超高压AIS和GIS以及HGIS的优劣分析

1．GIS技术的进步

从上世纪60年代GIS问世以来,GIS一直处于发展之中,在保持高可靠性的同时,减少材料用量和降低成本。同时在GIS的基础上,最新演变出H-GIS(MTS)即复合式GIS。 GIS的进步主要表现在:

1)断路器技术的发展在增大容量的同时减少断口数是提高断路器和GIS技术经济指标的最主要措施。减少断口数能简化结构,提高靠性,同时减少SF6气体用量和排放量。目前550kV SF6断路器已由双断口发展到单断口。日本己开发出550kV 63kA 50KA单断口SF6断路器,我国最新也开发出550kV 4000A 50KA单断口SF6断路器。 (2)GIS在壳体结构上从分相式-三相共筒式-复合化。

GIS的壳体从分相式发展到三相共筒式,使GIS进一步小型化。目前国际上已做到300kV全三相共简化,550kV母线三相共筒化。复合化是将多个元件运合在一个充气筒内,如将断路器和母线复合为一个充气筒内,又将隔离开关、接地开关、避雷器和电流互感器由原来多个气筒复合为一个气筒。这样做可使GIS小型化、轻量化。

(3)元件的多功能化,如将隔离开关和接地开关复合成三工位隔离/接地开关,可省略电气操作联锁,不存在DS和ES间各种误操作,显著提高了运行可靠性。

(4)铝合金铸造和加工技术的发展使外形和体积最小化。GIS壳体有钢板卷制、铝板焊接和铸铝结构,以铝合金铸造气密性最好,且能按绝缘要求优化需壳形状。

(5)使用智能化监控和诊断工具以延长维修周期,并避免不必要的工作。GIS智能化技术可对GIS进行在线检测,及早发现故障,防患于未然,又可对GIS进行状态监视,变'定期维护'为'状态维护'。这样做大大提高了运行可靠性,同时大大节省了维护费用,因而智能化会带来巨大技术经济效益。因此GIS二次控制从传统的电磁机械式走向智能化,这是电网自动化的需要,也是提高GIS可靠性的需要。

2.复合式组合开关设备兴起(MTS)(H-GIS)

高压开关设备按其绝缘可分为三种类型:(1)空气绝缘的敞开式开关设备(AIS);(2)气体绝缘金属封闭开关设备(GIS);(3)混合技术开关设备(MTS)。MTS是继AIS和GIS之后出现的特别适用于超高压和特高压的开关设备。

AIS以优化投资成本为特征:GIS以最小的空间需求为特征;MTS则以可靠性极高的单线布置为特征。

混合技术开关设备(Mixed TechnologiesSwitchgear-MTS)是基于敞开式开关设备组合及气体绝缘金属封闭开关设备组合的组合式开关设备。MTS可分两类:一类为敞开式组合电器;另一类为H-GIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)即复合式GIS。敞开式组合电器是以敞开式元件组合形成的开关设备,基本型号为ZCW。复合式GIS(H-GIS)是三相空气绝缘且不带母线的单相GIS。基本型号为ZHW。国内将H-GIS亦称为准GIS,简化GIS等。 空气绝缘的敞开式开关设备(AIS)以瓷套作为设备外壳及外绝缘,优化了投资成本。但占地面积大旦因设备外露部件多,易受气候环境条件的影响,不利于系统的安全及可靠运行。而GIS H-GIS在减少占地面积方面具有明显的优势,而且GIS H-GIS的功能元件封闭在气体绝缘壳体内,因而抵御外界环境影响能力较强。GIS是属于可靠性高、兔(少)维护的开关设备,它占地面积最小,但由于配置大量的金属封闭母线,使得造价昂贵,而H-GIS的造价介于AIS和GIS之间。

相对GIS,H-GIS(或MTS)只将一相断路器、隔离/接地开关、CT等集成为一组模块,整体封闭于充有绝缘气体的容器内,而对发生事故机率极低的母线,则采用常规方式(敞开式)进

行布置,也就是说,H-GIS(或MI别是一种不带充气母线的相间空气绝缘的单相GIS,因而,使得现场结构清晰、简洁、紧凑、安装和维护方便、运行可靠性高。相对AIS,MTS将隔离开关和接地开关封闭在充气的壳体内,这样就避免了户外隔离开关经常出现的瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、腐蚀等4大问题。又由于隔离开关与接地开关合一简化了结构,大大缩小了尺寸。这种三工位隔离开关与接地开关,不存在常规隔离开关与接地开关间各种可能的误操作,因此可省略他们之间的电气操作联锁,使运行的可靠性大大提高。

对于变电站来说,H-GIS的优势在于:(1)MTS开关设备完全解决了户外隔离开关运行可靠性问题。同时由于各元件组合,大大减少了对地绝缘套管和支柱数(仅为常规设备的30~50％)。这也减少了绝缘支柱因污染造成对地闪络的概率,有助于提高运行的可靠'性:(2)由于元件组合,缩短了设备间接线距离,节省了各设备的布置尺寸。相对于传统的AIS,大大缩小了高压设备纵向布置尺寸,减少占地面积达40~60％;(3)由于采用在制造厂预制式整体组装调试、模块化整体运输和现场施工安装的方式,现场施工安装更为简单、方便。同时减少了变电站支架、钢材需用量。又由于基础小,工程量少,混凝土用量少,大大减少了基础工作和费用开支;(4)由于MTS模块化,非常灵活,特别适用于老式变电站的改造。MTS正是适应欧洲50年代和60年代老电站需要改造而兴起。MTS减少了老变电站升级改造的施工难度和投资规模,同时提高了可靠性。

目前国内三家大型企业(西开电气、平高集团和新沈高)正在积极研制1100kVGIS和H-GIS(MTS)。

高压等级越高,越能显示出H-GIS的优势。根据广东的经验,H-GIS相比GIS具有明显的价格优势。如550kV一间隔设备费用约为720万美元(2002年到岸价),而H-GIS一间隔约为183万美元(横沥站2002年DDV价),约为GIS一间隔价格的1/4,同时GIS扩建麻烦,而H-GIS不带母线,分相布置,当一相断路器需维护或扩建时,只需断开与三相母线的连接线,因此H-GIS相比GIS占有价格低和扩建维修的优势。H-GIS与AIS相比,H-GIS综合费用比AIS虽贵些,但它的技术经济指标优越,特别减少了套管数量(约为AIS的50％),支柱绝缘子数(约为其20％),设备支架数(为其209b),占地面积(为其60％),安装工作量(为其50％),维护工作量(为其20％)等。

550kVMTS在国外都有生产和使用。国外以日本为例,三菱和东芝都在生产MTS产品。三菱550kVMTS从1973年开始已有19座变电站在运行,至今已有194台供货记录。1979年日本关西电力公司的500kV西播变电站技运10间隔550kV/4000A/5。KA的MTS,至今运行没有发生任何问题。1987年日本东京电力公司的500kV的变电站,扩建的5号主变电站工程选用Mm以来,没有发生任何故障。2004年、2005年国家电网公司和南方电网公司又在多个500kV变电站选用了MFTS开关设备。我国即将开工建设的1000kV特高压输变电试验示范工程,其中有的变电站将选用1100kV MIS。

我国现运行的550kVMTS设备中已有三菱、东芝和西开电气产品。2001年西开ZHW-550型产品在福建水口电厂投运。

3.GIS在我国发展势头强劲

GIS是气体绝缘金属封闭开关设备的英文简称。 GIS在我国发展势头强劲。产量大幅增加。据统计2005年550kVGIS的产量为107间隔,而上年仅为8间隔,因此增长13.38倍。252kVGIS的产量为2899间隔,上年仅为2280间隔,同比增长27.1596。GIS生产厂家猛增,国企、合企、民企一起上。据笔者不完全统计,现生产和研制GIS厂家约有20多家,计有:西安西开高压电气股份有限公司、平高集团、上海华通开关厂有限公司、新东北电气(沈阳)高压开关有限公司、北京北开电气股份有限公司、西安高压电器研究所电器制造厂,泰开集团有限公司、正泰电气股份有限公司、上海西安高压

电器研究所有限公司,如泉高压电器有限公司、平高一一东芝高压开关有限公司、上海西门子高压开关有限公司、Areva集团公司、益和电气集团股份有限公司、上海平开华明高压开关有限公司、北京华东电气股份有限公司、山东鲁能恩翼帕瓦电机有限公司、维奥输配电(广州)有限公司、江苏现代南自电气有限公司、泰山恒信开关集团、湖北永鼎开关有限公司、天水长城开关厂等。

在这20多个生产厂家中,首先都生产」6kVGIS,也有的生产到252kVGIS。在生产553kVGIS厂家中,外企(合企)主要有ABBSienms、Arewa、东芝、AE Power等企业。国企主要有西开高三电气和新沈高。在2006年中国名牌产品中,西开夏压电气和新沈高的72.5kV及以上气体绝缘金属玄旬开关设备(GIS)被评为'中国名牌产品'。目前言主占国内市场相当大份额,如占550kV断路器和GIS市场的80％,占252kVGIS市场的50％,占126kV GIS市场的30％。但随着国企实力的增强和民企的崛起,这种局面会得到扭转。 我国已启动1100kV特高压交流输电工程。目前国内三大企业(西开高压电气、平高集团和新沈高)正在积极研制1100kVGIS和H-GIS。

4.中国名牌产品

2006年9月1日,中国名牌战略推进委员会以'2006年第6号文件'发布公告,并于2006年9月6日在人民大会堂向获得'2006年中国名牌产品'芝企业颁奖。在获此殊荣的556个产品中,高压开关行业在'72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关交备'(GIS)项目上,有两家企业的产品被评为'中国名牌产品'。他们是:西安西开高压电气有限公司简称西开电气)的'XD'牌GIS和新东北电气(沈阳)高压开关有限公司(简称新沈高)的'NH-VS'牌GIS。

作为全国高压开关行业的大型企业,西开电气司新沈高GIS都达到550kV水平。作为典型产品,这里介绍这两家的550kVGIS。

ZF15-550(L)/4000-63型GIS是新沈高根莞三峡工程对550kVGIS的需要,从ABB引进先进的GIS制造技术,经消化吸收而研制成功的具有国际先进水平的产品。主要参数为550kV/4000A/63kA。SF6气体年漏气率小于0.5％。其主要特点亏:(1)灭弧能力强,开断电流大。断路器采用小型化单压式灭弧室和特殊喷口结构;(2)喷口耐弧能力强。喷口采用专有技术制成,可连续开断额定短路电流20次无需检修;(3)绝缘水平高。通过优化电场和元件的结构尺寸及采用合理的屏蔽技术; 4)铝外壳无涡流损耗;(5)绝缘拉杆强度高,通过10000次机械寿命试验仍完好无损;(6)流通能力强。断路器采用螺旋弹簧滑动触指和自立型触头,导电性好,热稳定性好;(7)采用ABB公司HMB-3型弹簧储能液压操动机构;(8)积木式设计,通用性强;(9)可靠的密封结构。GIS法兰连接采用单道多重静密封,断路器和隔离开关的动密封采用双密封系统。

ZF8-550型550kVGIS是西开电气消化吸收日本三菱电机株式会社550KVGIS技术而生产的产品。主要技术参数为550kV/4000A/63kA。产品主要特点为:(1)开断能力强,最大开断能力为67-70KA。灭弧室利用电弧电能增压,利用端流增强喷嘴气吹能力。弧触头采用整体烧结的铜鸽触头;(2)断路器操动机构为气动分闸、弹簧合闸机构;(3)GIS中盆式绝缘子、绝缘筒、绝缘拉杆、绝缘台等环氧树脂绝缘件具有高度绝缘可靠性;(4)GIS产品设计成若干运输包装单元,便于现场安装,又可减少现场工作量;(5)GIS的SF6气体系统采用分散监控方式,取消了SF6阀门和SF6管路系统。采用新型自封接头和SF6密度计。

5.126kVGIS产品的改进

126kV GIS量大面广,在我国运行已一二十年,积累了丰富的运行经验。制造厂商根据生产和运行经验对126KVGIS不断改进。这些改进主要体现在参数的提高或结构的更新,使之更加小型化,性能更加优异。如平高集团现已将ZF12-126(L)型GIS,提升为ZF12-145(L)型GIS。

其参数从126kV/2000A/31.5kA提升到145kV/3150A/40KA。上海华通开关厂有限公司对80年代生产的ZF3-126型GIS进行了优化设计,开发出ZF3-126/T2000-40型GIS,如将液压操动机构改为弹簧操动机构,采用自能灭弧原理,将额定电流从1250A提升到2000(2500)A。将总体积从28m3缩减至15m3等。又如西安高压电器研究所在原126kVGIS基础上又开发出小型化GIS及智能化GIS。西开高压电气将原ZF7型GIS进行改型,开发出ZF7A-72.5、126、145型新式GIS。该产品为三相共相式结构,配用全弹簧操动机构,采用先进的气吹压力与开断电流自适用的灭弧原理,SF6系统采用分散监控方式,取消了阀门和管路系统等。新沈高对从1992年起运行的126kVGIS进行改进,开发出新型ZF6-72.5/126/145/T、Y型GIS。北京北开电气的ZF4-126型GIS从1984年至今已有2000多间隔在329个变电站运行。目前生产的小型化ZF4A-126型GIS配用了第三代自能式SF6断路器及弹簧操动机构,使之性能优异,性价比更好。

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