GIS装置及其绝缘技术：第五章 气体绝缘电力设备

1、第五章 气体绝缘电力设备Xian Jiaotong University-2-内容气体绝缘金属封闭式组合电器气体绝缘输电管道气体绝缘变压器其它气体绝缘电气设备Xian Jiaotong University-3-气体绝缘金属封闭式组合电器气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)的优点：敞开式变电站(72 kV-1200 A, 215 MVA) 替代为金属封闭式组合电器之后 占地面积和空间占有体积小城市征地困难水电站的升压变电站安全可靠人员安全不受气候影响无火灾、不破坏环境电磁兼容性好安装工作量小，检修周期长，寿命长k= 10/UnXian Jiaotong University-4-气体绝缘金属封

2、闭式组合电器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的应用：Xian

3、 Jiaotong University-5-气体绝缘金属封闭式组合电器1: 母线2、8: 隔离开关3、7 : 工作接地开关4、6: 电流互感器5: 断路器9: 接地开关10: 电压互感器11: 套管避雷器电缆终端控制柜Xian Jiaotong University-6-气体绝缘金属封闭式组合电器江苏无锡华润变电站Xian Jiaotong University-7-气体绝缘金属封闭式组合电器母线单相封闭式母线三相封闭式母线D/d = 2.7r0/rs = 0.55rc/rs = 0.167因为分支出线的缘故，三相封闭式母线的导体布置与气体绝缘输电管道不同，内导体位于半径r0的圆周上，位于底

4、部的内导体与其它两相相差90GIL中的电极结构Xian Jiaotong University-8-气体绝缘金属封闭式组合电器断路器 断路器是系统中最重要的开关电器，其基本要求是: 具有足够的开断能力和尽可能短的动作时间，并且要有高度的工作可靠性。 最重要的任务是熄灭电弧。Xian Jiaotong University-9-气体绝缘金属封闭式组合电器断路器灭弧室结构及动作过程合闸灭弧触头分离分闸分闸开始单压式断路器的开断过程Xian Jiaotong University-10-气体绝缘金属封闭式组合电器断路器的液压操动机构断路器的操动机构手动机构、电磁机构、气动机构、液压机构、弹簧机构Xi

5、an Jiaotong University-11-气体绝缘金属封闭式组合电器隔离开关隔离开关 隔离开关没有灭弧能力，不能开端负荷电流和短路电流，否则将造成严重误操作，会在触头间形成电弧，不仅损害隔离开关，而且可能造成短路。 一般只有电路在被断路器断开情况下使用。 主要用途是保证高压装置中检修工作的安全，检修部分和带电部分之间形成一个可靠且明显的断开点。 可以切断电流较小的电路，如电压互感器、避雷器等。Xian Jiaotong University-12-气体绝缘金属封闭式组合电器隔离开关a)c)b)d)隔离开关都做成积木式的模件Xian Jiaotong University-13-气体绝

6、缘金属封闭式组合电器隔离开关一般为推拉式结构，操作系统可分电动机、电动机-弹簧机构和手动操作。对隔离开关的要求：应具有表示其分、合闸位置的可靠的指示装置断口在任何情况下都不能被击穿，故断口耐压要求比对地绝缘电压高能分、合感性小电流以及容性小电流和环流能力Xian Jiaotong University-14-气体绝缘金属封闭式组合电器接地开关工作用接地开关快速接地开关工作用接地开关是用于保证维修人员安全的，常与隔离开关组合到一起使用Xian Jiaotong University-15-气体绝缘金属封闭式组合电器快速接地开关快速接地开关应具有关合接地短路电流的能力。它仅仅在发生电弧接地故障的时

7、候工作，以减少故障电弧的破坏作用。Xian Jiaotong University-16-气体绝缘金属封闭式组合电器快速接地开关Xian Jiaotong University-17-断路器接地开关快速动作接地开关Xian Jiaotong University-18-气体绝缘金属封闭式组合电器电压互感器电磁式电压互感器电容分压器Xian Jiaotong University-19-气体绝缘金属封闭式组合电器带电子放大器的电容分压器Xian Jiaotong University-20-气体绝缘金属封闭式组合电器电流互感器采用环状铁芯结构，互感器的初、次级之间的绝缘为气体绝缘Xian Jia

8、otong University-21-气体绝缘金属封闭式组合电器金属氧化物避雷器早期采用碳化硅避雷器，安装在GIS之外。火花放电间隙在SF6气体中放电分散性很大。金属氧化物避雷器正常工作下电流在微安级别，不用串联火花间隙，可以应用到GIS中。Xian Jiaotong University-22-气体绝缘金属封闭式组合电器主要特点: 长爬电距离 纸浸树脂 电容屏 免维护 抗震瓷绝缘套管 瓷式GIS与其他设备的连接Xian Jiaotong University-23-气体绝缘金属封闭式组合电器主要特点: 自清洁硅橡胶伞裙 长爬电距离 SF6气体绝缘 运行可靠性高 重量轻复合绝缘套管合成绝缘子

9、硅橡胶相比于瓷的特点硅橡胶相比于瓷的特点: 更好的电介质性能更好的电介质性能 减少泄漏电流减少泄漏电流 重量降低重量降低 憎水性憎水性Xian Jiaotong University-24-气体绝缘金属封闭式组合电器电缆终端插拔式电缆终端采用插拔式电缆终端，使得GIS的安装可以与电缆的安装完全分开，在电缆试验、检修时可以直接将电缆终端头拔出，而不需要打开GIS的SF6气室。Xian Jiaotong University-25-气体绝缘金属封闭式组合电器与变压器连接套管Xian Jiaotong University-26-气体绝缘金属封闭式组合电器外壳GIS的外壳一般为钢或铝合金制。它必须能

10、承受一定的压力，密闭性要好，当GIS内部万一发生电弧时，必须不被烧穿，而且高温造成的压力上升不至于引起爆炸。外壳一般采用焊接或法兰进行连接。具有绝缘子的法兰连接法兰Xian Jiaotong University-27-密度检测装置原理结构Xian Jiaotong University-28-气体绝缘金属封闭式组合电器压力释放装置压力释放装置当压力释放装置动作时，不应危害工作人员的安全。电弧造成的压力升高，也可用来检测故障位置。Xian Jiaotong University-29-观测窗口便携式内窥镜Xian Jiaotong University-30-气体回收装置Xian Jiaoto

11、ng University-31-气体绝缘金属封闭式组合电器控制柜 用于指令输入、报警和联锁等用途的辅助电气设备均安装在相应的就地控制柜内。 用户控制保护设备需要的电压、电流等信号也是就地从控制柜的端子排上接取ABB的GIS的控制柜Xian Jiaotong University-32-气体绝缘金属封闭式组合电器快速暂态过电压的问题 波前时间很陡(520 ns)SF6耐电强度高，放电形成时延短 有频率很高的高频电压分量电压波在GIS中折反射造成0.1-10 MHz 幅值并不高，很少到达2.0 p.u.VFTO的幅值大小与隔离开关触头间电弧重燃电压大小有关，也与被开断的母线上的残余电荷的电压值有

12、关，具有随机性。危害：引起GIS或相邻设备的绝缘故障Xian Jiaotong University-33-气体绝缘输电管道气体绝缘输电管道(GIL)GIL(Gas-insulated Metal-enclosed Transmission Line) 与气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)的母线结构相似分单芯式GIL与三芯式GIL，单芯式GIL由同轴结构的外壳和中间导体构成;中间导体由导电率较高的铝合金管构成，管壁厚度约为10 mm-20mm，用绝缘子加以固定；外壳为铝合金或钢制，厚约为6mm-10mm，接地；管道中一般充以压缩SF6或SF6/N2混合气体作为绝缘介质；端部与GIS、变压器等

13、直接连接或通过套管与其它设备连接；GIL两端可设置金属氧化物避雷器(MOA)以抑制过电压；当它被用于较长线路时，可在线路中间安装隔离开关，以方便将线路分成几段进行现场试验。单芯式GIL与三芯式GIL结构示意图Xian Jiaotong University-34-气体绝缘输电管道GIL的组成：直线单元、转角单元、补偿单元、隔离单元以及套管Xian Jiaotong University-35-气体绝缘输电管道Siemens公司提供的GIL组件示意图 CGIT Westboro公司提供的GIL组件示意图 Xian Jiaotong University-36-气体绝缘输电管道GIL与GIS母线的

14、主要区别： GIS母线通常较短，而GIL长度一般超过100 m。GIS母线段一般结构复杂，多系铸造而成，GIL结构则相对简单，比较多地采用挤制成型部件。 GIS母线通常使用盆式绝缘子或者带孔的盆式绝缘子，绝缘子之间距离一般为6 m，绝缘子安装在两个法兰之间，因此外壳上每隔6米设一个法兰。GIL的绝缘子完全处于外壳内部，除盆式绝缘子外，大量采用支柱绝缘子，因此外壳多采用焊接连接。 GIS母线的中间导体一般使用螺纹与盆式绝缘子连接，而GIL的中间导体连接大量采用焊接。 需要改变走向时，GIS母线段的转弯角度一般为90 ，而GIL的转弯相对比较自由，转角单元的角度一般在85 178 之间。而且当走向

15、只有微小改变时，可以取消转角单元，利用GIL自身的挠性实现转弯。GIS母线较短，存在导电微粒时容易检查，通常不专门设置微粒陷阱以捕获导电微粒，GIL比较长，安装地点的环境条件较不易控制，通常要设置微粒陷阱。Xian Jiaotong University-37-气体绝缘输电管道相对于架空线(OHL)和电缆，GIL的优缺点：与充油电缆相比，GIL的电容量较小1/4与电缆相比，GIL的传输容量大截面超过10000 mm2，电流达到8000 A，传输容量4000 MVAGIL的电能损耗小每米100-200 W适用于高落差场合有垂直落差305 m的敷设实例 GIL的可靠性极高、无火灾风险(50年)与架

16、空线路相比，GIL的主要优点是占地少 GIL无电磁干扰问题 不可能直接受到雷击一次设备投资大一次设备投资为架空线的5-7倍，电缆的2倍左右，只有在高电压大容量的情况下才有优势Xian Jiaotong University-38-气体绝缘输电管道GIL的使用场合 用于发电厂内连接高压变压器和高压开关设备 用于连接处于洞室之中的高压变压器和外部的架空输电线 用于连接GIS和架空输电线 用于连接两个GIS 用于两段架空输电线交叉时 用于对环境要求比较高的地区，如风景名胜区，或者征地比较困难的地区 在高电压、大容量的场合，用作经济的长距离输电线路Xian Jiaotong University-39

17、-气体绝缘输电管道全世界GIL的单相长度大约为200 km-300 km，电压等级为138 kV-1200 kV。GIL目前主要还是用在架空线受限制的场合，用以替代电缆，随着征地成本提高，人们对环境问题的日益重视以及GIL造价的降低，GIL将有可能成为长距离大容量的经济输电方式。Xian Jiaotong University-40-气体绝缘输电管道一些GIL的实例Xian Jiaotong University-41-气体绝缘输电管道GIL的一些特殊部件微粒陷阱支撑绝缘子滑动触头波纹管 Xian Jiaotong University-42-气体绝缘输电管道微粒陷阱和支撑绝缘子(a)三柱式支

18、撑绝缘子(b)盆式绝缘子CGIT Westboro公司的GIL绝缘子Xian Jiaotong University-43-气体绝缘输电管道防导电微粒设计的滑动触头Xian Jiaotong University-44-气体绝缘输电管道GIL的安装方式地上安装电缆沟安装隧道安装直埋安装Xian Jiaotong University-45-气体绝缘输电管道第二代GIL的特征采用SF6/N2混合气体绝缘(20%-80%)采用现场组装技术采用管道敷设技术Xian Jiaotong University-46-气体绝缘输电管道采用轨道焊接机焊接、采用超声检测控制焊接质量，返工率小于1%，可在狭小的空

19、间内进行焊接Xian Jiaotong University-47-气体绝缘输电管道GIL的设计必须依据国标DL/T 978-2005气体绝缘金属封闭输电线路技术条件的规定进行，该标准参考了IEC61640-1998额定电压72.5 kV及以上气体绝缘高压刚性输电线路技术报告的内容。必须满足以下几个条件：绝缘设计：（1）最高场强的控制（2）导电微粒的状态（3）绝缘子内部场强（4）绝缘子表面场强热性能设计防地震设计Xian Jiaotong University-48-气体绝缘变压器与传统的油浸式变压器相比，气体绝缘变压器的优点：(1)不燃、不爆，安全性好，特别适用于城市人口稠密地区和高层建筑的

20、供电。(2)噪声小于油浸式变压器(3)重量小于油浸式变压器(4)SF6气体不象油那样会老化，故运行维护工作大大简化(5)与GIS的连接非常方便与其它无油的防灾变压器相比，GIT的主要优点：(1)容量大(2)额定电压等级高(3)对安装环境的要求低GIT的主要缺点：(1)与油浸式变压器相比，过载能力较差(2)冲击系数较小，一般在1.25左右，远低于油浸式变压器的1.7(3)结构较为复杂，生产难度大于传统的油浸式变压器，价格较高Xian Jiaotong University-49-气体绝缘变压器国内SF6气体绝缘变压器的使用量总计已经达到数十台(分布于北京、上海、香港、深圳、重庆等地)Xian J

21、iaotong University-50-气体绝缘变压器日本275 kV GITXian Jiaotong University-51-气体绝缘变压器GIT的绝缘结构匝间绝缘和筒式绕组的层间绝缘绝缘纸：O级(90)聚酯薄膜(PET)：E级(120)，100kV/mm聚芳酰胺纸：H级(180)，20-30kV/mm601443/it.E局部放电起始场强与时间的关系：一般而言，匝间绝缘裕度比较大Xian Jiaotong University-52-气体绝缘变压器SF6气体压力升高对工频击穿场强影响不大，但可以有效提高局部放电的起始场强Xian Jiaotong University-53-气体

22、绝缘变压器)1(/ )(1fffgggikdddUU层间绝缘的局部放电其实电压估计公式：筒式绕组层间边缘处电场很不均匀，电极边缘的电晕起始电压可用下式表示：5 . 0)1 . 0/(pdkUcXian Jiaotong University-54-气体绝缘变压器饼式绕组的纵绝缘GIT的线饼间工频击穿电压高于油浸变压器，但冲击击穿电压则明显低于油浸式变压器。由于纵绝缘尺寸是由雷电冲击耐压值决定的，所以GIT的尺寸要比油浸式变压器的尺寸大。Xian Jiaotong University-55-气体绝缘变压器主绝缘气压对工频击穿电压的影响：0.1 MPa0.2 MPa 增长为约3倍气体绝缘系统的冲击系数小于油浸式提高绝缘强度