戶外GIS設備防護棚設計研究

李忠富，朱潤東，閆亞剛，張娟

（1.平高集團有限公司；2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001）

GIS即氣體絕緣金屬封閉開關設備是變電站中關鍵設備之一，擔負著電力匯集、轉移、調配、控制及保護的作用。它主要是將斷路器、隔離開關、接地開關、快速接地開關、電壓和電流互感器、避雷器、母線、出線、匯控柜等元件按規定的主接線進行組合，并全部封閉在充有SF6絕緣氣體的金屬殼體內，其設備體積小、集成度高、運行維護安全可靠，在電網中有著非常廣泛的應用。在一些進出線規模較大、電壓等級較高、土地資源相對寬裕的場合，往往采用戶外安裝的GIS。近年來，隨著戶外GIS總體裝用量逐漸增多，受溫度、濕度、風沙、雨雪、污穢等環境影響，戶外GIS缺陷數量隨著年限增加呈指數上升勢態，由于缺陷導致安全事故頻發，對電網安全穩定運行影響日益顯現。因此，急需采取措施改善戶外GIS運行環境，降低設備缺陷發生率，延長設備壽命，提升設備運行可靠性。

1 戶外GIS缺陷統計

以某一地區在運GIS設備數據為例，該地區共有745套GIS，戶外GIS有162套，占總量21%。而一年中戶內外所有GIS發生缺陷總計1147起，戶外GIS為1039起，占總缺陷91%；戶內GIS為108起，占總缺陷9%，見圖1所示。可以看出，雖然戶外GIS數量占比少，但發生故障次數明顯高于戶內，同期投運戶內GIS缺陷率僅為戶外的1/10左右。

圖1 戶外GIS缺陷比例統計圖

進一步，對戶外GIS缺陷的類型統計分析，其中漏氣743起、銹蝕136起、元件老化138起，其他問題22起。由此可見，戶外GIS缺陷類型主要集中在漏氣、銹蝕和元件老化，該三項占總缺陷數高達98%以上。

2 戶外環境影響分析

2.1 溫度的影響

按GB有關規定，戶外GIS設備正常工作溫度為-40～+40℃。溫度過低，GIS中起潤滑、防銹、密封和緩沖作用的化學物質（如液壓油、潤滑油、導電硅脂等）的黏度增加而運動阻力增大，使開關分合閘速度降低，影響開斷熄弧性能。SF6氣體在低溫條件下可能出現液化，造成氣體壓力不足密度下降，導致設備絕緣性能和開斷能力下降。溫度過低還可能使密封材料性能劣化，造成設備漏氣、漏油、進水等問題。

溫度過高，會導致GIS密封材料膨脹變形滲出密封槽、一些固體絕緣件加速老化、二次元器件塑料殼體變形變色。受戶外陽光照射的影響，設備溫升增加影響到正常通流，據DL/T5222標準規定，設備周圍環境溫度大于40℃，環境溫度每提升1K時，設備允許運行負荷電流就需要降低額定電流負荷的1.8%。

2.2 濕度的影響

我國長江以南地區空氣濕度較大，全年有3個月左右時間相對濕度達90%以上，這期間零部件表面會附著一層厚度為微米級的水膜。水膜會導致GIS設備絕緣件外表面絕緣電阻降低而泄漏電流增加，絕緣件受潮后將影響其絕緣性能。水份附著在零部件表面會促使霉菌旺盛繁殖，加速零部件外觀損壞。GIS設備使用材料主要包括普通碳素鋼、鋁鎂合金、不銹鋼、銅等，這些材料長期在潮濕環境下腐蝕速度成倍增加，造成GIS本體、連接桿、螺栓、管路等金屬部件出現不同程度的銹蝕問題。

2.3 污穢的影響

在沿海地區和重工業集中區域，如火電廠、煉油廠、水泥廠、化工廠和沿海油田等，空氣污穢較為嚴重，水霧、鹽霧、泥沙及腐蝕性氣體都會污穢GIS設備的外絕緣，使表面閃絡電壓下降，發生污閃事故。特別是秋末冬初和冬末春初之際，以及天氣久晴后遇到毛毛雨就更為嚴重。GIS外部零部件在嚴重污穢條件下，同樣也會加速設備老化速度，設備預期壽命將大打折扣。

3 GIS防護棚方案設計

綜上所述，戶外GIS受限于零部件材質、防腐工藝和現場安裝等多方面原因，無法滿足長期戶外運行條件。另一方面，隨著工業化進程的推進，日益嚴重的大氣污染，加速了戶外GIS的老化和銹蝕。故有必要在戶外GIS設備區加裝一種造價經濟、安裝快捷、滿足防風、防雨、保溫要求的鋼結構防護棚，以改善GIS的運行環境。

3.1 結構設計

GIS設備防護棚的結構型式采用一層門式剛架結構，基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎，鋼結構為模塊化設計和工廠內預制，現場可快速拼裝。如圖2所示，防護棚高度根據設備最高點的檢修空間和帶電部分至接地部分之間最小安全凈距考慮。長度和寬度則根據設備檢修、起吊、運行、巡視以及SF6氣體回收所需的空間和通道等因素考慮，一般要求內部主通道靠近斷路器側，寬度為2～3.5m，巡視通道大于1mm。頂部采用金屬巖棉夾芯板，四周采用雙面單層彩鋼板，頂部和內墻作耐火處理，耐火等級不低于二級。鋼梁的耐火極限不小于1.5h，柱的耐火極限不小于2.5h。防護棚內開設固定窗采光，并采取防止雨、雪、小動物、風沙及污穢塵埃進入的措施。根據防護棚面積大小設2個及以上安全出口，并保證在任意一點到疏散門的直線距離不大于15m。地面采用耐磨、防滑、高硬度的地面。

圖2 GIS防護棚設計示意圖

3.2 電氣設計

GIS設備防護棚電氣設計除了考慮正常的照明系統、配電系統、視頻監控系統外，還應針對GIS設備運行的特殊性考慮如下幾點。

（1）按照事故排煙要求，裝設足夠的事故通風系統。在防護棚內設置上下層通風系統，上層用于事故排風兼做散熱排風，下層用于抽除內部SF6等有毒或污濁氣體。

（2）為了保證進入防護棚作業人員的安全，設置SF6氣體泄漏報警儀并與通風系統電氣聯動。對防護棚內SF6氣體濃度進行連續監測，當SF6氣體濃度達到限值時，自動打開風機通風換氣，同時傳達信號到控制室。

（3）按變電站防火設計規范，配置微機火災報警裝置及煙感探測器，對防護棚內煙霧含量進行連續監測。當煙霧含量達到報警值時，微機火災報警裝置將會進行報警，提醒運維人員及時查看處理。

（4）為了改善設備運行環境條件，可配置溫濕度控制系統及溫濕度傳感器，并與防護棚內的空調、采暖、除濕設備實現電氣聯動，使防護棚內溫濕度控制在適宜GIS設備運行最佳范圍內。

3.3 建設原則

（1）設備運行10年以上、老化速度異常、漏氣和銹蝕等缺陷頻發的戶外GIS，建議集中開展設備缺陷隱患整治后加裝防護棚，延長GIS使用壽命。

（2）沿海地區、重污染、高污穢、高低溫、日溫差大等氣候條件惡劣地區的戶外GIS，優先考慮加裝防護棚。

（3）對電力樞紐站、重要供電負荷、核電等特殊用途的戶外GIS，為了保證設備穩定可靠運行，建議加裝防護棚。

4 結語

戶外GIS設備加裝防護棚簡單有效，可大大改善GIS運行環境。建設時可采取間隔輪停方式，每間隔大約只需停電3天，施工影響小，投資成本低，比常規框架結構廠房節約50%以上。根據前期試點工程效果：某站戶外GIS設備加裝防護棚前，隨著年限增加，漏氣、銹蝕、元件老化等缺陷逐年增加。加裝后，GIS運行環境明顯改善，有效解決戶外變電站設備因風吹雨淋極造成密封面漏氣、設備銹蝕、刀閘拒動等問題，異常缺陷得到有效抑制。