电压550kV气体绝缘金属封闭高压开关设备的技术发展

　　550kV气体绝缘金属封闭高压开关设备的技术发展

　　高二平

　　摘要： 根据额定电压550 kV的气体绝缘金属封闭开关设备在我国UHV工程上的应用情况，结合各功能模块的设计、使用配置及结构特点,本文对ABB 550kV气体绝缘金属封闭高压开关设备(GIS/HGIS)的产品特点及相关技术发展进行了论述。

　　关键词：额定电压550 kV、气体绝缘金属封闭开关设备(GIS/HGIS)

　　Technical Development of 550kV Gas-insulated metal-enclosed high voltage switchgear

　　GAO Erping

　　Abstract: As the application of 550 kV Gas-insulated metal-enclosed high voltage switchgear in China UHV projects, and technical design, engineering configuration and structure characteristics of each function 550 Kv GIS / HGIS modules, this paper gives technical development of 550 Kv GIS / HGIS products.

　　Key words: Rated voltge 550 kV、Gas-insulated metal-enclosed high voltage switchgear (GIS / hybrid GIS)

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　　1 引言

　　随着我国UHV工程项目的建设，为额定电压为550 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备(GIS/HGIS)的制造业带来了机遇和挑战。ABB是GIS/HGIS技术的先行者和领导者，是最早推出高压GIS的厂家(1965年推出第一套GIS)，其GIS/HGIS产品及相关技术经过多年的不断创新和发展，现有产品系列完善、技术成熟可靠，而且全球供货业绩最多，平均无故障周期最长( MTBF>1500年，CIGRE统计全球平均水平为570年 )。ABB在550kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备上，如800 kV 1100 kV/1200 kV(印度市场)，和在80kA持续的开发研究工作，使得ABB在550kV及以上气体绝缘金属封闭开关市场上成绩卓然，并对国内其它高压开关厂提供了强大的技术输入。

　　2 使用环境

　　国内对于550kV GIS的使用环境分为户外型及户内型，并根据IEC 60815细分的I级到Ⅳ级污秽等级条件下对高压开关设备提出相应的技术要求。由于550kV GIS 高压开关设备尺寸较大，需要很高很大的厂房，基建及厂房等工作量大等，目前，国内较多变电站采用户外型，对550kV GIS 设备在各方面的性能上提出了较高的技术性能要求。

　　使用在户外环境下，需要考虑高压开关设备外部的防护，外部环境对高压开关设备温升的影响。高压开关设备外部的防护包括：外壳喷漆工艺、油漆质量、涂层厚度及涂层颜色的选择;高压开关设备法兰连接面及连接紧固件的防水、防腐及密封系统的处理;操作机构及就地控制柜(建议将就地控制柜放置在户内)需要有防水、防尘、防腐及密封系统的处理，尤其是在雨季较长、雨量较大的以及污秽较严重的地区，需要考虑接地排等裸露部分的防护处理;由于一些地区户外日照强烈并且时间较长，必须考虑对高压开关设备的外壳及中央导体允许的温升的影响及对一些绝缘零部件老化的影响等。

　　通过这一、二十年的运行，在户外环境中使用的550kV GIS随着使用年龄的增长，越来越多的暴露出其在户外使用上问题，如外部紧固件等生锈、机构外壳内渗入雨水、微水含量增加速度较快、设备老化程度加剧等，不少变电站已经开始转变思路，尤其是户外环境较为苛刻、污秽等级较大的地区，比较投资巨大的550kV GIS，修建厂房将为其能更好及更长时间的使用550kV GIS创造良好的条件。

　　3 典型布置方案

　　550kV GIS/HGIS 各模块既相互独立又可相互连接，为将来的升级或扩展提供便利。相邻气室间的隔离绝缘子最大限度地减小了单独 GIS/HGIS 模块的内部故障对邻近气室的影响。GIS/HGIS 外壳由耐腐蚀的铝合金制成。由于铝合金重量轻的特性，建造的地基无需特殊承重要求。同一电压等级下各模块均有相同尺寸的连接法兰，通过螺栓等直接连接，非常方便安装，现场维护及更换等。

　　550kV GIS 可以采用单母线、双母线或H型回路，如环形母线或

　　断路器等多种布置形式。ABB 550kV GIS/HGIS 的灭弧室、隔离开关等水平运动部件，多采用低重心布置，操作时机械稳定性好，抗震能力强，断路器两侧的电流互感器和绝缘子均布置在断路器灭弧室上方，不会受到灭弧室操作冲击力的直接冲击，使用寿命长，可靠性高。 ABB的550kV GIS 通过0.5g的抗震试验。

　　4 断路器及操动机构

　　减少断口数量、简化结构是550kV及以上GIS的断路器的发展方向，随着ABB相关系列灭弧室研发的成功，ABB断路器在增大容量及减少断口数量上有了更进一步的技术革新和发展，简化了灭弧室的结构,采用专有技术制造的喷口耐弧性能强，提高了灭弧室的可靠性，同时减少SF6气体用量和排放量。灭弧室中有相互独立的主触头和弧触头连接系统，弧触头采用整体烧结的铜钨触头，绝缘拉杆强度高，通过10000次机械寿命试验仍完好无损;灭弧室设计采用了电弧物理学和材料技术的最新技术，灭弧触头先接触，在动、静灭弧触头之间预先产生电弧，因此主载流触头在闭合过程中实际上几乎无电弧产生。

　　ABB 550kV GIS通过了63kA/3s/170kA 短路开断电流试验，可连续开断额定断路电流20次，具备120ms的直流分量时间常数，直流分量为78%，灭弧室抗冲击能量当量为80kA，可以适应电厂的各种特殊工况;短路开断时间控制在40ms之内，有效降低频繁操作对灭弧室的冲击。

　　ABB 550kV GIS/HGIS 在操作机构侧，采用刀型触头;在固定连接侧，采用插接式触头。在现场维护的时候，可以将灭弧室直接从操作机构侧拔出来，而不需要拆除其它的连接，大大减少了在现场拆卸安装的时间，相应的缩短了停电时的维护时间。

　　ABB 550kV GIS/HGIS均可选择带合闸电阻的断路器，可以根据不同项目需求，选择是否需要带合闸电阻，ABB 550kV GIS/HGIS 带合闸电阻的断路器有425±5%W及1500±5% W可供选择，合闸电阻预接入时间为8-12ms，采用串连方式接入主回路，合闸电阻直接放置在断路器气室内，节约了空间，减少了模块。

　　ABB 550kV GIS/HGIS 每相断路器配备一台独立的液压弹簧操作机构HMB-8，为ABB专利技术的碟簧储能液压操动机构，碟形弹簧利用液压泵储能，提供液压驱动系统所需的能量。液压系统驱动断路器触头分合闸，液压系统是完全封闭的油路，不存在外部油路。整合了碟簧储能的稳定性和液压操作的可靠性，同时解决了全弹簧机构机械故障多和液压机构易漏油的缺陷，结构紧凑、重量轻，不受环境影响，使用寿命长，是GIS/HGIS 领域公认最为优秀的操作机构。

　　5 盆式绝缘子

　　盆式绝缘子在GIS/HGIS 设备中对绝缘、分割气室，支撑导体等起着非常重要的作用，因此盆式绝缘子在设计的时候除考虑材料的选择、配比及浇注工艺外，需要同时考虑其电场强度及分布和机械强度的问题。

　　ABB 采取了独特的电场优化设计，反复不断的模拟计算及进行相关试验，优化了盆式绝缘子内屏蔽及外屏蔽等结构，并在三种介质结合处使得电场强度最为合理，电场分布最为平缓。

　　ABB 采用了金属外法兰设计，绝缘子外圈设置铝合金支撑屏蔽环，并不是将连接螺栓直接浇注在环氧树脂里面。带有铝合金法兰环，使得壳体回流连接性极好，外壳接地简单可靠。而且, ABB设计的盆式绝缘子，其环氧树脂浇注件平面低于铝合金法兰环，所以在与其它模块的连接上是绝缘子的金属法兰与其相邻的金属壳体法兰直接接触相连，该铝合金法兰环可以很好的吸收振动，使环氧树脂件不受机械应力的影响，这样不当极好的保护了环氧树脂件，而且提高了盆式绝缘子整体的机械强度。

　　由于盆式绝缘子处在气室的时候，其凹凸两面的气体会对凹面的环氧树脂产生较大的影响，ABB 550 kV GIS/HGIS 设计的盆式绝缘子的凹侧环氧树脂内侧略高于外侧，以减少气体对环氧树脂浇注件的破坏。大大延长绝缘子的使用寿命，提高了可靠性。

6 隔离开关

　　隔离开关起到断口隔离的作用，将设备装置中必须绝缘的各种零部件之间形成一定的绝缘距离，ABB 550kV GIS 上所设计的隔离开关包括采用直线型和转角型两种型式四种规格，可使用于不同的工程项目上，使得布局更为紧凑合理。动触头通过一根轴传动或者齿条传动方式由一台电机驱动。三相共用的马达操作机构，并可以手动操作。另外，在隔离开关的外壳上提供两个可选配的检查窗口，可用来检查内部活动零件的位置与状态。一个检查窗口位于静触头侧。该窗口大约20 mm宽，也可用于连接内窥镜。通过内窥镜和动触头上的两个标记，就可检查绝缘子是否正确。{page}

　　ABB 550kV GIS上所设计的隔离开关具有合闸时能承受63kA / 3s 及170 kA/0.3s 的全短路电流的能力，同时具有开合母线转换电流能力和母线充电电流的能力。分别通过如下型式试验，在最小工作压力390 kPa(20℃),电压50 V,电流1600 A的情况下成功开断母线转换电流100次分合操作;电压40 V,电流1600 A的情况下成功开断母线转换电流400次分合操作。

　　ABB 550kV GIS 上所设计的隔离开关同时具有如下开合母线充电电流的能力。

　　①试验方式1：开断母线导体中的小电流，电源侧试验电压U1=351 kV，负载侧试验电压U2 = -494 kV 成功关合操作次数为100次;

　　②试验方式2：在180゜反相时断路器并联电容电流开断，电源侧试验电压U1=370 kV，负载侧试验电压U2 = -445 kV，并联电容0.4 nF, 成功开断操作次数为50次;

　　③试验方式3：电流开断能力试验，电源侧试验电压U1 = 318kV, 容性负荷0.5 A, 成功开断操作次数为50次。

　　7 接地开关

　　550kV GIS 接地开关按照不同的功能，分别有维护用接地开关和快速接地开关两种型式。维护用接地开关用于GIS 设备的维护或大修，起到维护或大修时将主回路接地的作用，快速接地开关主要用于释放架空线、高压电缆或长母线上的静电，具有关合全短路电流能力，并能安全的开合平行长线上感应电流，包括开合500 kV输电线路的电磁感应电流(感性电流)和静电感应电流(容性电流)的能力。

　　ABB 550kV GIS 快速接地开关具有2次关合额定短路电流 63 kA/171 kA(峰值)的能力，同时具备开合B级线路感应电流的能力;在最小工作压力390 kPa(20℃),电压有效值大于50 kV,55 A电流的情况下成功开断静电感应电流(容性电流)200次，最大燃弧时间为806 ms;开合电磁感应电流(感性电流)分别通过了如下型式试验：

　　①在电压有效值大于25 kV, 电流大于214 A的情况下成功开合电磁感应电流(感性电流)200次，最大燃弧时间为975 ms;

　　②在电压有效值大于28 kV, 电流大于250 A的情况下成功开合电磁感应电流(感性电流)100次，最大燃弧时间为850 ms;

　　③在电压有效值大于35 kV, 电流大于350 A的情况下成功开合电磁感应电流(感性电流)10次，最大燃弧时间为1268 ms;

　　ABB 550kV GIS 上使用的维护用接地开关与快速接地开关均具有5000次机械寿命，并且在这两种型式的接地开关上均使用了绝缘接地法兰，正常操作时绝缘法兰被跨接，通过拆除绝缘接地法兰之间的跨接的导电板，能快速做到接地开关的接地端与外壳绝缘。因此，在不打开气室的情况下能够连入主回路，大大方便了继电保护的测试和设置、电缆试验以及主回路故障的定位。同时，接地开关上可以配置一个电容接头，用于连接带电显示仪，极高的降低了误操作的风险。

　8 母线及连接模块

　　ABB 550kV GIS 设计不同布置方案下所需的各种模块，直线型管道、L型、T型、X型及 0゜ - 60゜可变角度的连接型式。而母线导体安装在绝缘子上。母线模块有一个可横向调节的伸缩节，可方便母线安装。母线连接处装温度补充装置，可补偿因压力或温度造成的母线管道长度变化。母线导体通过插接式触头连接。因温度造成母线管道和导体长度的变化，可通过插接式触头补偿，不会对隔离绝缘子形成额外的机械应力。

　　ABB 550kV GIS所设计的横向安装补偿装置，安装在两个横向可拆卸连接件之间，例如位于两个隔室之间的母线管道之间等，可以在不移动隔室的情况下拆下两个隔室之间的母线管道，并从侧向拆下母线导体，极大方便了现场安装及项目的扩建的需求，而且省下很多工作量及时间。侧面拆卸单元的安装长度为780 mm。可以补偿一定量的现场安装误差，其最大允许安装误差为：长度差±15 mm;角度偏差±1°。

　　另外，ABB 550kV GIS 所设计的万向补偿装置可以用来解决可能发生的各方向上的偏差，在和变压器连接或者跨底座的母线连接时都会有安装上的偏差出现，而且在较长母线管道的项目中出现这种偏差的情况更多，万向补偿装置则可允许在安装存在偏差或运行期间出现热胀冷缩。其最大允许公差为角度偏差为

　　3°，如下示意图一，合理的使用此装置，将非常容易的做到横向补偿距离远大于其他厂家采用的不锈钢波纹管式的伸缩节。

　　

 

　　(图一：ABB 550kV 万向补偿装置补偿示意图)

　　9 互感器

　　9.1 常规电磁式电流互感器

　　ABB 550kV GIS 上所使用的常规电磁式电流互感器，将环形铁芯及线圈套在电流互感器金属壳体的外部，一次导体在SF6气体绝缘金属外壳内部，并有效的解决了金属壳体回流的问题，二次绕组通过电磁感应方式感应一次电流，并同时与高电压系统隔离。具有二次绕组检修拆装方便，而且铁心、绕组部件的附着的一些不明颗粒不会落入气室内，对绝缘强度及气室微水均不产生任何的影响。有三种不同的长度，可满足最佳的布局需求。

　　9.2常规电磁式电压互感器

　　ABB 550kV GIS上所使用的常规电磁式电压互感器是一种低功率变压器，二次电压与一次电压在规定的电压范围内成比例，且相位一致。电压互感器将高压变为可以测量的二次电压，向测量与保护设备提供信号。与此同时，一次与二次绕组在电路上相互隔离。电压互感器单元处于气室内，包括有低损耗磁片组成的长方形铁芯，在铁芯上缠绕二次绕组与一次绕组。嵌在绝缘子内的高压电极通过一个柔性导体连接至电压互感器的高压接线端。使用盆式绝缘子密封该电压互感器的气室，使其与相邻部件的气室隔离。因此，ABB 550kV GIS上的常规电压互感器具有独立的封闭气室。二次绕组与一次绕组低压端(原边绕组的末端)的引线通过一个气密的多芯绝缘盘引出气室，送入防水接线盒内。在接线盒中，它们连接到一个接线柱上。接线柱提供保护设备与测量设备的接头。接线柱都安装在一根接地母线上。具有很强的电缆或线路放电能力，对铁磁谐振和快速暂态具有有效的阻尼作用，可以配置两个计量绕组和一个用于接地故障保护的第三绕组。

　　9.3 电子式组合电流电压互感器

　　ABB 550kV GIS上设计的采用ABB多项专利技术的电子式组合电流电压互感器，将电流互感器及电压互感器合并为一个模块，采用全冗余设计，结构紧凑如(图二)所示，包含两套独立的电流/电压传感器(罗氏线圈/电容环)、两个冗余的二次转换器，直接固定安装在一次外壳上，包含信号获取、信号分析和数据传输、投运后二次转换器可以随时更换，无需重新校准。支持IEC61850-9-2通信协议，可使用在户内、户外型GIS上，使用环境温度范围为-40℃ - 40℃,依据IEC 60044-8和IEC 60044-7 分别通过了相关的电子式电流互感器及电子式电压互感器的标准，达到0.2s/5TPE(无需低功率线圈)及0.2/3P的精度，同时与550kV GIS其它各模块一起通过了温升试验，绝缘试验，STC试验等，对于在ABB 550kV GIS/HGIS工程上的使用提供了可靠的保证。

　　

 

　　(图二：ABB 550kV 电子式组合电流电压互感器结构图)

　　10 避雷器

　　避雷器的主要作用是为变电站提供过电压保护，550 kV GIS 上所使用的避雷器为罐式无间隙金属氧化物避雷器，对GIS 避雷器设计需要考虑的因素主要有：电场和电位分布、机械性能、高性能电阻片的性能、GIS 避雷器安装方式的结构设计等。ABB 550 kV GIS 上所使用的避雷器为单相单罐，独立气室，芯体采用电气上串联的三柱布置结构;同时满足正置、倒置、水平三种安装方式， 并具有伏安特性优异，较高的雷电、陡波、操作保护水平，产品内绝缘水平高，产品的内部电场结构设计合理，产品最大电位分布不均匀系数控制在15%以内，可保证避雷器的安全可靠运行，密封性能良好，年泄漏率控制在0.1%以内。

　　在UHV工程项目中，当隔离开关进行操作时, 由于触头动作速度慢，会因触头间击穿和多次重燃而产生快速暂态过电压(VFTO) , 合理的选取避雷器在GIS母线上的位置，可有效的抑制VFTO，避雷器的等效对地电容对高频信号有滤波作用及MOA非线性电阻在过电压情况下吸收一定的能量，所以对VFTO的幅值有一定的限制作用。

　　11 出线套管

　　出线套管用作气体绝缘开关设备与户外输电线路空气绝缘部件之间电流传输的连接部件。在低损耗传送电流的同时，应确保套管的内绝缘及极端环境条件下空气中的外绝缘水平。ABB 500 kV GIS 工程上可以采用瓷套管或硅橡胶复合套管。由于500 kV瓷套管的尺寸高大，废品率较高，世界上较为出名的少数几家瓷套生产厂家分别在日本、中国及法国，如日本NGK采用无机粘接技术，胶装工序采用高强度低收缩的进口水泥配置胶装剂和横式胶装工艺，其电气性能优良，机械强度高，冷热性能良好，但是由于制造上的原因，污秽等级不能超过Ⅲ级。并且生产周期长。而硅橡胶合成绝缘套管，由于其合成绝缘材料有很好的憎水特性，所以此类套管具有污秽等级高及耐震强度高等优点，生产周期相应较短。在出现套管的工程选配上，可根据不同的技术条件及项目周期等相关因素综合考虑选择。

　　12 结语

　　众所周知，在UHV工程上，设备的可靠性非常重要，550 kV GIS/HGIS在工程中使用时应根据工程的技术要求，并结合超高压或特高压GIS/HGIS制造上的特殊性，合理地选择可靠性较高、运行经验较长及技术发展支持的产品，才能达到建设UHV工程的技术先进、设备安全可靠运行的目的。

　　参考文献：

　　【1】《额定电压为52 kV以上气体绝缘金属封闭开关设备》IEC 62271-203:2003

　　【2】《额定电压72.5 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》GB7674-2008

　　【3】《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》 DL/T 593-2006

　　【4】《SF6高压电器设计 》 机械工业出版社 黎斌

　　【5】《SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)》中国电力出版社 罗学琛

　　【6】《三峡550kV GIS的雷电冲击耐受试验方法》 胡伟等 2011年04期 高电压技术

　　【7】《500kV气体绝缘金属封闭输电线路在华东电网的应用》刘兆林 2005年12期 华东电力

　　【8】《500kV GIS变电站雷电侵入波保护方案及波形分析》李毅等 2008年02期 电瓷避雷器

　　【9】《550kV气体绝缘金属封闭组合电器及其应用》 夏文等 2010年12期 高压电器

　　【10】《550kV SF6气体绝缘组合电器套管研制》狄谦等 2010年10期 中国电力

　　作者简介：

　　高二平 硕士

　　第一单位：武汉大学电气工程学院 高电压与绝缘

　　第二单位：厦门ABB高压开关有限公司

　　从事 GIS产品 技术支持与维护

　　工程师