GIS组合电器技术

1、SFSF6 6气体绝缘全封闭组合电器（气体绝缘全封闭组合电器（GISGIS）技术技术第一章 概述气体绝缘全封闭组合电器(GIS)，英文全称Gas Insulater Switchgear。GIS设备由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等七种电器元件组合而成。以SF6气体作为绝缘介质，电场结构采用同轴圆柱体间隙的稍不均匀电场。常规变电站电气设备采用空气绝缘、电场结构为棒-板组成的极不均匀电场GIS设备的所有带电部分被金属外壳所包围，其材料为铝合金、不锈钢或无磁铸钢。并采用铜母线接地，内部充有一定压力的SF6气体。GIS设备的特点与常规设备比，GIS设备占地面积少GIS设

2、备的特点GIS设备不受环境影响运行安全可靠、维护工作量少、检修周期长 由于SF6气体绝缘性能、灭弧性能均优于空气，断路器开断能力高，触头烧伤轻微，故维修周期长、故障率低。施工工期短GIS设备没有无线电干扰和噪声干扰 第二章 SF6气体的性质u第一节 SF6气体的基本性质 SF6气体是世界上目前最优良的绝缘介质和灭弧介质。它无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧；在常温常压下，化学性能稳定；与传统绝缘油相比，其绝缘性能和灭弧性能都要好得多。 SF6分子量较大，为146，是氮气的5.2倍；在温度为20，气压为101.325kPa下密度为6.16kg/m3，空气的5.1倍。 SF6气体在常温甚至较高温度下，

3、一般不会发生化学反应，电气设备的最高允许温度在150时，SF6气态稳定。SF6气体本身的分解温度为500；在铜和铝中，温度达到200以上，才开始慢慢发生化学反应。但与其他金属不发生剧烈化学反应。 SF6气体的热传导性较差，导热系数仅为空气的2/3。气体的传热效应并不单纯靠传导作用，还有对流。对流传热的能力与分子比热有关，而SF6分子的比热是空气的3.4倍。导体在SF6气体的表面散热效果，是在空气中的2.5倍。 SF6气体是负电性气体。SF6气体在-40 T80，P0.8MPa范围内气态占优势，如果20 时的充气压力为0 . 75MPa（相当于断路器中常用的工作气压）,则对应的液化温度约为25，

4、如果20时的充气压力为0 .45MPa ，则对应的液化温度为一40，可见一般不存在液化问题，在高寒地区，需考虑采取措施，如加热、采用SF6-N2混合气体。气体理想状态方程：P=RrT P为气体压力、R为气体常数、r为密度、T为温度当SF6气体的密度保持不变。气体的温度增加，其压力升高；当SF6气体的温度保持温度：密度上升，压力随着上升；密度下降，压力也下降；当气体的压力保持不变，温度上升，则气体的密度下降。第二节 气体状态参数第三节 SF6气体分解物的毒 性和其他性质SF6气体本身是无毒的，但由于它比空气重，所以会沉积在低洼地区（如电缆沟），使人缺氧窒息；在高温小电流电弧作用下，SF6会分解一

5、些低氟化合物，这些分解物又和电极材料、水分、氧气等进一步反应生成有毒性的其他化合物。影响SF6分解过程的主要因素1. 电弧能量的影响；2. 电极材料的影响；3. 水分的影响4. 氧气的影响5. 设备中绝缘 材料的影响电弧作用下SF6分解物的性质 电气设备开断时产生电弧，在其作用下，SF6气体主要有下列分解物，其性质如下：1. 四氟化硫（SF4）在常温下为无色气体。有类似氧化硫的刺激味；有毒性：SF4对肺有侵害作用，影响呼吸系统；其毒性与光气（二氯化碳基）相当。2. 氟化硫（S2F2）常温下无色有嗅味的气体；有毒性：为有毒的刺激性气体，对呼吸系统破坏作用较大。3. 二氟化硫（SF2） 化学性能极

6、不稳定，受热后更加活泼，易水解，生产S、SO和HF； 有毒。4. 十氟化硫（S2F10） 常温常压下为无色易挥发的液体，化学性能极其稳定； 有毒：为剧毒物质，主要影响呼吸系统5. 氟化亚硫酰（SOF2） 无色气体，有刺激性，化学性能稳定，在高温下仍不活泼； 有毒：可致肺水肿病，能使动物窒息而死。6. 二氟化硫酰（ SO2F2 ） 无嗅无色气体，化学上极其稳定； 有毒：能导致动物痉挛的有毒气体7. 四氟化亚硫酰（SOF4） 无色气体，有刺激性； 有毒：对人的肺部有侵害作用。第四节 GIS设备中的水分GIS设备中水分的来源 GIS设备在制造、运输、安装、检修过程中可能接触水分，将水分浸入到设备的各

7、个元件里去； GIS设备的绝缘件带有0.1%0.5%ppmv的水分。在运行中，慢慢向外释放； GIS设备中的吸附剂本身就含有水分； SF6气体中含有水分，在新气一般都进行干燥处理，使其含水量在规程规定的范围内。水分对GIS设备的危害性1. 水分引起设备化学腐蚀；2. 水分对电气设备绝缘件的危害。 GIS中水分的控制1. 严格控制新气的含水量，使其满足国家标准；2. 改善GIS设备密封材料的含水量，严格遵守安装密封环的工艺规程；3. 在GIS设备中放置吸附剂，并具备下列条件： 吸附剂放置低温环境中，提高其吸水能力 吸附剂应有良好的戏份SF6分解物的能力 吸附剂与SF6气体分解物反应时，不得产生二

8、次有害物质 吸附剂在工作时，不粉化、不潮解。4. GIS设备尽量使用室内式布置，可以控制室内的温度、湿度，减少产生水分的机会，避免灰尘和其他杂质侵入到设备里去。虽然GIS设备室要增加一些土建投资，但对减少故障，改善GIS设备的运行条件是大有好处的，其运行的经济效果远大于土建投资。第五节 GIS设备中的吸附剂吸附剂的性能 SF6气体中的水分、有毒气体都可以用吸附剂来吸收，在GIS气室里放置适量的吸附剂，可以减少水分和毒气，从而保证运行人员的安全。吸附剂的材料 用作吸附剂的材料有活性炭、活性氧化铝、分子筛等。1. 活性炭 能吸收的分解物SOF2、SO2、SF5OCF3，对SOF4 、SO2F2也有

9、一定的吸附能力，吸附S2F10O的性能最强，对SO2F2的吸附效果差，对其总的评价是吸附能力最强，但选择性差。由于活性炭吸附SF6气体的能力也很强，所以不能用于GIS设备；2、活性氧化铝（Al2O3） 能吸收的分解物SOF2、 SO2F2 、 S2F10O 、SO2、SOF4等分解物，但对 S2F10O 、SO2等不能定量吸附，有较好的选择性。对 SO2F2的吸附能力差。它不吸收SF6气体，所以是GIS设备较理想的吸附剂；第六节 SF6气体的绝缘特性SF6气体高电气强度的原因 F是卤族元素中负电性最强的，因此SF6分子具有很强的负电性，容易吸附电子成为负离子，阻碍放电的形成和发展； SF6分子

10、的直径比氧、氮分子的要大，使得电子在SF6气体中的平均自由行程缩短，不易积累能量；而SF6的电离电位又比氧、氮分子的大，因而减少了电子碰撞电离的可能性； 电子与SF6分子相遇时，还会因极化等过程增加能量损失，减弱其碰撞电离的能力。在不同电场下气体击穿特性 在空气间隙中，由于电子碰撞产生的自由电子越来越多，当大量的正负离子的密度大致相当时，则在间隙中形成等离子体，它具有良好的导电性能，待等离子充斥整个间隙后，间隙则完全丧失绝缘性能，成为良导体，这一现象成为击穿。间隙一旦击穿，外界的游离因素可以取消，而由本身产生游离维持能量，这一过程叫做自持放电。OA段电流随电压升高而升高；AB段电流趋于稳定BC

11、段出现碰撞电离C点出现自持放电。1. 均压电场下气体击穿特性 在均匀电场中，一旦电场间隙转入自持放电，间隙就被击穿。 在均匀电场中，空气的击穿场强约为30kV/cm。2. 极不均匀电场下气体击穿特性 在电场中一极是平板，另一极是棒电极，则形成棒-板电极，构成极不均匀电场。当电压加于棒-板电极时，棒电极附近的电场很强，距棒一定距离后，电场急剧下降。这时，棒电极及其周围的气体已到达自持放电，而在其周围发生电晕，称为电晕放电，此时的电压称为电晕起始电压；随着间隙电压升高，电晕不断发展，直到间隙被击穿。 极性效应 棒-板电极的击穿电压与施加电压的极性有关。当棒电极为正时，电晕的起始电压较高，而击穿电压

12、较低；棒电极为负时，电晕起始电压较低而击穿电压较高，因此负棒正板的击穿电压要比正棒负板的击穿电压高。 3. 稍不均匀电场下气体击穿特性 在稍不均匀电场中，气体击穿前，也将在电场最大的电极上先产生电晕，但不能形成稳定的电晕放电。因为电场强度随距离的增加降低不多。故一旦发生电晕放电，很快会导致间隙击穿，电晕的起始电压就是击穿电压。 稍不均匀电场也有极性效应，正极性击穿电压高于负极性。 稍不均匀电场的击穿场强介于均匀电场和不均匀电场之间，其值与电场的均匀程度有很大关系。因此在安装GIS设备时不能破坏电场的均匀性，如所有的均压罩都应装好，位置正确。均压罩稍有歪斜就会影响电场的均匀性，击穿电压就会降低许

13、多。SF6气体的击穿特性 SF6气体的击穿过程与空气相似，所不同的是SF6气体是卤族元素，具有较强的负电性，易吸收自由电子形成负离子。 由于离子在SF6气体中的平均自由行程比电子短。因而获得的能量也小。另一方面它和分子碰撞时，又容易将原来积累起来的能量损失掉。因此离子要积累足够的能量的可能性也很小。故此离子的游离能力远不如电子。因此在气体放电中，负离子起阻碍放电形成的作用。 在均匀电场中，SF6气体在0.1MPa下的击穿场强约为88.5kV/cm，几乎是空气的三倍。 在极不均匀电场中，SF6气体的击穿：1. 工频击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”现象；2. 驼峰区段内的雷电击穿电压明显低于静

14、态击穿电压。 原因：与空间电荷的运动有关。由于空间电荷对棒极的屏蔽作用会使击穿电压提高，但在雷电冲击电压作用下，空间电荷来不及移动到有利位置，故其击穿电压低于静态击穿电压。又气压提高时，空间电荷扩散得慢，因此在气压超过0.10.2MPa时，屏蔽作用减弱，工频击穿电压也会下降。第七节 SF6气体击穿电压 的影响因素电场均匀性对击穿电压的影响 电子数量增加速度的影响 在极不均匀电场中，当电场强度不断增大时，SF6气体中的带电质点的增长速度较空气大得多，因此电晕起始电压提高不多。 SF6气体的自屏蔽效应的影响 与空气相比，SF6气体分子的空间电荷热运动速度低，使得棒极周围的空间电荷密集，而不易向往扩

15、散，未形成有效的均匀电荷层，因此其自屏蔽效应不如空气好。从而使得SF6气体的 击穿电压与起晕电压比较接近。 SF6气体在不均匀电场中的击穿电压，要比均匀电场低得多，比空气击穿电压的降低速度还要大，甚至接近。电极间隙对击穿电压的影响 在均匀电场中，空气和SF6气体的击穿电压都随间隙的增大而升高。不过SF6气体的击穿电压比空气要大3倍。 在稍不均匀的电场中SF6气体的击穿电压和电极间的间隙呈明显饱和现象。 在极不均匀电场中，SF6气体的击穿电压随间隙距离的增大而出现饱和现象，其数值和空气接近。SF6气体击穿电压与电极间隙的关系SF6气体压力对击穿电压的影响 提高SF6气体的压力，可以提高间隙的绝缘

16、强度。因为压力升高后，减少了电子的平均自由行程，使得电子在二次碰撞之间所积累的动能减少，从而减少电离。因此气体的压力增加后，间隙中的击穿电压也随之升高，到压力增高到一定程度后，击穿电压出现饱和现象。曲线未达到饱和时，间隙距离一定，压力越高，击穿电压越高；击穿电压一定时，压力越大，间隙距离就可以越小。电极表面状态对SF6气体击穿电压的影响 在均匀电场和稍不均匀电场中，空气的击穿电压与电极表面的状态和材料关系不大。但在高气压下，电极表面粗糙、有杂质、尘埃等，都将使击穿电压降低。这是因为电极表面产生强场放射的缘故。 电极表面粗糙度的影响 电极表面越粗糙，强场放射作用就越强，间隙击穿电压就越低。且正极

17、性击穿电压比负极性降低幅度要大。 面积效应的影响 定义：电极面积越大，出现降低击穿电压的概率就越多，其击穿电压就会降低。 电极表面越光滑，气压越高，其面积效应就越大。电极面积增大到一定程度后，面积效应就不再明显。 电极材料的影响 试验表明：电极材料对GIS设备的击穿电压无明显影响。 导电粒子的影响 GIS设备中，导电粒子的存在，会明显降低间隙击穿电压。 间隙击穿电压与导电粒子的形状、大小和电压波形有关。 工频电压下，在0.3mm长度的铜线时，击穿电压就开始明显下降。其降低程度与导体的长度成正比，而与导体的材料无关。 电极的净化 在间隙间电极施加一定时间电压，利用间隙放电产生的能量将GIS设备内

18、部的金属微粒、导体毛刺等烧毁的过程。第八节 SF6气体中沿固体介 质表面的放电沿面放电的特性： 放电总是发生在沿着固体介质表面，且放电电压比存空气间隙的放电电压压低。 原因： 固体介质与电极接触不良，存在间隙 在电场作用下，小间隙首先放电，产生的带电粒子沿着固体介质的表面移动，使沿有电场发生畸变，降低了沿面闪络电压。 沿面电位分布不均匀。 由于固体介质表面水分的影响，水膜中的 离子受电场的驱动积聚在电极附近表面，导致沿面电位分布不均匀，电场发生畸变，使得沿面闪络电压降低。 固体介质表面具有一定的粗糙度 由于固体介质表面不是绝对光滑，使表面电场分布发生畸变。介质表面的凸凹处可以看成是空气介质和固

19、体介质的串联。而空气间隙的绝缘强度低，容易发生放电，导致沿面闪络电压降低。影响绝缘表面闪络电压的因素： 绝缘表面的电场分布的影响 绝缘子的电场应尽量均匀分布，否则即使增加绝缘子的沿面距离，闪络电压也增加不了多少。另外绝缘子与导体的结合部分，由于材料不同，其膨胀系数也就不一样，因此在两个固体的合面处，必然会产生气隙，从而降低闪络电压。 气压对闪络电压的影响d为导体与固体绝缘子之间的气隙。纯SF6气体的闪络电压最高，固体绝缘子的闪络电压小于SF6气体。气隙越小，闪络电压越高。 绝缘子表面状况对闪络电压的影响 绝缘子有灰尘、微粒存在，会降低其闪络电压，增加其分散性。 影响绝缘子表面状况的因素： GI

20、S设备在运行中，SF6气体产生的分解物（SF4、SOF2、SO2F2），对绝缘子和其填充剂SIO2产生化学反应，变成SIF4，使绝缘子收到侵蚀而劣化。 电弧放电产生的高温，会使绝缘材料挥发，而生产金属氟化物，例如CuF2，它在干燥状态下是绝缘体，但遇水附在绝缘子表面，就会降低绝缘子的绝缘强度。 SF6气体中水分对绝缘子闪络电压的影响 SF6气体中的水分除了使固体绝缘子的绝缘降低外，还会因温度的变化，骤热骤冷在绝缘子表面凝结为露水，大大降低绝缘子表面的闪络电压。第九节 SF6气体的灭弧性能SF6气体的灭弧性能 优良的热特性： SF6气体电弧在弧芯区，温度高、具有高电导率和低导热率。弧焰区，温度低

21、，有很高的导热率。因此电弧在弧芯和弧焰区的交界处，温度降低很快，导致电弧的电压低，功率小。亦即灭弧所需的能量小。相同气压下，由于SF6气体中电弧的电压梯度只有空气的1/3，所以SF6气体中电弧的输入功率少，在与空气相同的散热条件下，在SF6气体中电弧更易熄灭，绝缘恢复更快，且不易重燃。 SF6气体的电弧柱，能在电流接近于零时，还能维持高温结构使弧柱保持其截面小的状态，电弧的能量就小，电流过零时电弧不会造成电流折断，在开断感性小电流时不会产生高的截流过电压，使得电流过零后，介质绝缘强度迅速恢复。 SF6气体有负电性。负离子运动速度慢，与正离子复合成中性分子的概率高于自由电子，可以降低电弧的导电率

22、，使得SF6气体的灭弧性能比空气好。GIS快速暂态过电压（VFTO）下的击穿 GIS中开关操作会产生快速暂态过电压，可能导致GIS和邻近设备的绝缘事故。VFTO的特点： 1. 波前时间短，一般为520ns。因为压缩的强负电性气体的击穿场强高，所以击穿瞬间间隙由绝缘状态向导通状态的跃迁时间极短，形成极陡的波前 2.主要为高频电压分量，振荡频率：0.110 MHz。因为GIS的尺寸较常规敞开式配电装置小得多，过电压在GIS中的折反射所需的时间很短。 3.过电压幅值低，其值很少超过最大相电压的2倍。因为过电压幅值与开关触头间电弧重燃特性有关，也与被开断母线上残余电荷产生的电压值有关。VFTO引起绝缘

23、事故的原因 操作隔离开关引起触头间发生放电时，由于击穿通道有分支，使放电通道与外壳间电场分布发生畸变，在过电压作用下触头间击穿通道与外壳发生击穿。 在VFTO电压作用下，由于波前时间短，空间电荷屏蔽效应很差，导致击穿电压很低。第三章 GIS设备的结构总体结构 GIS设备的所有带电部分都被金属外壳所包围，其中母线多由铝合金管制成，母线两端插入到触头座里。母线可以是三相共筒的，也可以使分离的。母线表面要求光洁度高。由环氧树脂浇注的盆型绝缘子或母线绝缘子支撑 、 为隔离开关，用于隔断主电路。 GIS设备的电场是稍不均匀场，两级要做成同轴圆柱体结构。为此GIS隔离开关不能和常规隔离开关一样做成刀闸式的

24、，而要做成动、静触头头部是圆柱体，能互相插入式的结构。 为带有手动或电动操作机构的接地隔离开关，可装于断口的一侧或两侧。将主回路直接接地。 这两种普通隔离开关不能切断主电流，只能切断电容电流和电感电流。 为快速接地隔离开关，具有闭合短路电流的能力。当母线筒里的导体对外壳短路时，要迅速将此短路引起的电弧熄灭，否则会引起GIS外壳发生爆炸，为此，可用快速接地隔离开关迅速直接接地，通过继电保护装置将断路器跳闸，切断故障电流，使电弧熄灭，保护设备不致损伤过大。快速接地隔离开关通常安装在进线侧。 为断路器，它在开断时会产生电弧，而其内部的SF6气体能很快熄弧，但同时也会分解产生对人体有害的低氟化物，所以

25、需要装设吸附剂。其布置方式有立式和卧式两种，根据GIS电压而定。 为测量主回路电流的电流互感器，铁芯做成环型，二次绕组绕在环型铁芯上，用环氧树脂浇注在一起； 为测量主回路电压的电压互感器； 为SF6/空气的绝缘套管；为了电场的均匀，在导电杆周围用多级电容极板屏蔽，用环氧树脂套筒围至底部。在套筒与导电杆之间充以高气压SF6气体，与GIS气室一致；在套筒与绝缘瓷套间充以低压SF6气体，略高于空气压力。 环氧树脂盆型绝缘子，具有两个作用：支持导电元件；将GIS设备内部分隔成若干个互不相通的气室。一旦发生故障，可以只检修故障气室而不影响其他气室的正常运行。盆型绝缘子分为全密封式和带孔洞的两种。后者只用

26、于支持导体。母线膨胀补偿器 GIS设备由各个元件组合而成，由于各个元件的材料不同，其膨胀系数不一样，当温度变化时若各个元件不能自由伸缩，由于温度应力的原因，则元件将受到破坏，引起GIS设备漏气，导致绝缘强度降低。因此，GIS设备连接时母线管的一部分要采用软连接，以补偿温度的变化。 另外，在GIS设备安装过程中，必然会有误差，以及基础不均匀沉降等，也都需要采用母线膨胀补偿器来调节。 母线膨胀补偿器由不同直径的波纹管和一节可拆卸部分组成。波纹管由多层铝合金片压叠而成。随温度的高低而伸长或缩短。使母线不因温度变化而损坏。GIS设备气室的设置原则 根据SF6气体的压力不同设置。如断路器在开断电流时，要

27、求电弧迅速熄灭，因此要求SF6气体的压力要高，而若隔离开关切断的仅是电容电流，则要求的压力要低点。 根据GIS设备检修需要设置。确保能尽可能缩小故障影响范围，尽量不影响非故障元件的正常运行。GIS外壳的接地 GIS设备的母线和外壳是一对同轴的两个电极。当电流通过母线时，在外壳上感应电压，使外壳会产生涡流而发热，使GIS设备容量减少。 当运行人员接触时会触电危及人身安全。 GIS设备的支架、管道、电缆外皮与外壳连接后，也有感应电压，也会产生环流。由于外壳与上述零件接触不良的地方，会产生火花，使管道、电缆外皮产生腐蚀。 解决办法：1. 在GIS设备外壳上用全链多点接地方法。优点是GIS外壳感应电压

28、为零，但会引起环流，金属外壳仍发热，输送容量还要下降；2. 将GIS外壳分段绝缘，每段只有一个接地点，则GIS外壳无环流，但存在感应电压。目前多采用这种接地方式。第四章 典型GIS生产事故GIS内部杂质引起的生产事故1. 2012年广东xx供电局500kVxx站 GIS 设备故障二级事件事件经过：xx站220kV母发生三相短路故障，母差保护动作，跳开相应220kV进出线间隔、主变220kV侧及母联间隔三相开关。 事故原因 直接原因：由于母线中存在粉尘，在电场力和气流作用下在绝缘支撑台表面聚集，导致B相绝缘击穿，并造成B相对地绝缘故障。B相故障后形成大量烧蚀物致使SF6气体绝缘劣化，造成多点击穿

29、，并最终导致三相短路。 间接原因：粉尘应为安装过程中或大修检查过程中遗留。2. 2014年云南xx供电局“5.5”500kVxx站GIS故障导致500kV母停运二级事件事故经过：500kVxx站500kV段母线保护两套母线保护发“C相差动保护动作”，跳开500kV母所联的所有断路器，母失压。直接原因：500kV线路隔离开关在安装过程中引入的异物在操作过程中附着力减弱，并在电场作用下移至屏蔽罩和绝缘杆附近，导致C相绝缘杆沿面击穿放电。引起电场畸变， 间接原因：设备生产及出厂验收、安装过程中的环境清洁工作管控不到位，导致设备存在杂志未能及时得到发现，清理。由于GIS设备结构特点，不能通过对设备维护

30、、试验等有效技术手段发现内部存在异物等隐患，导致设备带隐患运行。GIS操作机构防潮性能不良导致生产事故1. 2014年广东xx供电局4座220kV和13座110kV变电站失压一级事件事故经过：500kVxx站在转220kV负荷操作中，由于带负荷拉母线隔离开关，母线差动保护动作，导致该站220kV母线及与其相关的220kV和110kV变电站失压。 直接原因：500kVxx站3#主变220kV侧母线隔离开关22036合闸操作后，刀闸指示在“合”位，刀闸辅助开关变位，但一次回路并未接通。导致用另一母线隔离开关22035拉开负荷电流。 间接原因：由于22036导致的电动弹簧操作机构内缓冲器转轴、活塞拉杆锈蚀，导致缓冲器活塞与内缸、活塞杆与法兰之间、缓冲器连杆与机构箱壁产生严重摩擦，缓冲器运动阻力增大，消耗了大量弹簧动能；同时机构连杆轴销、轴套锈蚀，进一步增大阻