3 結構緊湊、占地面積小

GIS設備結構緊湊，可采用室內布置，且可以布置在配電樓二層，因此節省了變電站的占地面積，而敞開式配電裝置只能設置在室外場地，且有安全間距的要求。因此GIS設備的占地面積遠小于敞開式配電裝置。

3.1.4 安裝周期短、施工方便

GIS設備主要在工廠內完成裝配和調試，基本以間隔為單位包裝運輸，省去了現場大量的安裝和調試工作量。

3.2 投資方面

3.2.1 設備投資

110kVGIS間隔的價格大概在50萬元，而敞開式110kV配電裝置單個間隔的設備總價約為35萬元。110kV GIS間隔和110kV敞開式配電裝置間隔之間的差價約為15萬元，110kVGIS間隔投資比110kV敞開式配電裝置間隔多30%左右。

3.2.2 占地面積

GIS設備間隔占地根據設備制造廠和工程實際略有不同，以斷路器間隔為例，單個間隔的尺寸約為：長×寬=6000mm×1500mm。敞開式110kV配電裝置單個間隔的尺寸約為：長×寬=9000mm×8000mm。GIS設備的占地面積遠小于110kV敞開式配電裝置。GIS設備結構緊湊、節省占地面，可減少土地征用、土建開挖、地基處理等方面投資。

3.2.3 設備運行維護

GIS設備的可靠性高、供電安全可靠，檢修維護周期長，運行維護工作量遠小于敞開式配電裝置，因此其年運行費用低于敞開式配電裝置的運行維護費。

雖然GIS設備初期投資高，但從工程全壽命周期內綜合考慮投資，GIS設備投資要低于敞開式配電裝置。

4.110kVGIS設備設計工作應注意的事項

因為GIS設備結構的特殊性，在項目設計過程中需要注意以下幾點：

4.1 對土建專業的要求

室內地面宜采用耐磨、防滑、硬度高的地面，并保證基礎的不均勻沉降程度滿足GIS設備的要求[3]。為了防止因基礎不均勻沉降造成GIS設備變形，進而引起漏氣和操作失靈等故障。如果GIS設備數量較少，為確保供電安全，設備布置避免跨越土建結構縫。

4.2 采暖通風專業的要求

GIS配電裝置室內事故發生后，有害氣體外溢，將分解成各種成分的有害氣體，但大多比空氣重，聚集于房間的下部，只有一種HF氣體比空氣輕，會上升到室內上部，但又會迅速發生化學反應，生成穩定的SF6分子并下沉到室內下部。所以事故排風主要是排除位于房間下部的有害氣體，為了安全，也需要室內的上部設置風機。

4.3 起吊設備

GIS配電裝置室內應設置行車等起吊設備[4]，起吊設備的載重量應滿足設備安裝、調試和檢修的要求。設備廠家將GIS間隔組裝完成后將設備運到現場，在現場需要將各設備間隔組裝到一起并充SF6氣體。110kVGIS單個間隔的重量約為5t，一般在GIS配電裝置室內設置1臺行車，起吊重量應滿足單個間隔的吊裝。

4.4 環境溫度對設備性能的影響

GIS設備內充有SF6高壓氣體，斷路器氣室壓力為0.6MPa，SF6液化溫度為-26℃，其他氣室壓力為0.4MPa，SF6液化溫度為-40℃。設備溫度如果超過允許最高溫度，會造成氣室壓力過高，增加了設備漏氣風險。設備溫度如果低于最低允許溫度，SF6高壓氣體會發生部分液化，造成GIS斷路器滅弧性能和絕緣性能下降，可能造成短路事故和斷路器失效，嚴重威脅電力系統的安全。因此訂貨時應明確設備使用地點和該地區的氣象參數，作為設計依據，如果環境溫度不滿足要求，可以采取電加熱或者將設備放置在室內等措施。

4.5 接地要求

應為GIS開關設備區域設置專用接地網，并應與變電站總接地網相連。

GIS設備外部近區故障時，人觸摸金屬外殼時的接觸電位差應滿足相關規范要求。GIS設備區域專用接地網與站內主接地網的連接，應采用不少于4根連接線。4根連接線的熱穩定校驗電流取值為單相接地故障時最大不對稱電流有效值的35%。GIS設備與電力電纜直接連接時，電力電纜金屬護套及屏蔽層應通過接地導體，以最短路徑接到接地母線或GIS設備區域專用接地網。GIS設備外殼和單芯電纜金屬護套之間，應安裝護層電壓限制器等進行保護。

根據以上分析，110kVGIS雖然設備價格比敞開式配電裝置高一些，但是110kVGIS在占地面積、安全可靠性、運行維護工作量等方面有諸多優勢，在城市地區以及大型煤礦內得到了廣泛的應用。在設計工作中應該針對GIS的特點，對相關土建、采暖通風、設備起吊、環境、接地等方面予以注意。

5.應用實例

110kVGIS設備的用戶已涵蓋國家電網變電站，電力、冶金、化工及煤炭行業、風電及光伏等行業。

實例一：長平煤業蘆家峪110kV變電站于2015年底投運，主變容量為2×63MVA，電壓等級110kV/35/10kV，110kV為單母線分段接線。110kV配電裝置為ZF33-126GIS設備，斷路器額定電流2000A，額定短時耐受電流40kA（4s）。110kV配電裝置由7個GIS間隔組成：電源進線間隔2個，主變進線間隔2個，母線PT間隔2個，母線分段間隔1個。GIS設備已連續運行4年，做到了GIS設備的免維護。

實例二：劉莊礦西區110kV變電站于2013年投運，主變容量為2×20MVA，110kV和10kV側均為單母線分段接線。110kV配電裝置為ZF33-126GIS設備，斷路器額定電流2000A，額定短時耐受電流40kA（4s）。110kV配電裝置由7個GIS間隔組成：電源進線間隔2個，主變進線間隔2個，母線PT間隔2個，母線分段間隔1個。GIS設備已連續運行6年，做到了GIS設備的免維護。