西安交通大學高電壓技術教研室丁衛東GIS裝置及其絕緣技術《GIS裝置及其絕緣技術》2007年10月1日第六章氣體絕緣電力設備內容氣體絕緣金屬封閉式組合電器氣體絕緣輸電管道氣體絕緣變壓器其它氣體絕緣電氣設備氣體絕緣金屬封閉式組合電器氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)的優點：敞開式變電站(72kV-1200A,215MVA)

替代為金屬封閉式組合電器之后占地面積和空間占有體積小城市征地困難水電站的升壓變電站安全可靠人員安全不受氣候影響無火災、不破壞環境電磁兼容性好安裝工作量小，檢修周期長，壽命長氣體絕緣金屬封閉式組合電器19561966200015001000deliveredbays197619961986>300kV20042006500<300kVMilestonesGISEarlyresearchFirst500kVGISClaireville(CA)First170kVGISSempersteig(CH)Largest500kVGISItaipu(BR)First500kVGISinChina,JiangmenFirst800kVGISAlpha(ZA)500kVGISThreeGorges(CN)GIS的應用：氣體絕緣金屬封閉式組合電器1:母線

2、8:隔離開關3、7:工作接地開關

4、6:電流互感器5:斷路器

9:接地開關 10:電壓互感器 11:套管避雷器電纜終端控制柜氣體絕緣金屬封閉式組合電器江蘇無錫華潤變電站氣體絕緣金屬封閉式組合電器母線單相封閉式母線三相封閉式母線D/d=2.7r0/rs

=0.55rc/rs

=0.167因為分支出線的緣故，三相封閉式母線的導體布置與氣體絕緣輸電管道不同，內導體位于半徑r0的圓周上，位于底部的內導體與其它兩相相差90°GIL中的電極結構氣體絕緣金屬封閉式組合電器斷路器合閘滅弧觸頭分離分閘分閘開始單壓式斷路器的開斷過程※優點是無高壓SF6系統，缺點是分閘時間較長，且需要較大的操動力氣體絕緣金屬封閉式組合電器斷路器的液壓操動機構氣體絕緣金屬封閉式組合電器隔離開關a)c)b)d)氣體絕緣金屬封閉式組合電器隔離開關一般為推拉式結構，操作系統可分電動機、電動機-彈簧機構和手動操作。對隔離開關的要求：應具有表示其分、合閘位置的可靠的指示裝置斷口在任何情況下都不能被擊穿，故斷口耐壓要求比對地絕緣電壓高必須能開斷環流(電流大、恢復電壓低)必須能分、合感性小電流以及容性小電流氣體絕緣金屬封閉式組合電器接地開關工作用接地開關快速接地開關工作用接地開關是用于保證維修人員安全的，常安裝與隔離開關的兩端氣體絕緣金屬封閉式組合電器快速接地開關快速接地開關應具有關合額定動穩定電流的能力。它僅僅在故障的時候工作。快速接地開關的操動機構應符合交流高壓斷路器標準中有關操動機構的要求。氣體絕緣金屬封閉式組合電器電壓互感器電磁式電壓互感器電容分壓器氣體絕緣金屬封閉式組合電器帶電子放大器的電容分壓器氣體絕緣金屬封閉式組合電器電流互感器采用環狀鐵芯結構，互感器的初、次級之間的絕緣為氣體絕緣氣體絕緣金屬封閉式組合電器金屬氧化物避雷器氣體絕緣金屬封閉式組合電器GIS與其他設備的連接主要特點:自清潔硅橡膠傘裙長爬電距離SF6氣體絕緣運行可靠性高重量輕復合絕緣套管套管氣體絕緣金屬封閉式組合電器主要特點:長爬電距離紙浸樹脂電容屏免維護抗震瓷絕緣套管氣體絕緣金屬封閉式組合電器電纜終端插拔式電纜終端采用插拔式電纜終端，使得GIS的安裝可以與電纜的安裝完全分開，在電纜試驗、檢修時可以直接將電纜終端頭拔出，而不需要打開GIS的SF6氣室。氣體絕緣金屬封閉式組合電器與變壓器連接套管氣體絕緣金屬封閉式組合電器外殼GIS的外殼一般為鋼或鋁合金制。它必須能承受一定的壓力，密閉性要好，當GIS內部萬一發生電弧時，必須不被燒穿，而且高溫造成的壓力上升不至于引起爆炸。外殼一般采用焊接或法蘭進行連接。具有絕緣子的法蘭連接法蘭氣體絕緣金屬封閉式組合電器壓力釋放裝置當壓力釋放裝置動作時，不應危害工作人員的安全。電弧造成的壓力升高，也可用來檢測故障位置。氣體絕緣金屬封閉式組合電器控制柜用于指令輸入、報警和聯鎖等用途的輔助電氣設備均安裝在相應的就地控制柜內。用戶控制保護設備需要的電壓、電流等信號也是從就地控制柜的端子排上接取↑←ABB的GIS的控制柜氣體絕緣金屬封閉式組合電器快速暫態過電壓的問題波前時間很陡(5~20ns)耐電強度高，放電形成時延短有頻率很高的高頻電壓分量電壓波在GIS中折反射造成0.1-10MHz幅值并不高，很少到達2.0p.u.VFTO的幅值大小與隔離開關觸頭間電弧重燃電壓大小有關，也與被開斷的母線上的參與點和的電壓值有關。危害：引起GIS或相鄰設備的絕緣故障氣體絕緣輸電管道氣體絕緣輸電管道(GIL)GIL(Gas-insulatedMetal-enclosedTransmissionLine)與氣體絕緣金屬封閉式組合電器(GIS)的母線結構相似，分單芯式GIL與三芯式GIL，單芯式GIL由同軸結構的外殼和中間導體構成；中間導體由導電率較高的鋁合金管構成，管壁厚度約為10mm-20mm，用絕緣子加以固定；外殼為鋁合金或鋼制，厚約為6mm-10mm，通常采用某種辦法接地；管道中一般充以壓縮SF6或SF6/N2混合氣體作為絕緣介質；端部與GIS、變壓器等直接連接或通過套管與其它設備連接；GIL兩端可設置金屬氧化物避雷器(MOA)以抑制過電壓；當它被用于較長線路時，可在線路中間安裝隔離開關，以方便將線路分成幾段進行現場試驗。單芯式GIL與三芯式GIL結構示意圖氣體絕緣輸電管道GIL的組成：①直線單元、②轉角單元、③補償單元、④隔離單元以及⑤套管氣體絕緣輸電管道Siemens公司提供的GIL組件示意圖

CGITWestboro公司提供的GIL組件示意圖

氣體絕緣輸電管道GIL與GIS母線的主要區別：①GIS母線通常較短，而GIL長度一般超過100m。GIS母線段一般結構復雜，多系鑄造而成，GIL結構則相對簡單，比較多地采用擠制成型部件。②GIS母線通常使用盆式絕緣子或者帶孔的盆式絕緣子，絕緣子之間距離一般為6m，絕緣子安裝在兩個法蘭之間，因此外殼上每隔6米設一個法蘭。GIL的絕緣子完全處于外殼內部，除盆式絕緣子外，大量采用支柱絕緣子，因此外殼多采用焊接連接。③GIS母線的中間導體一般使用螺紋與盆式絕緣子連接，而GIL的中間導體連接大量采用焊接。④需要改變走向時，GIS母線段的轉彎角度一般為90o，而GIL的轉彎相對比較自由，轉角單元的角度一般在85o–178o之間。而且當走向只有微小改變時，可以取消轉角單元，利用GIL自身的撓性實現轉彎。⑤GIS母線較短，存在導電微粒時容易檢查，通常不專門設置微粒陷阱以捕獲導電微粒，GIL比較長，安裝地點的環境條件較不易控制，通常要設置微粒陷阱。氣體絕緣輸電管道相對于架空線(OHL)和電纜，GIL的優缺點：與充油電纜相比，GIL的電容量較小1/4與電纜相比，GIL的傳輸容量大截面超過10000mm2，電流達到8000A，傳輸容量4000MVAGIL的電能損耗小每米100-200W適用于高落差場合有垂直落差305m的敷設實例GIL的可靠性極高、無火災風險(50年)與架空線路相比，GIL的主要優點是占地少

GIL無電磁干擾問題不可能直接受到雷擊一次設備投資大一次設備投資為架空線的5-7倍，電纜的2倍左右，只有在高電壓大容量的情況下才有優勢氣體絕緣輸電管道GIL的使用場合①用于發電廠內連接高壓變壓器和高壓開關設備②用于連接處于洞室之中的高壓變壓器和外部的架空輸電線③用于連接GIS和架空輸電線④用于連接兩個GIS⑤用于兩段架空輸電線交叉時⑥用于對環境要求比較高的地區，如風景名勝區，或者征地比較困難的地區⑦在高電壓、大容量的場合，用作經濟的長距離輸電線路氣體絕緣輸電管道全世界GIL的單相長度大約為200km-300km，電壓等級為138kV-1200kV。GIL目前主要還是用在架空線受限制的場合，用以替代電纜，隨著征地成本提高，人們對環境問題的日益重視以及GIL造價的降低，GIL將有可能成為長距離大容量的經濟輸電方式。氣體絕緣輸電管道一些GIL的實例氣體絕緣輸電管道GIL的一些特殊部件微粒陷阱支撐絕緣子滑動觸頭波紋管

氣體絕緣輸電管道微粒陷阱和支撐絕緣子(a)三柱式支撐絕緣子(b)盆式絕緣子CGITWestboro公司的GIL絕緣子氣體絕緣輸電管道防導電微粒設計的滑動觸頭氣體絕緣輸電管道GIL的安裝方式地上安裝電纜溝安裝隧道安裝直埋安裝氣體絕緣輸電管道第二代GIL的特征采用SF6/N2混合氣體絕緣(20%-80%)采用現場組裝技術采用管道敷設技術氣體絕緣輸電管道采用軌道焊接機焊接、采用超聲檢測控制焊接質量，返工率小于1%，可在狹小的空間內進行焊接氣體絕緣輸電管道GIL的設計必須依據國標DL/T978-2005《氣體絕緣金屬封閉輸電線路技術條件》的規定進行，該標準參考了IEC61640-1998《額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣高壓剛性輸電線路》技術報告的內容。必須滿足以下幾個條件：絕緣設計：（1）最高場強的控制（2）導電微粒的起立（3）絕緣子內部場強的控制（4）絕緣子表面場強熱性能設計防地震設計氣體絕緣變壓器與傳統的油浸式變壓器相比，氣體絕緣變壓器的優點：(1)不燃、不爆，安全性好，特別適用于城市人口稠密地區和高層建筑的供電。(2)噪聲小于油浸式變壓器(3)重量小于油浸式變壓器(4)SF6氣體不象油那樣會老化，故運行維護工作大大簡化(5)與GIS的連接非常方便與其它無油的防災變壓器相比，GIT的主要優點：(1)容量大(2)額定電壓等級高(3)對安裝環境的要求低GIT的主要缺點：(1)與油浸式變壓器相比，過載能力較差(2)沖擊系數較小，一般在1.25左右，遠低于油浸式變壓器的1.7(3)結構較為復雜，生產難度大于傳統的油浸式變壓器，價格較高氣體絕緣變壓器國內SF6氣體絕緣變壓器的使用量總計已經達到數十臺(分布于北京、上海、香港、深圳、重慶等地)氣體絕緣變壓器日本275kVGIT氣體絕緣變壓器GIT的絕緣結構匝間絕緣和筒式繞組的層間絕緣絕緣子：O級(90℃)聚酯薄膜(PET)：E級(120℃)，100kV/mm聚芳酰胺紙：H級(180℃)，20-30kV/mm局部放電起始場強與時間的關系：一般而言，匝間絕緣裕度比較大氣體絕緣變壓器SF6氣體壓力升高對工頻擊穿場強影響不大，但可以有效提高局部放電的起始場強氣體絕緣變壓器層間絕緣的局部放電其實電壓估計公式：筒式繞組層間邊緣處電廠很不均勻，電極邊緣的電暈起始電壓可用下式表示：氣體絕緣變壓器餅式繞組的縱絕緣GIT的線餅間工頻擊穿電壓高于油浸變壓器，但沖擊擊穿電壓則明顯低于油浸式變壓器。由于縱絕緣尺寸是由雷電沖擊耐壓值決定的，所以GIT的尺寸要比油浸式變壓器的尺寸大。氣體絕緣變壓器主絕緣氣壓對工頻擊穿電壓的影響：0.1MPa0.2MPa增長為約3倍氣體絕緣系統的沖擊系數小于油浸式提高絕緣強度的措施極間屏障靜電板引線的曲率半徑氣體絕緣變壓器GIT的冷卻方式SF6的導熱系數趕不上空氣，更是遠遠不如液體，因此GIT中冷卻問題是一個重要問題。①自冷式用于小容量GIT(3MVA)，利用自然對流換熱。②強迫氣體循環方式用于小容量GITGIT(超過3MVA)，利用自然對流換熱。氣體絕緣變壓器③蒸發冷卻方式使用FC-75(C8F16O，0.1MPa沸點為102℃)，R113(C2Cl3F3,0.1MPa沸點為48℃)，C8F18，采用蒸發冷卻的GIT內部氣壓隨著溫度改變比較大。④采用分離的冷卻系統用冷卻液泵使冷卻液流過設置在鐵芯和繞組中的冷卻通道，冷卻液吸收熱量后備送到熱交換器中冷卻。氣體絕緣變壓器GIT的運行安全注意事項GIT的充氣氣