鋁加工廠GIS變電站設計問題的探討

林少華

【摘 要】 氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）是電力系統(tǒng)中的重要設備，在電力系統(tǒng)中使用的越來越廣泛。相對于常規(guī)110kV配電裝置，GIS是最具發(fā)展前途的開關裝置，它具有多項優(yōu)良的性能，具有占地少，建設快、結(jié)構緊湊、環(huán)境適應能力強、檢修周期長、運行安全可靠等等諸多優(yōu)點，因此GIS變電站模式將逐步成為變電站設計的首選。本文論述了新建GIS變電站在設計時應注意的幾個問題，涉及如何實現(xiàn)各種接線方式的GIS設備間隔擴建不停電、內(nèi)橋接線變壓器高壓側(cè)應選用快速隔離開關、SF6密度繼電器和指示壓力表應選用具有不拆卸即能實現(xiàn)現(xiàn)場校驗的裝置等問題，詳細分析了原因，并提出了相應解決措施，為新建GIS變電站設計提供了參考。

【關鍵詞】 GIS；SF6；擴建不停電；快速隔離開關；SF6密度繼電器和指示壓力表

GIS（gas—insulated metal—enclose switchgear），即氣體絕緣金屬封閉開關設備，又稱“六氟化硫封閉式組合電器”，它是將斷路器、隔離開關、接地開關、快速接地開關、電流互感器、電壓互感器和母線等元件組合并封閉于金屬殼體內(nèi)，充絕緣性能和滅弧性能優(yōu)異的六氟化硫（SF6）氣體組成一種組合式高壓電器。與傳統(tǒng)敞開式配電裝置相比，GIS具有占地面積小、安全可靠性高、檢修周期長、安裝維護工作量小、無電磁干擾等優(yōu)點。近年來，GIS在國內(nèi)得到了廣泛的應用。本文在借鑒以往工程設計經(jīng)驗教訓的基礎上，提出在新建GIS變電站設計時應重點注意的三個問題，詳細分析了原因，并提出了相應解決措施。

1 應考慮預留間隔后期擴建時不停電

由于工程建設成本與收益直接掛鉤，許多大型鋁加工項目采用分期建設模式，配套的GIS變電站相應采取分期建設方式，即土建部分一期工程一次建成，電氣設備分期實施。對于普通的變電站，由于擴建間隔的構架初期時已經(jīng)建好，搭接母線的時間較短，因此母線停電容易安排；GIS變電站則不同，由于母線對接后氣室還需抽真空、充SF6氣體、靜置、做耐壓試驗等，母線停電的時間很長，如果一期工程未規(guī)劃設計預留間隔擴建時的接口方案，后期擴建時往往會長時間停電，目前已有GIS變電站經(jīng)歷了擴建停電的噩夢。如何減少擴建時的停電時間，甚至是不停電，應成為GIS變電站設計人員考慮的重要問題。

為規(guī)范GIS工程設計，減少擴建時的停電時間，2011年8月23日國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《關于加強氣體絕緣金屬封閉開關設備全過程管理重點措施》第二章第八條、第九條對GIS工程擴建提出了的具體要求。

第八條 采用GIS的變電站，其同分段的同側(cè)GIS母線原則上一次建成。如計劃擴建母線，宜在擴建接口處預裝一個內(nèi)有隔離開關（配置有就地工作電源）或可拆卸導體的獨立隔室；如計劃擴建出線間隔，宜將母線隔離開關、接地開關與就地工作電源一次上全。

第九條 GIS變電站如計劃分期建設，在GIS采購時，應要求制造廠提供包括擴建預留部分在內(nèi)的完整的現(xiàn)場絕緣試驗方案。擴建完成后試驗時，應盡可能減少對原有設備的耐壓試驗次數(shù)。

從國家電網(wǎng)公司的擴建要求中不難看出，GIS變電站在規(guī)劃設計時就應該充分考慮擴建時的各項工作。

在110kV變電站設計中110kV側(cè)普遍采用四種接線方式：雙母線接線方式、內(nèi)橋接線方式、單母線分段接線方式、單母線接線方式。下面以ZF12-126（L）為例，對采用雙母線接線方式和內(nèi)橋、單母線分段、單母線接線方式的GIS擴建工程的不停電接口設計方案進行分析：

1.1雙母線接線

1.1.1以母線端部作為擴建接口，擴建完整間隔（見圖1、2）

間隔擴建時，F(xiàn)3母聯(lián)間隔具體操作為：CB分閘、DS2分閘、ES2合閘。F2間隔具體操作為：DS分閘、ES1合閘。F4、F5間隔具體操作為：DS2分閘。完成F5、F6間隔Ⅱ母線的擴建對接。

F3母聯(lián)間隔具體操作：CB分閘、DS1分閘、ES1合閘。F1間隔具體操作：ES1合閘、DS分閘。F4、F5間隔具體操作：DS1分閘。完成F5、F6間隔Ⅰ母線的擴建對接。

二期設備的擴建實質(zhì)上對一期設備沒有具體的要求，除了需要滿足對接接口的具體尺寸外，不受一期設備的限制。利用兩條母線的結(jié)構優(yōu)勢，完成不停電擴建對接。但是，兩條母線不能同時運行，且需要操作的開關相對較多。具體就需要考慮對接接口部位的結(jié)構（圖3）：

A、用不通絕緣盆子和一期隔開，使一期設備和后期設備對接時能保持在額定氣壓，這樣可保證一期設備不停電或停電范圍減少。B、對接接口部位采用可拆卸的伸縮節(jié)結(jié)構，將一期設備從氣室、導電回路隔斷。使后期設備先就位，單獨做完絕緣試驗后，再和前期設備對接。

1.1.2以母線隔離、接地開關處作為擴建接口（見圖4、5）

間隔擴建時，具體操作為：Ⅰ母帶電，所有負荷導向Ⅰ母，Ⅱ母停電，F(xiàn)6間隔具體操作：DS1分閘、DS2分閘、ES1合閘，回收DS2氣室內(nèi)的SF6氣體。

一期設備為“備用間隔（即僅上了母線上的隔離開關和接地開關）”，二期擴建時，將備用間隔的隔離開關分閘，接地開關合閘后，即可在不影響其它間隔運行的狀態(tài)下完成整個間隔的擴建。但是，兩條母線不能同時運行，且需要操作的開關相對較多。采用此種預留間隔后期對接時，對接面不在兩側(cè)存在氣壓差的絕緣子上，避免了外力直接沖擊氣隔絕緣子，對接相對較為安全，即使氣隔絕緣子出破裂問題，因為有DS2角隔筒體的緩沖作用，也不會對人員和設備造成較大傷害。

1.2內(nèi)橋、單母線分段、單母線接線

1.2.1以母聯(lián)間隔處作為擴建接口（圖6、7）。本圖示意為內(nèi)橋接線，單母分段原理與此相同。

間隔擴建時，F(xiàn)3間隔進行如下操作操作：CB分閘，ES2合閘，DS2分閘。因為單母線結(jié)構上一期設備中有母聯(lián)間隔，在擴建時，僅需操作母聯(lián)間隔，即可實現(xiàn)一期設備F1、F2間隔不停電，完成擴建對接。

1.2.2以母線隔離開關處作為擴建接口（圖8、9、10），本圖適用于內(nèi)橋接線、單母分段、單母線接線。

間隔擴建時，F(xiàn)3間隔具體操作為：DS1分閘，ES1合閘。因為一期設備中，包含了需要擴建間隔的母線隔離開關、接地開關。所以，在擴建時，僅需對母線隔離開關、接地開關相關操作，即可完成擴建對接。本主接線方式，是否能夠?qū)崿F(xiàn)不停電對接，決定與一期設備的結(jié)構，故一期設備需特殊設計（見圖10），前期上設備DS1和ES1作為一個獨立氣室和后期對接法蘭之間用不通盆隔離開，保證對接時不拆卸不通絕緣子，使DS1和ES1氣室作為過渡氣室且處于額定壓力，保證隔離斷口絕緣不擊穿，DS1分閘，ES1合閘，實現(xiàn)不停電對接。如果沒有過渡氣室或?qū)舆^程需要拆卸絕緣子及螺栓，則無法實現(xiàn)不停電對接。

綜合上面的分析，可以得出結(jié)論：

新建GIS變電站采用雙母線接線方式時，根據(jù)實際情況，有兩種設計方案：

后期擴建間隔在母線端部時，要想使間隔擴建時不停電，可以采用在擴建接口處設置獨立氣室，并預留可拆卸的伸縮節(jié)結(jié)構的建設位置的方案。

后期擴建間隔在中間位置時，必須在一期工程建設擴建間隔的母線隔離開關及接地開關，并要求母線與母線隔離開關之間、兩個母線隔離開關之間不在一個氣室內(nèi)。

新建GIS變電站采用單母線接線方式時，要想使間隔擴建時不停電，必須在一期工程建設擴建間隔的母線隔離開關及接地開關，并要求將隔離開關及接地開關處于一個獨立氣室。

新建GIS變電站采用單母線分段或內(nèi)橋接線方式時，根據(jù)實際情況，有兩種設計方案：

后期擴建一段母線的所有間隔，要想使間隔擴建時不停電，必須在一期工程建設母聯(lián)間隔。

后期擴建某段母線某一或某幾個間隔，要想使間隔擴建時不停電，必須在一期工程建設擴建間隔的母線隔離開關及接地開關，并要求將隔離開關及接地開關處于一個獨立氣室。

為確保新建GIS變電站在預留間隔擴建時母線不停電，設計者還可在招標技術規(guī)范書和技術協(xié)議書中要求廠家有針對性地提出不停電擴建的完整方案，并體現(xiàn)到施工設計中。

2 內(nèi)橋接線主變壓器高壓側(cè)應選用快速隔離開關

某工程配套建設110kVGIS變電站，110kV側(cè)接線簡圖如下圖所示：

全站由進線2主供的情況下，若1021號刀閘采用的是普通的隔離開關，無法斷開空載變壓器，當2號變壓器要進行檢修或預試時，就只能斷開110kV進線182號開關，全站停電，然后斷開1021號刀閘主變壓器停電，再回復182號開關對1號主變壓器供電，2號主變壓器才能進行檢修，事實上，由于遵守先斷開負荷側(cè)開關才能斷開電源側(cè)開關的操作順序，全站停電的時間將會很長。

如果1021號刀閘采用的是快速隔離開關，可以開斷變壓器的空載電流，當2號變壓器要進行檢修或預試時，可以直接斷開變壓器低壓側(cè)開關，然后拉開1021號刀閘對主變壓器停電，完全不影響1號主變壓器的供電，極大地縮短了2號主變壓器的停電時間。由此可見，內(nèi)橋形接線主變壓器高壓側(cè)選用快速隔離開關將給今后的檢修和維護帶來很大的方便。

3 SF6密度繼電器和指示壓力表應具有不拆卸即能實現(xiàn)現(xiàn)場校驗的裝置

根據(jù)電力設備預防性試驗規(guī)程中關于GIS設備的要求，應按照周期對SF6氣體密度監(jiān)視器（包括整定值）進行預試。國家電網(wǎng)公司18項電網(wǎng)重大反事故措施（試行）關于“預防SF6斷路器及GIS故障的措施”明確規(guī)定：SF6壓力表和密度繼電器應定期進行校驗。但大量的密度繼電器由于沒有專用的接頭，必須拆卸后才能進行測試，僅僅為了預試在現(xiàn)場進行大量密度繼電器的拆卸幾乎是不可能的。另一方面，有些生產(chǎn)廠家密度繼電器的接頭是定型產(chǎn)品，他們不愿意改變定型設計，從而導致不能嚴格貫徹執(zhí)行預試規(guī)程和反措的要求。隨著反措貫徹力度的加強，很多廠家也生產(chǎn)出了不拆卸即能實現(xiàn)現(xiàn)場校驗的密度繼電器。因此在標書和技術協(xié)議中應特別強調(diào)SF6密度繼電器和指示壓力表應具有不拆卸即能實現(xiàn)現(xiàn)場校驗的裝置，并在投運前認真驗收。有種不拆卸即能實現(xiàn)現(xiàn)場校驗的裝置類似于管道的三通接頭，有兩個閥門。當主閥門關閉后，打開側(cè)閥門即可以很方便地用儀器校驗密度繼電器。校驗完成后，關閉側(cè)閥，打開主閥恢復正常運行狀態(tài)。要特別注意的是，試驗完成后一定要開啟主閥門，否則密度繼電器的讀數(shù)無法正確反映GIS氣室的實際壓力，若開關氣室漏氣未被發(fā)現(xiàn)，壓力繼續(xù)降低有可能造成開關無法滅弧發(fā)生爆炸的嚴重后果。

4 結(jié)束語

作為設計人員，在進行GIS變電站設計時，應認真做好主接線及設備選型的分析比較工作，制定出兼顧運行、檢修、試驗及擴建階段的主接線方案及設備選型方案，并注意加強GIS設備方面知識的學習和交流，不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓，對設計中存在的不足加以改進和完善。

參考文獻：

1. 王平，王慧娟，郭路遙，呂琦.GIS變電站靈活性擴建及電氣試驗方案的研究[j].電氣時代.2010.（8）

2. 鄭澤鴻.GIS變電站幾個應予注意的問題[j].技術與管理.2007.（2）：53-54