GIS裝置及其絕緣技術(shù)：第五章 氣體絕緣電力設(shè)備

1、第五章 氣體絕緣電力設(shè)備Xian Jiaotong University-2-內(nèi)容氣體絕緣金屬封閉式組合電器氣體絕緣輸電管道氣體絕緣變壓器其它氣體絕緣電氣設(shè)備Xian Jiaotong University-3-氣體絕緣金屬封閉式組合電器氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)的優(yōu)點(diǎn)：敞開式變電站(72 kV-1200 A, 215 MVA) 替代為金屬封閉式組合電器之后 占地面積和空間占有體積小城市征地困難水電站的升壓變電站安全可靠人員安全不受氣候影響無火災(zāi)、不破壞環(huán)境電磁兼容性好安裝工作量小，檢修周期長，壽命長k= 10/UnXian Jiaotong University-4-氣體絕緣金屬封

2、閉式組合電器19561966200015001000delivered bays197619961986 300 kV2004 2006500 300 kVMilestones GISEarly researchFirst 500 kV GISClaireville (CA)First 170 kV GISSempersteig (CH)Largest 500 kV GISItaipu (BR)First 500 kV GIS in China, JiangmenFirst 800 kV GIS Alpha (ZA)500 kV GISThree Gorges (CN) GIS的應(yīng)用：Xian

3、 Jiaotong University-5-氣體絕緣金屬封閉式組合電器1: 母線2、8: 隔離開關(guān)3、7 : 工作接地開關(guān)4、6: 電流互感器5: 斷路器9: 接地開關(guān)10: 電壓互感器11: 套管避雷器電纜終端控制柜Xian Jiaotong University-6-氣體絕緣金屬封閉式組合電器江蘇無錫華潤變電站Xian Jiaotong University-7-氣體絕緣金屬封閉式組合電器母線單相封閉式母線三相封閉式母線D/d = 2.7r0/rs = 0.55rc/rs = 0.167因?yàn)榉种С鼍€的緣故，三相封閉式母線的導(dǎo)體布置與氣體絕緣輸電管道不同，內(nèi)導(dǎo)體位于半徑r0的圓周上，位于底

4、部的內(nèi)導(dǎo)體與其它兩相相差90GIL中的電極結(jié)構(gòu)Xian Jiaotong University-8-氣體絕緣金屬封閉式組合電器斷路器 斷路器是系統(tǒng)中最重要的開關(guān)電器，其基本要求是: 具有足夠的開斷能力和盡可能短的動(dòng)作時(shí)間，并且要有高度的工作可靠性。 最重要的任務(wù)是熄滅電弧。Xian Jiaotong University-9-氣體絕緣金屬封閉式組合電器斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過程合閘滅弧觸頭分離分閘分閘開始單壓式斷路器的開斷過程Xian Jiaotong University-10-氣體絕緣金屬封閉式組合電器斷路器的液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)手動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、彈簧機(jī)構(gòu)Xi

5、an Jiaotong University-11-氣體絕緣金屬封閉式組合電器隔離開關(guān)隔離開關(guān) 隔離開關(guān)沒有滅弧能力，不能開端負(fù)荷電流和短路電流，否則將造成嚴(yán)重誤操作，會在觸頭間形成電弧，不僅損害隔離開關(guān)，而且可能造成短路。 一般只有電路在被斷路器斷開情況下使用。 主要用途是保證高壓裝置中檢修工作的安全，檢修部分和帶電部分之間形成一個(gè)可靠且明顯的斷開點(diǎn)。 可以切斷電流較小的電路，如電壓互感器、避雷器等。Xian Jiaotong University-12-氣體絕緣金屬封閉式組合電器隔離開關(guān)a)c)b)d)隔離開關(guān)都做成積木式的模件Xian Jiaotong University-13-氣體絕

6、緣金屬封閉式組合電器隔離開關(guān)一般為推拉式結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)可分電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)-彈簧機(jī)構(gòu)和手動(dòng)操作。對隔離開關(guān)的要求：應(yīng)具有表示其分、合閘位置的可靠的指示裝置斷口在任何情況下都不能被擊穿，故斷口耐壓要求比對地絕緣電壓高能分、合感性小電流以及容性小電流和環(huán)流能力Xian Jiaotong University-14-氣體絕緣金屬封閉式組合電器接地開關(guān)工作用接地開關(guān)快速接地開關(guān)工作用接地開關(guān)是用于保證維修人員安全的，常與隔離開關(guān)組合到一起使用Xian Jiaotong University-15-氣體絕緣金屬封閉式組合電器快速接地開關(guān)快速接地開關(guān)應(yīng)具有關(guān)合接地短路電流的能力。它僅僅在發(fā)生電弧接地故障的時(shí)

7、候工作，以減少故障電弧的破壞作用。Xian Jiaotong University-16-氣體絕緣金屬封閉式組合電器快速接地開關(guān)Xian Jiaotong University-17-斷路器接地開關(guān)快速動(dòng)作接地開關(guān)Xian Jiaotong University-18-氣體絕緣金屬封閉式組合電器電壓互感器電磁式電壓互感器電容分壓器Xian Jiaotong University-19-氣體絕緣金屬封閉式組合電器帶電子放大器的電容分壓器Xian Jiaotong University-20-氣體絕緣金屬封閉式組合電器電流互感器采用環(huán)狀鐵芯結(jié)構(gòu)，互感器的初、次級之間的絕緣為氣體絕緣Xian Jia

8、otong University-21-氣體絕緣金屬封閉式組合電器金屬氧化物避雷器早期采用碳化硅避雷器，安裝在GIS之外?；鸹ǚ烹婇g隙在SF6氣體中放電分散性很大。金屬氧化物避雷器正常工作下電流在微安級別，不用串聯(lián)火花間隙，可以應(yīng)用到GIS中。Xian Jiaotong University-22-氣體絕緣金屬封閉式組合電器主要特點(diǎn): 長爬電距離 紙浸樹脂 電容屏 免維護(hù) 抗震瓷絕緣套管 瓷式GIS與其他設(shè)備的連接Xian Jiaotong University-23-氣體絕緣金屬封閉式組合電器主要特點(diǎn): 自清潔硅橡膠傘裙 長爬電距離 SF6氣體絕緣 運(yùn)行可靠性高 重量輕復(fù)合絕緣套管合成絕緣子

9、硅橡膠相比于瓷的特點(diǎn)硅橡膠相比于瓷的特點(diǎn): 更好的電介質(zhì)性能更好的電介質(zhì)性能 減少泄漏電流減少泄漏電流 重量降低重量降低 憎水性憎水性Xian Jiaotong University-24-氣體絕緣金屬封閉式組合電器電纜終端插拔式電纜終端采用插拔式電纜終端，使得GIS的安裝可以與電纜的安裝完全分開，在電纜試驗(yàn)、檢修時(shí)可以直接將電纜終端頭拔出，而不需要打開GIS的SF6氣室。Xian Jiaotong University-25-氣體絕緣金屬封閉式組合電器與變壓器連接套管Xian Jiaotong University-26-氣體絕緣金屬封閉式組合電器外殼GIS的外殼一般為鋼或鋁合金制。它必須能

10、承受一定的壓力，密閉性要好，當(dāng)GIS內(nèi)部萬一發(fā)生電弧時(shí)，必須不被燒穿，而且高溫造成的壓力上升不至于引起爆炸。外殼一般采用焊接或法蘭進(jìn)行連接。具有絕緣子的法蘭連接法蘭Xian Jiaotong University-27-密度檢測裝置原理結(jié)構(gòu)Xian Jiaotong University-28-氣體絕緣金屬封閉式組合電器壓力釋放裝置壓力釋放裝置當(dāng)壓力釋放裝置動(dòng)作時(shí)，不應(yīng)危害工作人員的安全。電弧造成的壓力升高，也可用來檢測故障位置。Xian Jiaotong University-29-觀測窗口便攜式內(nèi)窺鏡Xian Jiaotong University-30-氣體回收裝置Xian Jiaoto

11、ng University-31-氣體絕緣金屬封閉式組合電器控制柜 用于指令輸入、報(bào)警和聯(lián)鎖等用途的輔助電氣設(shè)備均安裝在相應(yīng)的就地控制柜內(nèi)。 用戶控制保護(hù)設(shè)備需要的電壓、電流等信號也是就地從控制柜的端子排上接取ABB的GIS的控制柜Xian Jiaotong University-32-氣體絕緣金屬封閉式組合電器快速暫態(tài)過電壓的問題 波前時(shí)間很陡(520 ns)SF6耐電強(qiáng)度高，放電形成時(shí)延短 有頻率很高的高頻電壓分量電壓波在GIS中折反射造成0.1-10 MHz 幅值并不高，很少到達(dá)2.0 p.u.VFTO的幅值大小與隔離開關(guān)觸頭間電弧重燃電壓大小有關(guān)，也與被開斷的母線上的殘余電荷的電壓值有

12、關(guān)，具有隨機(jī)性。危害：引起GIS或相鄰設(shè)備的絕緣故障Xian Jiaotong University-33-氣體絕緣輸電管道氣體絕緣輸電管道(GIL)GIL(Gas-insulated Metal-enclosed Transmission Line) 與氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)的母線結(jié)構(gòu)相似分單芯式GIL與三芯式GIL，單芯式GIL由同軸結(jié)構(gòu)的外殼和中間導(dǎo)體構(gòu)成;中間導(dǎo)體由導(dǎo)電率較高的鋁合金管構(gòu)成，管壁厚度約為10 mm-20mm，用絕緣子加以固定；外殼為鋁合金或鋼制，厚約為6mm-10mm，接地；管道中一般充以壓縮SF6或SF6/N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)；端部與GIS、變壓器等

13、直接連接或通過套管與其它設(shè)備連接；GIL兩端可設(shè)置金屬氧化物避雷器(MOA)以抑制過電壓；當(dāng)它被用于較長線路時(shí)，可在線路中間安裝隔離開關(guān)，以方便將線路分成幾段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。單芯式GIL與三芯式GIL結(jié)構(gòu)示意圖Xian Jiaotong University-34-氣體絕緣輸電管道GIL的組成：直線單元、轉(zhuǎn)角單元、補(bǔ)償單元、隔離單元以及套管Xian Jiaotong University-35-氣體絕緣輸電管道Siemens公司提供的GIL組件示意圖 CGIT Westboro公司提供的GIL組件示意圖 Xian Jiaotong University-36-氣體絕緣輸電管道GIL與GIS母線的

14、主要區(qū)別： GIS母線通常較短，而GIL長度一般超過100 m。GIS母線段一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多系鑄造而成，GIL結(jié)構(gòu)則相對簡單，比較多地采用擠制成型部件。 GIS母線通常使用盆式絕緣子或者帶孔的盆式絕緣子，絕緣子之間距離一般為6 m，絕緣子安裝在兩個(gè)法蘭之間，因此外殼上每隔6米設(shè)一個(gè)法蘭。GIL的絕緣子完全處于外殼內(nèi)部，除盆式絕緣子外，大量采用支柱絕緣子，因此外殼多采用焊接連接。 GIS母線的中間導(dǎo)體一般使用螺紋與盆式絕緣子連接，而GIL的中間導(dǎo)體連接大量采用焊接。 需要改變走向時(shí)，GIS母線段的轉(zhuǎn)彎角度一般為90 ，而GIL的轉(zhuǎn)彎相對比較自由，轉(zhuǎn)角單元的角度一般在85 178 之間。而且當(dāng)走向

15、只有微小改變時(shí)，可以取消轉(zhuǎn)角單元，利用GIL自身的撓性實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。GIS母線較短，存在導(dǎo)電微粒時(shí)容易檢查，通常不專門設(shè)置微粒陷阱以捕獲導(dǎo)電微粒，GIL比較長，安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件較不易控制，通常要設(shè)置微粒陷阱。Xian Jiaotong University-37-氣體絕緣輸電管道相對于架空線(OHL)和電纜，GIL的優(yōu)缺點(diǎn)：與充油電纜相比，GIL的電容量較小1/4與電纜相比，GIL的傳輸容量大截面超過10000 mm2，電流達(dá)到8000 A，傳輸容量4000 MVAGIL的電能損耗小每米100-200 W適用于高落差場合有垂直落差305 m的敷設(shè)實(shí)例 GIL的可靠性極高、無火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)(50年)與架

16、空線路相比，GIL的主要優(yōu)點(diǎn)是占地少 GIL無電磁干擾問題 不可能直接受到雷擊一次設(shè)備投資大一次設(shè)備投資為架空線的5-7倍，電纜的2倍左右，只有在高電壓大容量的情況下才有優(yōu)勢Xian Jiaotong University-38-氣體絕緣輸電管道GIL的使用場合 用于發(fā)電廠內(nèi)連接高壓變壓器和高壓開關(guān)設(shè)備 用于連接處于洞室之中的高壓變壓器和外部的架空輸電線 用于連接GIS和架空輸電線 用于連接兩個(gè)GIS 用于兩段架空輸電線交叉時(shí) 用于對環(huán)境要求比較高的地區(qū)，如風(fēng)景名勝區(qū)，或者征地比較困難的地區(qū) 在高電壓、大容量的場合，用作經(jīng)濟(jì)的長距離輸電線路Xian Jiaotong University-39

17、-氣體絕緣輸電管道全世界GIL的單相長度大約為200 km-300 km，電壓等級為138 kV-1200 kV。GIL目前主要還是用在架空線受限制的場合，用以替代電纜，隨著征地成本提高，人們對環(huán)境問題的日益重視以及GIL造價(jià)的降低，GIL將有可能成為長距離大容量的經(jīng)濟(jì)輸電方式。Xian Jiaotong University-40-氣體絕緣輸電管道一些GIL的實(shí)例Xian Jiaotong University-41-氣體絕緣輸電管道GIL的一些特殊部件微粒陷阱支撐絕緣子滑動(dòng)觸頭波紋管 Xian Jiaotong University-42-氣體絕緣輸電管道微粒陷阱和支撐絕緣子(a)三柱式支

18、撐絕緣子(b)盆式絕緣子CGIT Westboro公司的GIL絕緣子Xian Jiaotong University-43-氣體絕緣輸電管道防導(dǎo)電微粒設(shè)計(jì)的滑動(dòng)觸頭Xian Jiaotong University-44-氣體絕緣輸電管道GIL的安裝方式地上安裝電纜溝安裝隧道安裝直埋安裝Xian Jiaotong University-45-氣體絕緣輸電管道第二代GIL的特征采用SF6/N2混合氣體絕緣(20%-80%)采用現(xiàn)場組裝技術(shù)采用管道敷設(shè)技術(shù)Xian Jiaotong University-46-氣體絕緣輸電管道采用軌道焊接機(jī)焊接、采用超聲檢測控制焊接質(zhì)量，返工率小于1%，可在狹小的空

19、間內(nèi)進(jìn)行焊接Xian Jiaotong University-47-氣體絕緣輸電管道GIL的設(shè)計(jì)必須依據(jù)國標(biāo)DL/T 978-2005氣體絕緣金屬封閉輸電線路技術(shù)條件的規(guī)定進(jìn)行，該標(biāo)準(zhǔn)參考了IEC61640-1998額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣高壓剛性輸電線路技術(shù)報(bào)告的內(nèi)容。必須滿足以下幾個(gè)條件：絕緣設(shè)計(jì)：（1）最高場強(qiáng)的控制（2）導(dǎo)電微粒的狀態(tài)（3）絕緣子內(nèi)部場強(qiáng)（4）絕緣子表面場強(qiáng)熱性能設(shè)計(jì)防地震設(shè)計(jì)Xian Jiaotong University-48-氣體絕緣變壓器與傳統(tǒng)的油浸式變壓器相比，氣體絕緣變壓器的優(yōu)點(diǎn)：(1)不燃、不爆，安全性好，特別適用于城市人口稠密地區(qū)和高層建筑的

20、供電。(2)噪聲小于油浸式變壓器(3)重量小于油浸式變壓器(4)SF6氣體不象油那樣會老化，故運(yùn)行維護(hù)工作大大簡化(5)與GIS的連接非常方便與其它無油的防災(zāi)變壓器相比，GIT的主要優(yōu)點(diǎn)：(1)容量大(2)額定電壓等級高(3)對安裝環(huán)境的要求低GIT的主要缺點(diǎn)：(1)與油浸式變壓器相比，過載能力較差(2)沖擊系數(shù)較小，一般在1.25左右，遠(yuǎn)低于油浸式變壓器的1.7(3)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)難度大于傳統(tǒng)的油浸式變壓器，價(jià)格較高Xian Jiaotong University-49-氣體絕緣變壓器國內(nèi)SF6氣體絕緣變壓器的使用量總計(jì)已經(jīng)達(dá)到數(shù)十臺(分布于北京、上海、香港、深圳、重慶等地)Xian J

21、iaotong University-50-氣體絕緣變壓器日本275 kV GITXian Jiaotong University-51-氣體絕緣變壓器GIT的絕緣結(jié)構(gòu)匝間絕緣和筒式繞組的層間絕緣絕緣紙：O級(90)聚酯薄膜(PET)：E級(120)，100kV/mm聚芳酰胺紙：H級(180)，20-30kV/mm601443/it.E局部放電起始場強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系：一般而言，匝間絕緣裕度比較大Xian Jiaotong University-52-氣體絕緣變壓器SF6氣體壓力升高對工頻擊穿場強(qiáng)影響不大，但可以有效提高局部放電的起始場強(qiáng)Xian Jiaotong University-53-氣體

22、絕緣變壓器)1(/ )(1fffgggikdddUU層間絕緣的局部放電其實(shí)電壓估計(jì)公式：筒式繞組層間邊緣處電場很不均勻，電極邊緣的電暈起始電壓可用下式表示：5 . 0)1 . 0/(pdkUcXian Jiaotong University-54-氣體絕緣變壓器餅式繞組的縱絕緣GIT的線餅間工頻擊穿電壓高于油浸變壓器，但沖擊擊穿電壓則明顯低于油浸式變壓器。由于縱絕緣尺寸是由雷電沖擊耐壓值決定的，所以GIT的尺寸要比油浸式變壓器的尺寸大。Xian Jiaotong University-55-氣體絕緣變壓器主絕緣氣壓對工頻擊穿電壓的影響：0.1 MPa0.2 MPa 增長為約3倍氣體絕緣系統(tǒng)的沖擊系數(shù)小于油浸式提高絕緣強(qiáng)度