660MW电气培训教材252kV GIS.docx

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660MW电气培训教材252kVGIS

220kVGIS设备概述

SF6概述

SF6气体在常温下无色无味无毒，对空气的比重是5.19，气化温度为－62.8℃，导热系数约为空气的两倍。

在温度低于800℃时，SF6气体为惰性气体，不溶于水或变压器油,所以规定进入封闭空间内的SF6开关设备需要强制通风，测定室内空气氧量和SF6泄露含量合格后，工作人员方可进入室内。

在电弧的作用下，SF6气体会分解为低氟化合物，电弧过零熄灭后可以重新恢复成为SF6，残存量不大。

纯净的SF6气体是良好的灭弧介质，若用于频繁操作的低压电器中，由于频繁操作的电弧作用，金属蒸汽与SF6气体分解物起反应，结合而生成绝缘性很好的细粉末（氢氟酸盐、硫基酸盐等），沉积在触头表面，并严重腐蚀触头材料，从而接触电阻急剧增加，使充有SF6气体的密封触头不能可靠地工作。

因此对于频繁操作的低压电器不适宜用SF6作灭弧介质。

因为SF6气体在放电时的高温下会分解出有腐蚀性的气体，对铝合金有严重的腐蚀作用，对酚醛树脂层压材料、瓷绝缘也有损害。

若把SF6和N2混合使用，当SF6含量超过20%～30%时，其绝缘强度已和全充SF6时绝缘强度相同，而腐蚀性又大大减少，因此SF6常混合N2使用，在SF6断路器中，SF6气体的含水量必须严格规定不能超过标准。

水会与电弧分解物中的SF4产生氢氟酸（H2O+SF4→SOF2+2HF）而腐蚀材料。

当水分含量达到饱和时，还会在绝缘件表面凝露，使绝缘强度显著降低，甚至引起沿面放电。

运行经验及上述论析都表明：

SF6断路器由于绝缘结构体积较小，若SF6气体的含水量较高，则将使绝缘水平大大下降，接触电阻急剧增加，在运行中易发生损坏或爆炸事故。

因此，各制造厂及运行部门都要求有严格的密封工艺，同时规定SF6气体的含水量不得超过标准。

中国的标准是SF6气体的含水量应小于300ppm（容积比）。

SF6是一种负电性气体，具有很强的吸附自由电子的能力。

当温度升高到热分解临界温度时，SF6分解为硫原子和具有很强的吸附作用电子能力的氟原子。

负电性对电流过零后的去游离极为有利。

SF6断路器还利用十几个压力的SF6气体，在喷口中形成高速气流来熄灭电弧。

在电流过零后，气吹作用更加强烈，弧隙温度将迅速降到热游离温度以下，弧隙中的残余物被清除，并由新鲜的SF6气体所取代，使电弧熄灭，不再重燃。

GIS断路器采用在电弧自然过零时，利用SF6气体吹熄电弧。

当电子和SF6分子接触时几乎100%的混合而组成重的负离子，这种性能对剩余弧柱的消电离及灭弧有极大的的使用价值，即SF6具有很好的负电性，它的分子能迅速捕捉自由电子而形成负离子。

这些负离子的导电作用十分迟缓，从而加速了电弧间隙介质强度的恢复率，因此有很好的灭弧性能。

在1.01×105Pa气压下，SF6的灭弧性能是空气的100倍，并且灭弧后不变质，可重复使用。

在高压配电网络中，SF6气体因为出色的电气绝缘性能，被广泛运用于开关电器设备中作为绝缘介质和灭弧介质。

SF6断路器工作机理

断路器是用来自动切断故障电力电路的一种保护电气设备，当电路中发生短路等故障时，可以自动快速地切断电路，或在正常条件下进行分、合电路。

SF6断路器以SF6气体为灭弧介质。

在正常情况下，SF6是一种不燃、无臭、无毒的惰性气体，密度约有空气的5倍。

但SF6气体在电弧作用下，小部分会被分解，生成一些有毒的低氟化物，如SOF2、SF4、SOF4和SO2F2等，对体健康有影响，对金属部件也有腐蚀和劣化作用。

因此，在SF6断路器中，一般均装有吸附装置，吸附剂为活性氧化铝、活性碳和分子筛等。

吸附装置可完全吸附SF4气体在电弧的高温下分解生成的毒质。

交流电流在每一周波内有两次自然过零，在电流自然过零时电源对弧隙停止输入能量，电弧自然暂时熄灭，这是熄灭电弧切断线路的最好时机。

在电流过零后，弧隙中存在电的作用和热的作用。

如热量输入不明显，则一方面弧隙的介质强度不断增长，而另一方面触头两端的外加电压也在不断地增加，如果介质强度增加地速度超过触头间外加电压的增长速度，电弧就在过零后不再重燃，永远熄灭；反之，则电弧重燃。

电流过零后，弧隙仍处于高温状态，因此弧隙的介质强度不高，在弧隙中还会有游离气体，也会对灭弧不利。

高压配电装置的型式有三种：

第一种是空气绝缘的常规配电装置，简称AIS。

其母线裸露直接与空气接触，断路器可用瓷柱式或罐式。

第二种是混合式配电装置，简称H－GIS。

母线采用开敞式，其它均为六氟化硫气体绝缘开关装置。

第三种是六氟化硫气体绝缘全封闭配电装置，其英文全称GAS—INSTULATEDSWITCHGEAR。

GIS（GASINSULATEDSWITCHGEAR）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。

GIS国外生产厂家主要有ABB、东芝、三菱、日立、西门子、阿尔斯通等，国内生产厂家有西开、沈高、平高等。

GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。

GIS设备自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。

GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。

与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。

GIS是运行可靠性高、维护工作量少、检修周期长的高压电气设备，其故障率只有常规设备的20%～40%，但GIS也有其固有的缺点，由于SF6气体的泄漏、外部水分的渗入、导电杂质的存在、绝缘子老化等因素影响，都可能导致GIS内部闪络故障。

GIS的全密封结构使故障的定位及检修比较困难，检修工作繁杂，事故后平均停电检修时间比常规设备长，其停电范围大，常涉及非故障元件。

GIS设备的内部闪络故障通常发生在安装或大修后投入运行的一年内，根据统计资料，第一年设备运行的故障率为0．53次/间隔，第二年则下降到0.06次/间隔，以后趋于平稳。

根据运行经验，隔离开关和盆型绝缘子的故障率最高，分别为30%及26.6%；母线故障率为15%；电压互感器故障率为11.66%；断路器故障率为10%；其他元件故障率为6.74%。

因此在运行的第一年里，运行人员要加强日常的巡视检查工作，特别是对隔离开关的巡视，在巡查中主要留意SF6气体压力的变化，是否有异常的声音（音质特性的变化、持续时间的差异）、发热和异常气味、生锈等现象。

如果GIS有异常情况，必须及时对有怀疑的设备进行检测。

GIS基本参数

额定电压及额定电流

额定电压是指断路器长期工作的标准电压（指线电压）。

由于电力系统在运行中允许有5％的电压波动，为此还对断路器规定了最高工作电压。

额定工作电压（kV）:

220最高工作电压（kV）:

252

额定电流是指在额定频率下长期通过断路器且使断路器无损伤、各部分发热不超过长期工作的最高的允许发热温度的电流。

额定电流（A）:

3150

额定开断电流

断路器在开断操作时，首先起弧的某相电流称为开断电流。

在额定电压下，能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流，它是标志断路器开断能力的重要参数。

对称开断分量：

50kA直流分量：

%

额定关合电流

在电力系统中存在短路故障时，断路器一合闸就会有短路电流流过，这种故障叫“预伏故障”。

当断路器关合有预伏故障的设备或线路时，在动、静触头未接触前尚距几毫米就发生预击穿，随之出现短路电流，给断路器的关合造成阻力，影响动触头合闸速度及触头的接触压力，这比合闸状态下通过极限电流的情况更为严重。

衡量断路器关合短路故障能力的参数为额定关合电流。

额定关合电流（峰值）：

125kA

耐受性能

断路器在开断短路故障时，短路电流将流过动、静触头，因此，要求断路器不致因发热和电动力的冲击而毁坏，即断路器要有足够的耐受短路电流作用的能力，称为耐受能力。

1）额定短时耐受电流：

在规定的时间内断路器在合闸位置，可能经受的短时热电流有效值（KA）。

额定短时耐受电流：

50kA额定短路时间：

3s

2）额定峰值耐受电流：

在规定的使用条件和性能下，断路器在合闸位置时所能经受的电流峰值。

额定峰值耐受电流：

125kA

操作性能

1）固有分闸时间：

是指断路器接到分闸指令瞬间到所有各相的触头都分离的时间。

固有分闸时间：

30ms

2）燃弧时间：

是指某一相首先起弧瞬间到所有相电弧全部熄灭的时间间隔。

燃弧时间：

20ms

3）全开断时间：

是指断路器接到分闸命令瞬间起到电弧熄灭的时间。

即固有分闸时间和燃弧

时间之和。

（发变组出口GIS液压弹簧21±4/线路GIS弹簧25±5）

全开断时间：

50ms

断路器的寿命

1）机械寿命（连续操作不调整）：

≥5000次。

2）电气寿命：

开断100％额定开断短路电流大于次

开断50％额定开断短路电流大于次

开断100％额定持续电流大于次

开断50％额定持续电流大于次

失步开断能力

在断路器两侧的电源因故障而失步时，断路器应能可靠地完成开断任务。

在开断失步电流时，电流要比额定开断电流小，但恢复电压会比开断短路故障时高。

因此，在失步状态下，断路器能开断12.5KA的额定开断电流，断口的工频恢复电压为额定相电压的1.5倍。

开断空载变压器能力

能投切不大于15A的空载变压器激磁电流，操作时的过电压不超过2.5倍额定相电流。

GIS断路器结构特点

1）GIS的每相都安装在各自独立的分相防护罩内，防护罩是自支持、严密的焊接铝框架型式，能耐受通过GIS的持续额定电流和额定短路电流。

2）GIS排气孔设置在排气操作时不会导致电气故障的地方，也不冲着有人出没和任何附属设备布置的地方，以避免人身和设备损伤。

3）GIS便于维护，每相GIS都提供提升吊钩或吊环。

4）带有可移开式盖板的人孔布置在防护罩上弧光控制装置的位置，以便于维护所有的部件。

接点位置监视窗口也这样布置，不会危害人身安全。

5）每相GIS防护罩的两侧都采用专门挠性连接件跟离相封闭母线相连。

6）在GIS两侧都有电容器，其主要功能是限制切断短路电流时所导致恢复电压升高，以保证GIS的短路切断容量。

电容器的对地绝缘水平和GIS是相同的。

电容器安装在GIS的防护外罩内。

灭弧室

GIS采用三相合一SF6气体系统。

每相都提供吸收剂，吸收潮气和SF6气体在电弧作用下所产生的有害成分。

SF6气体系统有排气阀、充气阀、采样阀和可调节的压力指示器，并带有辅助触点，用于GIS的报警、联锁和控制。

SF6气体系统都提供一个压力释放膜、两组气体操作设备、一组气体浓度监视继电器（温度补偿型），继电器带有两对电气上各自独立的可调辅助接点。

SF6气体每年的泄漏率不超过1%。

任何新制SF6气体在200℃时的含水量不超过150ppm，含油量不超过10ppm。

操作机构

发变组出口GIS操作机构采用液压弹簧机构，可远方和就地操作，且三相联动。

液压系统的油泵采用220V直流供电。

线路GIS操作机构采用弹簧机构，可远方和就地操作，分相联动实现综合重合闸要求。

每个GIS配备两个单独的跳闸线圈和必要的压力开关，用于主保护和后备保护。

跳闸线圈各由独立的电源供电，控制电源采用110VDC，取自厂用110V直流系统。

操作机构具有防跳功能。

在充气和放气条件下压力过低时，操作机构能避免GIS的慢合和慢分操作。

操作机构的机械耐受性命允许GIS关合5000次而不需要任何维修和更换部件。

有与可移动接点系统联结在一起的机械开/合位置指示器（指示接点的实际位置）。

液压操作机构具有下列功能：

1）液压报警装置在压力达到最低和最高界限时发出报警信号，当压力达到最低值时闭锁操作机构。

2）额定液压下的容量满足CO-180s-CO循环周期操作和CO速度的要求。

3）具有各种操作压力阀，如释放操作压力阀、泵停压力阀、泵起压力阀、低压关闭锁压力阀和低压开闭锁压力阀。

4）每套操作结构提供压力释放阀和滤网。

5）每套操作机构提供1套独立的液压系统，每台液压泵的电动机有带热保护元件的全压起动器。

控制柜

该控制柜是防尘、防潮、防水和防外物侵入的。

防护等级为IP54。

辅助继电器和其它GIS的操作装置安装在GIS的控制柜内。

由于GIS有两组独立的跳闸线圈，每个GIS控制柜有两个独立的操作回路，从保护装置获得跳闸命令，从电厂控制室获得其它控制指令。

每个控制回路有小开关或两个熔断器保护，这样的小开关或熔断器提供3对独立的干接点，作用于报警继电器。

GIS、隔离开关和接地开关允许通过就地控制柜内安装的控制装置来就地操作。

隔离开关能防止带负荷操作，这意味着控制柜内的联锁回路能用来防止隔离开关带负荷操作。

只有当“远方操作/就地操作”切换开关切换到“就地操作”点位置时，才允许通过就地控制柜进行GIS合闸操作。

控制柜具有相似的接线图，简单而清楚地表示出GIS的接线和每个主要部件的的特征。

GIS的电气防跳功能也并入控制柜中。

GIS操作机构有用于保持其压力到正常水平的压缩系统的控制器，包括继电器、计时器、压力开关和其它装置。

该控制器安装在各自的控制柜内，并提供操作机构故障时需要的合适报警接点。

辅助设备

隔离开关

隔离开关主要用于在有电压、无负荷电流的情况下，分、合电路。

隔离开关与断路器配合使用，有机械的或电气的连锁，以保证动作的次序：

在断路器开断电流之后，隔离开关才分闸；在隔离开关合闸之后，断路器再合闸。

隔离开关上装有接地刀闸时，主刀闸与接地刀闸间有机械的或电气的连锁，以保证动作次序：

再主刀闸没有分开时，接地刀闸不能合闸；在接地刀闸没有分闸时，主刀闸不能合闸。

1．隔离开关的结构

1）隔离开关的每相都安装在各自独立的分相防护罩内，防护罩是自支持、严密的焊接铝框架型式，能耐受通过隔离开关的持续额定电流和额定短路电流。

2）提供机械联锁装置以防止隔离开关的误操作。

3）每相隔离开关防护罩的两侧都采用专门挠性连接件跟离相封闭母线相连。

4）提供机械合/分位置指示器（指示主接点的实际位置），和移动式接点系统相连接。

5）每个隔离开关提供15对常开、常闭辅助触点以用于电气联锁和远方位置指示。

所有必要的控制装置和联锁回路都放在GIS的就地控制柜内。

隔离开关有铜的接地端子。

2．隔离开关的操作机构

采用电动机操作，操作机构的额定操作电压：

动力AC380V控制DC110V。

隔离开关既可远方操作又可就地操作，操作回路自动联锁。

就地有关合位置指示器，并将开合位置信号送至远动位置。

接地开关

接地开关采用户外、三相连接型式，布置在GIS的两侧。

接地开关与GIS、隔离开关布置在同一防护罩内部，在就地有接点位置监视窗口和机械位置指示器。

接地开关允许远方和就地电动机操作，操作机构能将接地开关锁定在全开或全关位置。

额定操作电压：

动力电源AC380V，控制电源DC110V。

每个接地开关有10对辅助触点以指示电气联锁和远方位置。

所有控制装置和联锁回路都布置在GIS的就地控制柜内。

接地开关配有铜的接地端子。

表1-1252kVGIS额定参数和技术性能

序号

名称

单位

买方要求值

卖方保证值

一

GIS共用参数

1

额定电压

kV

252

252

2

额定电流

出线

A

3150

3150

进线

3150

3150

主母线

3150

3150

3

额定工频1min耐受电压（相对地）

kV

460

460

4

额定雷电冲击耐受电压峰值（1.2/50s）（相对地）

kV

1050

1050

5

额定短路开断电流

kA

50

50

6

额定短路关合电流

kA

125

125

7

额定短时耐受电流及持续时间

kA/s

50/3

50/3

8

额定峰值耐受电流

kA

125

125

9

辅助和控制回路短时工频耐受电压

kV

2

2

10

无线电干扰电压

μV

≤500

≤500

11

开关操作时，噪声水平

dB

≤国家标准规定值

≤90

12

SF6气体压力（20℃表压）

断路器室

MPa

卖方提供

0.6

其他隔室

卖方提供

0.4

13

每个隔室SF6气体漏气率

%/年

≤0.5

≤0.3

14

SF6气体湿度

有电弧分解物隔室

交接验收值

μL/L

≤150

≤150

长期运行允许值

≤300

≤300

无电弧分解物隔室

交接验收值

≤250

≤250

长期运行允许值

≤500

≤500

15

局部放电

试验电压

kV

1.1×252/

1.1×252/

每个隔室

pC

≤5

≤5

每单个绝缘件

≤3

≤3

套管

≤5

≤5

电流互感器

≤5

≤5

电压互感器

≤10

≤10

避雷器

≤10

≤10

16

供电电源

控制回路

V

DC110/220V

DC110/220V

辅助回路

V

AC380/220V

AC380/220V

17

使用寿命

年

≥40

≥40

18

检修周期

年

≥20

≥20

19

设备重量

SF6气体重量

kg

卖方提供

足量

总重量

kg

卖方提供

按实际配置

最大运输重量

kg

卖方提供

13000

动荷载向下

kg

卖方提供

4000

动荷载向上

kg

卖方提供

3000

20

设备尺寸

设备的整体尺寸

m

卖方提供

按实际配置

设备的最大运输尺寸

m

卖方提供

7.5×2.1×3.4

间隔尺寸

m

3

2.1

21

结构布置

断路器

三相分箱

三相分箱

母线

主母线三相共箱；分支母线三相分箱

主母线三相共箱；分支母线三相分箱

二

断路器参数

1

型号

卖方提供

ZF16-252

2

布置型式

立式

立式

3

断口数

1

1

4

额定电流

出线

A

3150

3150

进线

3150

3150

5

主回路电阻

μΩ

卖方提供

60

6

温升试验电流

A

1.1Ir

1.1Ir

7

额定工频1min耐受电压

断口

kV

460＋145

460＋145

对地

460

460

额定雷电冲击耐受电压峰值（1.2/50s）

断口

kV

1050＋200

1050＋200

对地

1050

1050

8

额定短路开断电流

交流分量有效值

kA

50

50

时间常数

ms

45

45

开断次数

次

28

20

首相开断系数

1.3

1.5

9

额定短路关合电流

kA

125

125

10

额定短时耐受电流及持续时间

kA/s

50/3

50/3

11

额定峰值耐受电流

kA

125

125

12

开断时间

ms

≤50

≤50

13

合分时间

ms

≤60

≤60

14

分闸时间

ms

≤30

液压弹簧21±4

弹簧25±5

15

合闸时间

ms

≤100

≤100

16

重合闸无电流间隙时间

ms

300

300

17

分、合闸平均速度

分闸速度

m/s

卖方提供

9±1

合闸速度

卖方提供

3.5±0.5

18

分闸不同期性

ms

3

3

19

合闸不同期性

ms

5

5

20

机械稳定性

次

≥5000

≥6000

21

额定操作顺序

O–0.3s–CO–180s–CO

O-0.3s-CO-180s-CO

22

现场开合空载变压器能力

空载励磁电流

A

0.5～15

0.5～15

试验电压

kV

252

252

操作顺序

10×O和10×（CO）

10×O和10×（CO）

23

现场开合空载线路充电电流试验

试验电流

A

由实际线路长度决定

由实际线路长度决定

试验电压

kV

252

252

试验条件

线路原则上不得带有泄压设备，如电抗器、避雷器、电磁式电压互感器等

线路原则上不得带有泄压设备，如电抗器、避雷器、电磁式电压互感器等

操作顺序

10×（O–0.3s–CO）

10×（O-0.3s-CO）

24

容性电流开合试验（试验室）

试验电流

A

电缆：

250

电缆：

250

试验电压

kV

1.2×252/

1.2×252/

操作顺序

C1级

LC1和CC1：

24×O，LC2和CC2：

24×CO

LC1和CC1：

24×O，LC2和CC2：

24×CO

C2级

LC1和CC1：

48×O，LC2和CC2：

24×O和24×CO

LC1和CC1：

48×O，LC2和CC2：

24×O和24×CO

25

近区故障条件下的开合能力

L90

kA

45

45

L75

kA

37.5

37.5

L60

kA

30（L75的最小燃弧时间长于L90的最小燃弧时间5ms时）

30（L75的最小燃弧时间长于L90的最小燃弧时间5ms时）

操作顺序

O–0.3s–CO–180s–CO

O-0.3s-CO-180s-CO

26

失步关合和开断能力

开断电流

kA

12.5

12.5

试验电压

kV

2.0×252/

2.0×252/

操作顺序

方式1：

O-O-O

方式2：

CO-O-O

方式1：

O-O-O

方式2：

CO-O-O

27

SF6气体压力（表压，20℃）

最高

MPa

卖方提供

0.62

额定

卖方提供

0.6

最低

卖方提供

0.5

28

报警压力（表压，20℃）

MPa

卖方提供

0.53

29

闭锁压力（表压，20℃）

MPa

卖方提供

0.5

30

操动机构型式或型号

弹簧液压、弹簧

弹簧液压、弹簧

操作方式

出线间隔采用弹簧分相操作，其余采用ABB碟簧液压三相联动（母联，分段，主变、起备变进线）

出线间隔采用弹簧分相操作，其余采用ABB碟簧液压三相联动（母联，分段，主变、起备变进线）

电动机电压

V

AC380/220

AC380/220

合闸操作电源

额定操作电压

V

DC110、220V

DC110、220V

操作电压允许范围

85%～110%，低于30%不得动作

85%～110%，低于30%不得动作

每相线圈数量

只

1

1

每只线圈涌流

A

卖方提供

3.8

每只线圈稳态电流

A

DC110V、2.5A

DC220V、2.5A

DC110V、2.5A

DC220V、2.5A

分闸操作电源

额定操作电压

V

DC110/220V

DC110/220V

操作电压允许范围

65%～110%，低于30%不得动作

65%～110%，低于30%不得动作

每相线圈数量

只

2

2

每只线圈涌流

A

卖方提供

4.4

每只线圈稳态电流

A

DC110V、2.5A

DC220V、2.5A

DC110V、2.5A

DC220V、2.5A

操动机构工作压力

最高

MPa

卖方提供

45.1

额定

卖方提供

44.9

最低

卖方提供

44.1/40.8/38.1

报警压力