1GIS概述
GIS的定義為：全部或部分采用氣體而不采用處于大氣壓下的空氣作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備。它是由短路器、母線、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管7 種高壓電器組合而成的高壓配電裝置，全稱為gas insulated substation。GIS采用的是絕緣性能和滅弧性能優(yōu)異的六氟化硫(SF6)氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，并將所有的高壓電器元件密封在接地金屬筒中，因此與傳統(tǒng)敞開式配電裝置相比，GIS具有占地面積小、元件全部密封不受環(huán)境干擾、運行可靠性高、運行方便、檢修周期長、維護(hù)工作量小、安裝迅速、運行費用低、無電磁干擾等優(yōu)點。經(jīng)過30多年的研制開發(fā)，GIS技術(shù)發(fā)展很快并迅速被應(yīng)用于全世界范圍內(nèi)的電力系統(tǒng)。目前，隨著全球電力系統(tǒng)自身的發(fā)展以及對系統(tǒng)運行可靠性要求的日益提高，GIS技術(shù)必將持續(xù)發(fā)展，并將成為本世紀(jì)高壓電器的發(fā)展主流。
2GIS的安裝
為了保證GIS安裝的順利進(jìn)行，在施工設(shè)計階段，設(shè)計人員需要認(rèn)真考慮以下兩個方面的問題，否則會給GIS的安裝帶來許多困難。
首先是GIS的起吊方式。目前戶內(nèi)GIS的安裝及起吊的荷載條件大多采用電動單梁橋式起重機(jī)。起重機(jī)起吊速度有兩檔，低速檔主要用于設(shè)備就位時的調(diào)整。兩檔協(xié)調(diào)應(yīng)用。如公伯峽 330kV GIS工程、棉花灘220kV GIS工程及一些電壓等級更高的電站均采用這種起吊方式，實踐證明是行之有效的。
其次是GIS設(shè)備基礎(chǔ)的預(yù)埋方式。通常GIS的載荷條件、留孔及預(yù)埋要求均由制造商提供，但基礎(chǔ)的預(yù)埋方式是由設(shè)計方根據(jù)制造商提供的基本資料來確定的。目前較常用的基礎(chǔ)預(yù)埋件有槽鋼和螺栓兩類。其中預(yù)埋螺栓的施工較簡單，但調(diào)節(jié)性差，若螺栓遇到樓板鋼筋，則需要調(diào)整螺栓位置，并在需要與之連接固定的設(shè)備支架上重新開孔，然后對開孔進(jìn)行防銹處理。而預(yù)埋槽鋼則不存在上述問題，因此應(yīng)用較多。
上述兩方面應(yīng)在設(shè)計中注意。在GIS安裝期間，往往需要設(shè)計方代表在現(xiàn)場，此時設(shè)計人員應(yīng)該了解GIS安裝過程中的三大要素：即清潔度、密封性和真空度。因為GIS的結(jié)構(gòu)特點決定了安裝過程本身就是控制GIS運行后質(zhì)量的最后一個關(guān)鍵階段。
大量的安裝實踐證明，保證清潔度是GIS總裝和現(xiàn)場安裝中最首要的任務(wù)。國內(nèi)GIS安裝現(xiàn)場的場地情況通常較差，為了防止起灰塵，安裝前第一次清潔時應(yīng)在場地灑水并用水揩凈，在空氣靜止48h后才開始安裝。作為電極的鋁管在加工過程中難免會存在著表面毛刺和鋁屑，這些微粒都是耐壓實驗中放電的來源，因此要特別注意保證鋁導(dǎo)體的清潔。這就要求一方面強(qiáng)化對導(dǎo)體加工過程的清潔檢查，防止出現(xiàn)死區(qū);另一方面在總裝前制造商應(yīng)增加導(dǎo)體振動清潔的新手段，盡量把空心體內(nèi)部死角的殘留物清理出來，或者對安裝前的導(dǎo)體做類似局部放電試驗以檢查出殘留的鋁屑和金屬絲。某些國產(chǎn)GIS產(chǎn)品由于管理不嚴(yán)，出廠時GIS內(nèi)還殘留有雜物，加之許多安裝現(xiàn)場管理不嚴(yán)，灰塵漫天，更增加了確保清潔度的難度，所以必須嚴(yán)格要求，精心施工。萬家寨GIS就是因為GIS內(nèi)雜物引起試驗時三次放電，不得不又拆開進(jìn)行局部清理，既增加了工作量，又影響了工期，這個教訓(xùn)值得引以為戒。
密封性是GIS絕緣的關(guān)鍵，SF6氣體泄露會造成GIS致命的故障。因此密封性檢查應(yīng)貫穿于整個制造和安裝的始終。密封效果主要取決于罐體焊接質(zhì)量，其次是密封圈的制造、安裝調(diào)整情況。
除上述兩個關(guān)鍵因素外，真空度的要求是總裝和安裝過程中的第三個控制因素，是控制SF 6含水量的重要保證措施，它不僅能減少SF6氣體本身的水分，也可減少罐內(nèi)其它物體( 絕緣體、密封體)內(nèi)所含的水分，一般要求在充入SF6氣體之前真空度要達(dá)到133Pa，再繼續(xù)抽真空30min。水分對GIS運行的影響關(guān)鍵在于：如果沒有將SF6氣體控制在0℃以下，則在溫度變化時絕緣體表面會形成凝露，所附著的水珠和SF6電弧產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成HF等低氟化物，從而導(dǎo)致沿面的絕緣材料和金屬表面劣化。如果將SF6露點的允許值控制在較低值，則在溫度變化時絕緣體表面凝結(jié)的不是水珠而是冰晶，它對絕緣性能幾乎沒有影響。因此，在IEC及國際上均有規(guī)定：充入GIS的新氣體在額定密度下其露點不應(yīng)超過-5℃。
3GIS的試驗
GIS的試驗包括型式試驗、出廠試驗及現(xiàn)場試驗。其中型式試驗是檢驗產(chǎn)品的正確性，驗證GIS裝置的各項性能;出廠試驗是在每一間隔上進(jìn)行的，以檢驗加工過程中是否存在缺陷;現(xiàn)場試驗是檢查GIS配電裝置在包裝、運輸、儲存和安裝過程中是否出現(xiàn)異常現(xiàn)象行之有效的監(jiān)測方法，是GIS在投運之前必須進(jìn)行的，也是前兩種試驗無法替代的。
大量的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：(1)現(xiàn)場絕緣試驗中往往會發(fā)生零件松動、脫落、導(dǎo)電表面刮傷;(2)強(qiáng)烈的振動造成絕緣子開裂;(3)安裝錯位引起電極表面缺陷;(4)安裝過程中造成導(dǎo)電微粒進(jìn)入;(5)由于疏忽將工具遺忘在裝置內(nèi);(6)原來潛伏在裝置內(nèi)的導(dǎo)電微粒在工廠試驗時未能檢測出來，后來在運輸和安裝過程中被振蕩出來或漂浮在裝置內(nèi)等。這些因素都會導(dǎo)致絕緣故障。這些絕緣缺陷一般分為兩大類：一是由自由微粒和灰塵誘發(fā)的絕緣事故，稱為活動絕緣缺陷(A類);二是由于安裝運輸中的意外造成的固定絕緣缺陷(B類)。
根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，SF6設(shè)備的絕緣事故有2/3都發(fā)生在未進(jìn)行現(xiàn)場耐壓試驗的設(shè)備上。加拿大安大略水電局的運行經(jīng)驗表明，GIS的事故不僅多發(fā)生在未做現(xiàn)場絕緣試驗的設(shè)備上，而且多發(fā)生在安裝后投入運行的最初4個月內(nèi)，這類事故約占總事故的67%。第一年事故率為0.53次/ 年·間隔，之后為0.06次/年·間隔。北美地區(qū)的調(diào)查報告認(rèn)為，GIS運行后頭一年事故率為4次 /所·年，一年以后為0.1次/所·年。因此，GIS經(jīng)工廠裝配、運輸和現(xiàn)場安裝之后，在投運前進(jìn)行絕緣試驗是十分必要的。
4GIS的外殼接地問題
GIS的外殼接地方式有兩種，一種是一點接地方式，另一種是多點接地方式。一點接地方式是在GIS外殼的每個分段中一端絕緣，另一端用一點接地的方式。在結(jié)構(gòu)上，串聯(lián)的殼體之間一般是在法蘭盤處絕緣，對地之間是在殼體支座處緣絕緣。這種接地方式的優(yōu)點是：因為長時間沒有外殼電流通過，故即使電流額定值大，外殼的溫升也較低，損耗也較小;因為沒有電流流入基礎(chǔ)部位，故土建鋼筋中沒有溫升。當(dāng)然它的缺點也很突出，即事故時不接地端外殼感應(yīng)電壓較高，外界的磁場也較強(qiáng)，當(dāng)導(dǎo)體中流過的電流較大時，往往會使外殼鋼筋發(fā)熱，由于只有一根接地線，因此可靠性較差。目前國內(nèi)GIS設(shè)計一般不采用這種外殼接地方式。
多點接地方式是在GIS的某個分段內(nèi)，用導(dǎo)體連接外殼和大地，并且采用兩點以上的多點接地。一般在結(jié)構(gòu)上，串聯(lián)的法蘭盤之間不設(shè)絕緣，設(shè)備的支座不絕緣，并用固定螺栓導(dǎo)通，接地線也裝于殼體。多點接地的優(yōu)點很多：外部磁漏少，感應(yīng)過電壓低;由于GIS外殼有兩點以上的接地點，因而可大大提高其可靠性及安全性;不需要使用絕緣法蘭等絕緣層，施工方便;外殼和導(dǎo)體電流幾乎抵消，因此外部磁場較小，使鋼構(gòu)發(fā)熱和流過控制電纜外皮的感應(yīng)電流都很小。由于外殼中有感應(yīng)電流流過，因此外殼中的溫升和損耗比一點接地方式大。但電站GIS工程中外殼損耗本身不大，因此在工程中可以忽略補(bǔ)給。例如：廣州抽水蓄能電站 GIS外殼的功率損耗為2.43～3.79W/(m·ph)，可以略去不計。
5GIS設(shè)計中有待完善的工作
根據(jù)近年來GIS工程的設(shè)計經(jīng)驗，筆者認(rèn)為在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化中尚有一些空白點亟待解決。因為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是整個設(shè)計過程的依據(jù)，設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)是制造商的制造依據(jù)。
首先是伸縮節(jié)的設(shè)置問題，尤其是在選用進(jìn)口GIS設(shè)備時對伸縮節(jié)的技術(shù)要求。伸縮節(jié)主要是用來吸收GIS母線熱脹冷縮、基礎(chǔ)伸縮縫的位移、設(shè)備間的安裝調(diào)整以及地震和操作引起的位移量，因此主要配置在母線與各設(shè)備、變壓器進(jìn)線、線路出線的連接等位置。而在水電站的廠房中，廠壩間的伸縮縫很多，每條伸縮縫的伸縮量無法準(zhǔn)確測出，因此在GIS的招標(biāo)設(shè)計中應(yīng)對伸縮節(jié)提出較高的要求。
如果采用進(jìn)口GIS設(shè)備，國外廠家對伸縮節(jié)的看法不一，某些廠家認(rèn)為完全可以滿足設(shè)計要求的水平位移和垂直位移，而有的廠家認(rèn)為土建伸縮縫與伸縮節(jié)關(guān)系不大。
我國國標(biāo)規(guī)定“制造廠應(yīng)根據(jù)使用的目的、允許的位移量等來選定伸縮節(jié)的結(jié)構(gòu)”，“在 GIS分開的基礎(chǔ)間允許的相應(yīng)位移(不均勻下沉)應(yīng)由制造廠和用戶商定”。為了確保在與外商的技術(shù)談判中有據(jù)可依，更為了確保GIS 設(shè)備運行的安全可靠性，在我國的標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)增加伸縮節(jié)方面的量化計算和要求。
其次是GIS接地線的材料和尺寸。這往往是與GIS外商談判中討論較多的問題。國外制造商都主張GIS室采用銅接地網(wǎng)和銅接地引線，因為銅的導(dǎo)電性和耐腐蝕性優(yōu)于鋼，但由于銅本身成本以及焊接成本都很高，因此我國電站大多采用鋼接地網(wǎng)和鋼接地線。目前國內(nèi)超高壓 GIS均采用銅接地引線。銅引線與鋼接地網(wǎng)之間的連接需采用特殊方式，以防止鋼與銅直接接觸發(fā)生化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。
另外，國外廠家根據(jù)GIS的熱穩(wěn)定電流來計算接地線截面，并有具體的計算公式和曲線，計算的參數(shù)包括接地的短路電流、故障的持續(xù)時間、接地線相應(yīng)的允許溫升值，其中接地線熔斷相應(yīng)的允許溫升值起決定作用，有些廠家采用的允許溫升值為100℃，這樣選出的接地線截面就小一些，而有些廠家采用的允許溫升值為200℃，這樣選出的接地線截面就大一些。我國的規(guī)范要求采用流經(jīng)接地線的短路電流、導(dǎo)體的熱穩(wěn)定系數(shù)、故障持續(xù)時間進(jìn)行接地導(dǎo)體的截面計算，因此，常常會出現(xiàn)接地截面不符合制造商要求的情況。對此我國規(guī)范中應(yīng)就接地線的規(guī)格和尺寸作出相關(guān)規(guī)定。
上述問題是在GIS設(shè)計過程中不可避免的，也是亟待完善的，只有盡快制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，才可以保證設(shè)計質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量，并盡可能減少設(shè)計中的不完善環(huán)節(jié)及運行中的隱患。在標(biāo)準(zhǔn)制定之前，希望廣大設(shè)計人員能了解這些問題，在設(shè)計過程中予以充分考慮，并借鑒其它電站的解決措施，盡可能保證設(shè)計質(zhì)量。
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