GISELA型气体绝缘开关设备性能研究

许继德理施尔电气有限公司 马仪成 徐慧强 阎 伟 宋晓生

GISELA型气体绝缘开关设备性能研究

许继德理施尔电气有限公司 马仪成 徐慧强 阎 伟 宋晓生

SF6气体因其优异的电气性能在高压GIS开关中得到了广泛应用，目前，中压领域的很多知名厂家也将SF6气体应用到他们的产品中，包括ABB、施奈德、西门子、欧马嘉宝、德国德理施尔等国际知名厂家，均在大力发展中压C-GIS环网开关设备。其中，德国德理施尔公司生产的GISEA型气体绝缘开关设备以其运行安全可靠、体积小、重量轻、占地面积小、环保节约等诸多优点，在国内外电力市场和铁路市场上得到了广泛应用。本文，笔者对德国德理施尔公司生产的GISELA型气体绝缘开关设备的性能进行了介绍，同时针对其特点对其技术优势及核心部件（内部故障电弧限制装置）进行了分析，并与国际同类知名产品进行了比较。

一、基本结构性能

GISELA型气体绝缘开关设备采用了充气隔室，使开关设备的主回路布置可以避开环境因素的影响，避免了所需绝缘距离过大的致命缺点，实现了体积小、可靠性高、适应环境多样性和变化的发展目标，实现了真正意义上的免维护。

该产品将所有带电部件及开关均封闭在充有SF6气体的不锈钢壳体内，开关柜金属外壳接地，起到了最大程度的防护作用。壳体采用壁厚不小于3 mm的优质不锈钢由机器人焊接而成，具有足够的机械强度和刚度，能够起到支承和防护作用，保证了装置的稳固性。当设备内产生故障时，不会出现变形、折断等外部效应，可以满足短时间的水下运行需求。

但是，C-GIS中压环网开关设备在运行过程中，如若发生内部故障电弧，在封闭小室的能量平衡中，大电弧电流及其周围之间有几种不同的能量转移：电弧功率的一部分导致弧根加热、弧根材料的熔化和蒸发；另一部分作为电弧的辐射功率散至外界，使气体加热，导致压力上升。如设备内压力过高，打开压力释放装置可避免壳体的破坏，但是灼热气体通过压力释放口进入配电室后，会使室内压力上升，墙壁也会受到相应应力。内部电弧故障产生的影响和破坏程度与壳体大小、电弧电压（电弧长度）、电弧持续时间以及短路电流大小有关。

针对上述情况，GISELA型气体绝缘开关设备安装了内部故障电弧限制装置。一般来说，开关设备中内部电弧故障经历压缩、膨胀、发射和热效应等4个阶段。该限制装置通过安装在电缆室内的自动快速接地开关来完成。在内部故障电弧膨胀阶段，也就是在故障电弧产生的瞬间，接地开关可迅速熄弧，避免了高温气体从SF6气体绝缘部分散逸，提供了良好的人身及设备保护。故障排除后，只需对开关设备进行检查即可继续投入运行。

二、结构特点及同类产品性能比较

1.结构紧凑精巧。由于GISELA型气体绝缘开关设备使用性能优异的SF6气体绝缘，缩小了柜体尺寸，负荷开关单元宽度仅有315 mm，负荷开关与熔丝组合单元宽370 mm，断路器单元宽370 mm。与同电压等级的空气绝缘开关设备相比，其安装面积和体积大幅缩减。各类型开关设备具体尺寸和重量见表1。

表1 GIS ELA型气体绝缘开关设备尺寸重量

2.更加环保和节约。在采用精巧设计后，C-GIS环网柜在减小体积的同时，也大大节省了材料的使用。GISELA型气体绝缘开关设备最小的单元仅重90 kg，同时SF6用量也很低。由于采用了充气隔室的设计理念，气室容积仅为0.13 m3，而且气箱压力很低，仅为0.017 MPa，在环境温度为20℃时，SF6气体密度为4 kg/m3，所需要的SF6气体重量仅为0.52 kg。

3.与国际同类产品的性能比较。与国际同类产品相比，GISELA型气体绝缘开关设备也有诸多优势，见表2。

表2 中压C-GIS气体绝缘环网柜主要性能对比

本文，笔者以京沪高铁常用柜型组合要求为例，将西门子的8DJ20型和德国德理施尔公司的GISELA型产品进行对比。对比分析如下。

（1）由图1和图2的接线方案中可以看到，GISELA型气体绝缘开关设备可以直接从母线引出，而8DJ20型开关设备不能直接从母线引出PT。为满足方案要求，8DJ20型只有从两路进线同时引出PT，这样存在的隐患有：一是开关套管电缆接头连接过长，形成悬臂梁结构，易造成电缆连接不牢，引起过热烧毁；二是标准电缆室内只能满足主回路进线、避雷器2节连接，要接入PT，必须重新改造、加厚电缆室门，这样将降低接地开关与电缆室联锁可靠性，且易导致整体外观凹凸不平。

图 1 采用德国德理施尔G I S ELA气体开关设备接线方案

图 2 采用西门子8 D J 2 0高压环网柜接线方案

（2）GISELA型气体绝缘开关设备采用双重气室，灭弧与绝缘相分离；8DJ20型采用单一气室。与单一气室相比，双重气室的优点有：一是降低了气箱的充气压力，减少了SF6气体的用量，箱体充气后无变形；二是隔离了电弧分解物对气箱内SF6气体的污染，确保了产品在寿命终结时SF6气体能够回收。

（3）GISELA型气体绝缘开关设备整体体积比8DJ20型减小1/3，有效地缩小了整个箱体的体积。

三、应用展望

随着我国电力负荷需求的逐年增加，保证输电系统的安全可靠就显得尤为重要。在输电线路的终端用户端，对于一次开关设备的快速投切能力也提出了更高的要求。一次设备作为电网的基本单元，其智能化程度关系到智能电网的整体水平。为了避免长时间大范围停电，一次开关设备的远程控制能力起到了重要作用。GISELA型气体绝缘开关设备可以预留遥控、遥测、遥信等功能接口，安装电动操作机构和开关辅助触点，实现遥控功能；可以在电缆室内安装电流互感器，实现对馈线潮流的远方测量；可以通过控制器设置电流限制，检测到故障电流后上传报警信号和低气压报警信号，通过开关辅助触点上传开关的位置信号等遥信功能；可以适应配网自动化未来的发展，方便升级改造。

由于GISELA型气体绝缘开关设备采用全绝缘、全密封式结构，其带电部件以及开关均封闭在不锈钢的壳体内，耐受短时间水下浸泡，能够安全可靠地运行，故已广泛应用于城市配网、铁路建设、小区供电及各种大中型配网工程中。例如，在奥运场馆、世博场馆、北京城网等重大工程项目中，均有这种GIS系列的开关柜在运行；在京津城际高铁、京沪客运专线、武广高铁、郑西客运专线、哈大线、甬台温客运专线，也已经得到了广泛应用。