什么是GIS？GIS安裝、試驗及設計

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)的金屬封閉開關設備。它是由斷路器、母線、隔離開關、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gasinsulatedsubstation。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技術發(fā)展很快并迅速被應用于全世界范圍內(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技術必將持續(xù)發(fā)展，并將成為本世紀高壓電器的發(fā)展主流。

一、GIS的安裝

本人對GIS安裝、試驗等的幾個技術環(huán)節(jié)進行論述，為保證GIS安裝的順利進行，在施工設計階段，設計人員需要認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。起重機起吊速度有兩檔，低速檔主要用于設備就位時的調(diào)整。兩檔協(xié)調(diào)應用。如公伯峽330kVGIS工程、棉花灘220kVGIS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設備基礎的預埋方式。通常GIS的載荷條件、留孔及預埋要求均由制造商提供，但基礎的預埋方式是由設計方根據(jù)制造商提供的基本資料來確定的。目前較常用的基礎預埋件有槽鋼和螺栓兩類。其中預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備支架上重新開孔，然后對開孔進行防銹處理。而預埋槽鋼則不存在上述問題，因此安裝過程中應用較多。

上述兩方面應在設計中注意。在GIS安裝期間，往往需要設計方代表在現(xiàn)場，此時設計人員應該了解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的結構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。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，在安裝GIS設備前應在安裝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體的清潔。這就要求一方面強化對導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增加導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，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，灰塵漫天，更增加了確保清潔度的難度，所以必須嚴格要求，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，不得不又拆開進行局部清理，既增加了工作量，又影響了工期，這個教訓值得引以為戒。

密封性是GIS絕緣的關鍵，SF6氣體泄露會造成GIS致命的故障。因此密封性檢查應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SF6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到133Pa，再繼續(xù)抽真空30min。水分對GIS運行的影響關鍵在于：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)生反應生成HF等低氟化物，從而導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超過-5℃。

二、GIS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在投運之前必須進行的，也是前兩種試驗無法替代的。

大量的現(xiàn)場試驗結果表明：（1）現(xiàn)場絕緣試驗中往往會發(fā)生零件松動、脫落、導電表面刮傷；（2）強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）安裝過程中造成導電微粒進入；（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)有關資料統(tǒng)計，SF6設備的絕緣事故有2/3都發(fā)生在未進行現(xiàn)場耐壓試驗的設備上。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，在投運前進行絕緣試驗是十分必要的。

三、GIS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。在結構上，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??；因為沒有電流流入基礎部位，故土建鋼筋中沒有溫升。當然它的缺點也很突出，即事故時不接地端外殼感應電壓較高，外界的磁場也較強，當導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。一般在結構上，串聯(lián)的法蘭盤之間不設絕緣，設備的支座不絕緣，并用固定螺栓導通，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；外殼和導體電流幾乎抵消，因此外部磁場較小，使鋼構發(fā)熱和流過控制電纜外皮的感應電流都很小。由于外殼中有感應電流流過，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。

四、GIS設計中有待完善的工作

根據(jù)近年來GIS工程在公司各電站的廣泛投運經(jīng)驗，我認為在設計標準化中尚有一些空白點亟待解決。因為設計標準是整個設計過程的依據(jù)，設備接口標準是制造商的制造依據(jù)。

首先是伸縮節(jié)的設置問題，尤其是在選用進口GIS設備時對伸縮節(jié)的技術要求。伸縮節(jié)主要是用來吸收GIS母線熱脹冷縮、基礎伸縮縫的位移、設備間的安裝調(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備、變壓器進線、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確測出，因此在GIS的招標設計中應對伸縮節(jié)提出較高的要求。

如果采用進口GIS設備，國外廠家對伸縮節(jié)的看法不一，某些廠家認為完全可以滿足設計要求的水平位移和垂直位移，而有的廠家認為土建伸縮縫與伸縮節(jié)關系不大。

我國國標規(guī)定“制造廠應根據(jù)使用的目的、允許的位移量等來選定伸縮節(jié)的結構”，“在GIS分開的基礎間允許的相應位移（不均勻下沉）應由制造廠和用戶商定”。為了確保在與外商的技術談判中有據(jù)可依，更為了確保GIS設備運行的安全可靠性，在我國的標準中應增加伸縮節(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、接地線相應的允許溫升值，其中接地線熔斷相應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、導體的熱穩(wěn)定系數(shù)、故障持續(xù)時間進行接地導體的截面計算，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)范中應就接地線的規(guī)格和尺寸作出相關規(guī)定。

上述問題是在GIS設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的標準，才可以保證設計質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量，并盡可能減少設計中的不完善環(huán)節(jié)及運行中的隱患。在標準制定之前，希望廣大設計人員能了解這些問題，在設計過程中予以充分考慮，并借鑒其它電站的解決措施，盡可能保證設計質(zhì)量，使之廣泛應用并能安全運行。

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