气体绝缘金属封闭开关设备的研发与优化设计

苏文瑞 孙明福

摘 要：气体绝缘金属封闭开关设备作为特高压电网中最重要的控制和保护设备，其安全运行对整个电网的稳定性具有重要影响。本文基于对气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的主要特点和类型的介绍，重点分析介绍了气体绝缘金属封闭开关设备的研发与优化技术。

关键词：气体绝缘金属封闭开关设备；特点；优化设计

中图分类号：TM59 文献标识码：A

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，简称GIS）是由若干相互直接联结在一起的元件组成，通过将断路器、接地开关、母线、隔离开关、互感器等主要元件一起装入密封的金属容器内，同时充以SF6气体作为绝缘或灭弧介质而构成。随着我国电网建设的飞速发展，对封闭开关设备提出了更高的要求。通过不断研发与优化气体绝缘金属封闭开关设备，制造出更加紧凑、小型化的GIS 产品具有重大的意义。

1 气体绝缘金属封闭开关设备的特点及分类

1.1 GIS的特点。（1）运行安全可靠。气体绝缘金属封闭开关设备主回路中的所有组成元件，除出线套管外，均装入在封闭的金属外壳内，故而不受外界环境影响，具有很强的耐环境能力。此外壳内充以SF6气体作为内部绝缘介质，同时也可充当断路器的灭弧介质，因而运行起来安全可靠，维护方便。（2）可靠的导电性能和绝缘性能。由于GIS的断路器具有较高的导电性能，同时导电回路采用自力型触指，依靠材料自身的弹力性能来调试导电元件的压紧力，避免了触指松散危险。同时GIS中采用了盆式绝缘子、绝缘拉杆、绝缘筒等合格的环氧树脂绝缘器件，具有良好的绝缘性能。（3）易于安装，配置灵活。气体绝缘金属封闭开关设备均在厂内按现场状况进行装配及出厂试验。试验合格后再组装成运输单元，GIS体积小，占地面积少，便于运输及现场安装，提高了设备安装的效率。

1.2 GIS的分类。GIS按结构分为分相式、主母线三相共箱、混合式或复合式三种：（1）分相式。主回路各元件分别装在独立的金属外壳内，依靠环氧树脂浇注的绝缘子支撑，内充SF6气体。优点制造简便，不会发生相间故障；但体积较大，密封面多。（2）主母线三相共箱。仅三相主母线共用一个外壳，利用环氧树脂浇注的绝缘子将三相母线均匀支撑隔离在外壳内。优点缩小GIS的占地面积，结构相对简单。（3）混合式或复合式。通过在同一外壳内装入元件功能复合化的复合元件，缩小了设备的尺寸，简化了设备的结构。

2 气体绝缘金属封闭开关设备的研发与优化设计

2.1 提高断路器开断能力。为提高断路器的开断能力，应重点考虑触头的分闸速度、喷口形状以及开断电流条件等对气吹压力的影响。首先对灭弧室结构进行优化。对两断口50kA断路器，应重点对喷口形状和尺寸进行改动，提高开断性能，分闸速度；但对四断口50kA断路器，则重点加强其导电回路性能研究。其次为满足5000次机械寿命试验要求，需对断路器整体及灭弧室部分进行模拟动态分析，改进采用格来圈，提高断路器的模块化设计，以及分/合闸速度的调控。最后对进喷口形状进行优化。为了提高对电弧的冷却能力，促进热气体从断口间有效排出，需利用计算机进行分析，计算分析出合理的喷口喉部尺寸。此外，由于灭弧室进行容性开断和负载开断时，其断口间绝缘恢复特性会随开距增大发生变化，这与弧触头附近的电场强度和SF6气体密度有关。为以降低弧触头表面的电场强度，应通过改变触头形状，提高灭弧室的分闸速度。

2.2 加强超高频局部放电实时监视系统的优化。GIS 设备状态监测技术通过对GIS 状态检测，提高设备的可靠性、减少停电时间等都具有重要的意义。其中超高频局部放电实时监视系统，是将超高频传感器设计技术、超高频信号处理技术、超多种频率、多频道检测及分析技术、程序运行和分析等相结合的综合电力技术。局部放电在线监测系统采用信号识别的办法来确认局部放电信号，找到干扰信号，而不是采用设检测门限的办法来保证抗干扰性，从而保证了系统检测的准确性和灵敏性，拥有极高的抗干扰能力。应具体通过加强超高频传感器部分，健全高级监控系统，优化分站在线监控系统等方面来进具体完善超高频局部放电实时监视系统的优化。

2.3 气体绝缘且三相密封闭的开关设备的优化。三相封闭式开关设备是指将主回路元件的三相装在一个公用的的接地金属外壳内，利用环氧树脂浇注绝缘子进行支撑和隔离。具有结构紧凑、外壳数量少、节省原料等优点。该优化设计方案为：在金属封闭外壳内安装多个设备部件，在所述封装外壳内为每一相沿轴向前后相邻安装构造成封装引线的电流接线端、一个组合式隔离-接地开关和一个功率开关。并在组合式隔离—接地开关的接线中，布置成一条汇流排垂直于“电流接线端—功率开关—隔离/接地开关”轴线布局。同时将断路器一端安装在一个锥形绝缘体子的顶部，并且配制隔离/接地开关的动触头。通过对三相密封装闭的开关设备的优化，构成一个以汇流排、断路器、汇流排隔离/接地开关、电流接线端和互感器的共用开关柜外壳为特征，设备长度简化，同时该开关设备在发生故障时，可以在一个配电柜内通过简便的更换而由另一个备用设备替代的开关设备体系。

2.4 强化安装和调试监督工作 。气体绝缘金属封闭开关设备的安装情况在很大程度上影响了其运行质量。应通过建立、健全监督制度保证工程质量，从而保证现场安装工作的顺利进行。实施GIS现场安装WSS体系，即根据现场安装体系文件要求，编制现场安装WSS体系图，制定现场安装节点计划，实施全过程的质量控制。在安装过程中严格实施 四无管理（四无即无异物产生、无异物残留、无异物混入和无螺栓忘记紧固）。同时应对安装人员开展相应的安装工作培训，确保安装人员操作专业性。在气体绝缘金属封闭开关设备安装的过程中，应对建设单位、监督单位、安装单位等进行严格检查，监督他们是否按照相关规定进行气体绝缘金属封闭开关设备的调试工作。通过强化安装和调试监督工作，从而确保气体绝缘金属封闭开关设备的运行质量。

结语

本文通过提高断路器开断能力、加强超高频局部放电实时监视系统的优化、气体绝缘且三相密封闭的开关设备的优化以及强化安装和调试监督工作等四方面来对气体绝缘金属封闭开关设备进行研发与优化设计，以期制造出结构更加紧凑、性能更高、应用更广的GIS 产品。

参考文献

[1]李建基.高压气体绝缘金属封闭开关设备的发展[J].农村电气化，2007 （11）：57-59.